【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之改變。 就是根據(jù)計(jì)算所得的實(shí)際安裝角將其固定到輪 轂 上，不能變動(dòng)葉片安裝角。 這一特點(diǎn)，給定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了兩個(gè)必須要解決的問(wèn)題，一是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪額定風(fēng)速時(shí)，槳葉必須能夠自動(dòng)地將功率限制在額定值附近，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)上所有材料的物理性能是有限度的。稱槳葉的這一特性為自動(dòng)失速性能。二是運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突然失去電網(wǎng)的情況下，槳葉自身必須具備制動(dòng)能力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下安全 停機(jī)。為解決這樣的問(wèn)題，制造商家通過(guò)改善葉輪的制造材料，采用加強(qiáng)玻璃塑料、碳纖維強(qiáng)化塑料、鋼和鋁合成。另外在槳葉尖部安裝葉尖擾流器，在需要制動(dòng)時(shí)打開。由于葉尖部分處于 矩 離軸的最遠(yuǎn)點(diǎn)，整個(gè)葉片作為一個(gè)長(zhǎng)的杠桿，擾流器產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力相當(dāng)高，足以使風(fēng)力機(jī)在幾乎沒(méi)有任何磨損的情況下迅速減速，這一過(guò)程即是槳葉空氣動(dòng)力剎車。 (2)變槳 矩 系統(tǒng) 就是葉片用可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸安裝在輪 轂 上，輪 轂 上安裝的幾個(gè)葉片可同步轉(zhuǎn)動(dòng)以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到最大功率。 隨著風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量的不斷 增加，風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率和可靠性的不斷改善，大中型風(fēng)力機(jī)的葉片材料逐漸由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的碳纖維。 [7] 6 齒輪箱系統(tǒng) 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉的轉(zhuǎn)速達(dá) 不到發(fā)電機(jī)所需的同步轉(zhuǎn)速，這就需要增速齒輪箱。 增速箱的低速軸接槳葉，高速軸 連接 發(fā)電機(jī)（直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則沒(méi)有齒輪箱機(jī)構(gòu) ） 齒輪箱系統(tǒng)的特點(diǎn)是 ： （ 1） 低速軸采用行星架浮動(dòng)，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動(dòng)，這種兩級(jí)或者三級(jí)的復(fù)合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而緊湊，同時(shí)均載效果好。 （ 2） 輸入軸的強(qiáng)度高、剛性大、加大支承，可承受大的徑向力、軸向力和傳 遞大的轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的要求。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)的極數(shù)愈多，增速箱的傳動(dòng)比就可以越小。國(guó)外一般采用 24極的發(fā)電機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)通常要求在無(wú)人值班運(yùn)行條件下工作長(zhǎng)達(dá) 20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗(yàn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率最高的部件當(dāng)數(shù)齒輪箱，而齒輪箱的故障絕大多數(shù)是由于軸承的故障造成。在齒輪箱的使用中，應(yīng)根據(jù)使用地點(diǎn)的不同添加潤(rùn)滑油冷卻或加溫機(jī)構(gòu)，以確保齒輪箱的潤(rùn)滑，增加其使用壽命。 與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相比，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)取消 了沉重的增速齒輪箱，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和可利用率，降低了制造和維護(hù)成本，減小了機(jī)械效率損失，提高了運(yùn)行效率。開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是我國(guó)日后風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的趨勢(shì)之一。 圖 。該齒輪箱系統(tǒng)是一個(gè) 3級(jí)行星 /螺旋（斜齒輪）復(fù)合機(jī)構(gòu)。 圖 齒輪箱結(jié)構(gòu)圖 7 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 現(xiàn)今，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來(lái)越大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)，對(duì)于定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機(jī)，這一方案不僅解決了低功率時(shí)發(fā)電機(jī)的效率問(wèn)題 ，而且還改善了低風(fēng)速時(shí)的葉尖速比。由于繞線式異步發(fā)電機(jī)有滑環(huán)電刷，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電惡劣的運(yùn)行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。所以，有些風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用無(wú)刷雙反饋電機(jī)，該電機(jī)定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無(wú)須滑環(huán)與電刷，可靠性高。目前，這種發(fā)電機(jī)形式成為各風(fēng)電制造廠商生產(chǎn)的主流形式。但對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)形式。這種直接驅(qū)動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于沒(méi)有齒輪箱，零部件數(shù)量相對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組要少得多。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在我國(guó)是一種新型的產(chǎn)品，但在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了很長(zhǎng)時(shí)間。目前我國(guó)在直驅(qū) 式風(fēng)機(jī)中系統(tǒng)的研究相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)型較少，但開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也是我國(guó)日后風(fēng)機(jī)制造的趨勢(shì)之一。 圖 為雙反饋異步感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)軸承與齒輪箱機(jī)構(gòu) 連接 。 圖 雙反 饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng) 與一般工業(yè)控制過(guò)程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng) 狀況 和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，而且還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組 8 進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量。 定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問(wèn)題和運(yùn)行的安全性與可靠性問(wèn)題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車 技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要解決的最基本的問(wèn)題。 定槳 矩 風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來(lái)限制的，槳葉的節(jié) 矩 角在安裝時(shí)已經(jīng)固定；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則是由電網(wǎng)頻率限制。所以，在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，該形式的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)由于風(fēng)速的變化引起輸出量的變化是不作任何控制的。 變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，則在控制性能方面，大大改善，不但在起動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在并網(wǎng)后則可對(duì)功率進(jìn)行控制。相對(duì)于定槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，變槳 矩 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)也不再是簡(jiǎn)單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為變 矩 系統(tǒng)，它 自身是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制系統(tǒng)水平得到了極大的改善和提高，并逐漸發(fā)展成熟。 使控制系統(tǒng)的水平提高到一個(gè)新的階段。 偏航系統(tǒng) 由于風(fēng)向經(jīng)常改變，偏航系統(tǒng)是用來(lái)調(diào)整風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動(dòng)方向相對(duì)位置的機(jī)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時(shí)，風(fēng)力機(jī)從流動(dòng)的空氣中獲取的能量最大，因而風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大。風(fēng)向標(biāo)是偏航系統(tǒng)的傳感器，將風(fēng)向信號(hào)發(fā)給控制器，經(jīng)過(guò)與機(jī)艙的方位進(jìn)行比較后，發(fā)出指令給偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)小齒輪沿著與塔架頂部固定的大齒圈移動(dòng)，經(jīng)過(guò)偏航軸承使機(jī)艙轉(zhuǎn) 動(dòng)，直到機(jī)艙對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向后停止。 自然界中的風(fēng)是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風(fēng)向是不定的。由于風(fēng)向的不確定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就需要經(jīng)常偏航對(duì)風(fēng)，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會(huì)隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而扭轉(zhuǎn)。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)多次向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要解纜時(shí)的纏繞圈數(shù)都有其規(guī)定。當(dāng)達(dá)到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)解纜，此時(shí)啟動(dòng)偏航電機(jī)向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞圈數(shù)解纜，將機(jī)艙返回電纜無(wú)纏繞位置。若因故障，自動(dòng)解纜未起作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也規(guī)定了一個(gè)極值 圈數(shù)，在紐纜達(dá)到極值圈數(shù)左右時(shí)，紐纜開關(guān)動(dòng)作，報(bào)紐纜故障，停機(jī)等待人工解纜。在自動(dòng)解纜過(guò)程中，必須屏蔽自動(dòng)偏航動(dòng)作。 9 塔架 用來(lái)支撐風(fēng)力機(jī)及機(jī)艙內(nèi)各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風(fēng)力機(jī)能處于良好的風(fēng)況環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)風(fēng)力機(jī)容量的大小，塔架可以制成實(shí)心鐵柱式，也可以制成鋼材 塔 架結(jié)構(gòu)或柔性塔架。 制動(dòng)系統(tǒng) 其功能是當(dāng)風(fēng)力機(jī)需要停止運(yùn)轉(zhuǎn)或在大風(fēng)時(shí)使風(fēng)力機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到維修或保護(hù)風(fēng)力機(jī)的目的。在小型風(fēng)力機(jī)中多采用機(jī)械抱閘剎車方式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)停車，可以手動(dòng)也可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車 。在大中型風(fēng)力機(jī)中多采用 液壓或電氣制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)抱閘停車。 UPS 供電系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組離開電網(wǎng)的支持是無(wú)法工作的，一旦有突發(fā)故障而停電時(shí)，控制計(jì)算機(jī)由于失電會(huì)立即終止運(yùn)行，并失去對(duì)風(fēng)機(jī)的控制，控制葉尖氣動(dòng)剎車和機(jī)械剎車的電磁閥就會(huì)立即打開，液壓系統(tǒng)會(huì)失去壓力，制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，執(zhí)行緊急停機(jī)。緊急停機(jī)意味著在極短的時(shí)間內(nèi)，風(fēng)機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運(yùn)行時(shí)的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱恪４笮偷臋C(jī)組在極短的時(shí)間內(nèi)完成制動(dòng)過(guò)程，將會(huì)對(duì)機(jī)組的控制系統(tǒng)、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。緊急停機(jī)的設(shè)置是為了在出現(xiàn)緊急情況時(shí)保護(hù)風(fēng)電機(jī)組安 全的。然而，電網(wǎng)故障無(wú)須緊急停機(jī)；突然停電往往出現(xiàn)在天氣惡劣、風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，緊急停機(jī)將會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的壽命造成一定影響；風(fēng)機(jī)主控制計(jì)算機(jī)突然失電就無(wú)法將風(fēng)機(jī)停機(jī)前的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)及時(shí)存儲(chǔ)下來(lái)，這樣就不利于迅速對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)生的故障 做出 判斷和處理。針對(duì)上述情況，對(duì)控制電路作了相應(yīng)的改進(jìn)。在控制系統(tǒng)電路中加設(shè)了一臺(tái)在線 UPS 后備電源，這樣當(dāng)電網(wǎng)突然停電時(shí)， UPS 急 時(shí)投入，為風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)提供足夠的動(dòng)力，使風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)按正常程序完成停機(jī)過(guò)程。 1. UPS 儲(chǔ)能元件有蓄電池和超級(jí)電容 2 種 2. 超級(jí)電容作為一種新型儲(chǔ)能裝置，具有以下特點(diǎn)： 1) 電阻很小，壽命超長(zhǎng)。 2) 可靠性高。 10 3) 儲(chǔ)能巨大。 4) 充電速度快。 5) 充放電能力強(qiáng)，對(duì)充放電電路要求簡(jiǎn)單。 它兼具傳統(tǒng)電容器的大電流快速充放電特性與電池的儲(chǔ)能特性 。 空氣動(dòng)力學(xué)原理 葉素理論 葉素理論將葉片等效為若干個(gè)基本單元進(jìn)行研究， 將每個(gè)基本單元稱作葉素。葉片翼型弦線 AB 與風(fēng)輪掃掠面的夾角 ? ，稱作槳 矩 角 。 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度為r? ， 則 半徑為 r 處葉素的圓周速度為 rr? ，而風(fēng)輪平面的絕對(duì)風(fēng)速 為 v ，葉片的相對(duì)風(fēng)速 refv 和風(fēng)輪的圓周速度 rr? 三者之間的關(guān)系是 ref rv v r??? 。 功角 i 是弦線與氣流速度矢量 refv 之間的夾角 。 I 是 refv 和風(fēng)輪掃掠面的夾角，稱作入流角。 如圖 所示，氣流流經(jīng)葉素，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生氣動(dòng)力作用，在垂直于氣流方向產(chǎn)生一個(gè)氣動(dòng)力，即升力 Lf ，同時(shí)，還會(huì)在氣流方向產(chǎn)生一個(gè)阻力 Df 。單個(gè)葉素受到的升力和阻力可以表示為升力系數(shù) LC 和阻 力系數(shù) DC 的 函數(shù) [8]： 圖 葉素受 力分析 ? ?212L re f Lf c v C??? 式 () ? ?212D ref Df c v C??? 式 () 其中 : c 為葉素弦長(zhǎng)， ? 為空氣密度。 風(fēng)能計(jì)算 由流體力學(xué)理論可知，流動(dòng)氣體所含有的動(dòng)能可以表示為 [9]： 11 212E mv? 式 () 式中 : m 為氣體質(zhì)量。 假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)截面積為 A 的氣體體積為 V ，則有： V Av? 式 () 該體積的空氣質(zhì)量為： mV?? 式 () 則氣流所具有的動(dòng)能為： 312E Av?? 式 () 風(fēng)能利用系數(shù)與貝茲理論 風(fēng)輪作為 風(fēng)電機(jī)組的能量捕獲 和轉(zhuǎn)換 部件，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為主軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，該能量經(jīng)過(guò)齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)。依據(jù)貝茲 (Betz)理論，流過(guò)風(fēng)輪的氣流速度不可能為零，因此，只有部分風(fēng)能能夠被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 [10]。貝茲理論假定風(fēng)輪是一個(gè)平面槳盤 (即 無(wú) 輪轂 ，葉片無(wú)窮多 )，經(jīng)過(guò)風(fēng)輪的氣流沒(méi)有阻力，且整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向在通過(guò)風(fēng)輪前后都平行于風(fēng)輪軸線。 圖 為氣流流過(guò)理想風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面 A 所形成風(fēng)廓線和通過(guò)前后風(fēng)速和壓力的變化。由于風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)，在靠近 風(fēng)輪處及風(fēng)輪 后某 距離 處的氣流速度均有所降低，同時(shí)，氣流通過(guò)風(fēng)輪 前到達(dá)靠近風(fēng)輪處時(shí)，空氣壓力升高，而通過(guò)風(fēng)輪后壓力急劇下降，形成某種程度的“真空”，之后“真空”程度逐漸減弱，直到恢復(fù)原來(lái)的壓力 [11]。 設(shè) 1v 為通過(guò)風(fēng)輪截面 A 的實(shí)際風(fēng)速， 2v 為風(fēng)輪后方遠(yuǎn)處的風(fēng)速，在單位時(shí)間內(nèi)，從風(fēng)輪前到風(fēng)輪后氣流動(dòng)能的變化量就是為風(fēng)輪所吸收并使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的風(fēng)能E ，即： ? ?22 222 1212 2 2mvmvE A v v v?? ? ? ? 式 () 12 圖 空氣流過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面及其前后的狀況 假設(shè)風(fēng)速 v 己知，而 E 可以看成是 v2的函數(shù)，按照求解一元函數(shù)極值方法，得到風(fēng)輪吸收風(fēng)能最大值為： 3max 827E Av?? 式 () 定義單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪吸收的風(fēng)能 E與通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比為風(fēng)能利用系數(shù) PC ，即： P inEC E? 式 () 由貝茲理論可知，理 想 風(fēng)輪的最大理論效率m ax 16 ??，就是說(shuō)即使轉(zhuǎn)化風(fēng)能過(guò)程無(wú)損耗，也只能有 % 的風(fēng)能可以為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所用。貝茲理論中，沒(méi)有 考慮渦流損失，而是假設(shè)在葉尖速比 3?? 時(shí)，葉片翼形優(yōu)化，渦流損失很小。 葉尖速比 ? 是旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪的葉尖速度與風(fēng)速之比， 是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè) 重要設(shè)計(jì) 參數(shù)，表示為： rRv??? 式 () 其中 : R 為風(fēng)輪半徑；葉尖速比 ? 直接影響葉片的能量捕獲，影響風(fēng)能利用系數(shù) 13 PC ，如圖 所示，在實(shí)際中常用風(fēng)能利用系數(shù) PC 對(duì)葉尖速比入的變化曲線表示該風(fēng)輪的空氣動(dòng)力特性 [12]。 圖 風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線 風(fēng)能利用系數(shù) PC 在葉尖速比為 opt? ，時(shí)取到最大值。恒速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪 轉(zhuǎn)速恒定，而風(fēng)速一直變化，因此 ? 不可能保持在最大值，這樣一來(lái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率通常不高。變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以使機(jī)組在葉尖速比恒定的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使 PC 在較大風(fēng)速范圍內(nèi)保持最大值。