【文章內(nèi)容簡介】 固定的，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之改變。 就是根據(jù)計算所得的實際安裝角將其固定到輪 轂 上，不能變動葉片安裝角。 這一特點，給定槳 矩 風力發(fā)電機組提出了兩個必須要解決的問題，一是當風速高于風輪額定風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，因為風力機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失速性能。二是運行中的風力發(fā)電機組在突然失去電網(wǎng)的情況下，槳葉自身必須具備制動能力，使風力發(fā)電機組能夠在大風情況下安全 停機。為解決這樣的問題，制造商家通過改善葉輪的制造材料，采用加強玻璃塑料、碳纖維強化塑料、鋼和鋁合成。另外在槳葉尖部安裝葉尖擾流器，在需要制動時打開。由于葉尖部分處于 矩 離軸的最遠點，整個葉片作為一個長的杠桿，擾流器產(chǎn)生的氣動阻力相當高，足以使風力機在幾乎沒有任何磨損的情況下迅速減速，這一過程即是槳葉空氣動力剎車。 (2)變槳 矩 系統(tǒng) 就是葉片用可轉(zhuǎn)動的軸安裝在輪 轂 上，輪 轂 上安裝的幾個葉片可同步轉(zhuǎn)動以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風速條件下風力發(fā)電機得到最大功率。 隨著風力機單機容量的不斷 增加，風力機發(fā)電效率和可靠性的不斷改善，大中型風力機的葉片材料逐漸由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質(zhì)量輕的碳纖維。 [7] 6 齒輪箱系統(tǒng) 由于風力發(fā)電機槳葉的轉(zhuǎn)速達 不到發(fā)電機所需的同步轉(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（直驅(qū)式風力發(fā)電機則沒有齒輪箱機構(gòu) ） 齒輪箱系統(tǒng)的特點是 ： （ 1） 低速軸采用行星架浮動，高速軸采用斜齒輪（螺旋齒輪）浮動，這種兩級或者三級的復合齒輪形式，使結(jié)構(gòu)簡化而緊湊，同時均載效果好。 （ 2） 輸入軸的強度高、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，以適應風力發(fā)電的要求。在大型風力發(fā)電機中，發(fā)電機的極數(shù)愈多，增速箱的傳動比就可以越小。國外一般采用 24極的發(fā)電機。 風力發(fā)電機組的設(shè)計通常要求在無人值班運行條件下工作長達 20年之久，因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗。近年來國內(nèi)外風力發(fā)電機組故障率最高的部件當數(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，應根據(jù)使用地點的不同添加潤滑油冷卻或加溫機構(gòu)，以確保齒輪箱的潤滑，增加其使用壽命。 與傳統(tǒng)的風力發(fā)電機系統(tǒng)相比，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機取消 了沉重的增速齒輪箱，提高了風力發(fā)電機組的可靠性和可利用率，降低了制造和維護成本，減小了機械效率損失，提高了運行效率。開發(fā)直驅(qū)式風力發(fā)電機組是我國日后風力發(fā)電機制造的趨勢之一。 圖 。該齒輪箱系統(tǒng)是一個 3級行星 /螺旋（斜齒輪）復合機構(gòu)。 圖 齒輪箱結(jié)構(gòu)圖 7 發(fā)電機系統(tǒng) 現(xiàn)今，風力發(fā)電機的單機容量越來越大。風力發(fā)電機所用的發(fā)電機一般采用異步發(fā)電機，對于定槳 矩 風力發(fā)電機組，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機，這一方案不僅解決了低功率時發(fā)電機的效率問題 ，而且還改善了低風速時的葉尖速比。由于繞線式異步發(fā)電機有滑環(huán)電刷，這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風力發(fā)電惡劣的運行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。所以，有些風力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機，該電機定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無須滑環(huán)與電刷，可靠性高。目前，這種發(fā)電機形式成為各風電制造廠商生產(chǎn)的主流形式。但對于直驅(qū)式風力發(fā)電機系統(tǒng)，采用的是永磁同步發(fā)電機形式。這種直接驅(qū)動式風力發(fā)電機組由于沒有齒輪箱，零部件數(shù)量相對傳統(tǒng)風電機組要少得多。直驅(qū)式風力發(fā)電機組在我國是一種新型的產(chǎn)品，但在國外已經(jīng)發(fā)展了很長時間。目前我國在直驅(qū) 式風機中系統(tǒng)的研究相對傳統(tǒng)機型較少，但開發(fā)直驅(qū)式風力發(fā)電機組也是我國日后風機制造的趨勢之一。 圖 為雙反饋異步感應電機系統(tǒng)，通過軸承與齒輪箱機構(gòu) 連接 。 圖 雙反 饋異步感應發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng) 與一般工業(yè)控制過程不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng) 狀況 和機組運行參數(shù)，而且還要根據(jù)風速與風向的變化，對機組 8 進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。 定槳 矩 風力發(fā)電機組主要解決了風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車 技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組需要解決的最基本的問題。 定槳 矩 風力機控制系統(tǒng)由于功率輸出是由槳葉自身的性能來限制的，槳葉的節(jié) 矩 角在安裝時已經(jīng)固定；發(fā)電機的轉(zhuǎn)速則是由電網(wǎng)頻率限制。所以，在允許的風速范圍內(nèi)，該形式的控制系統(tǒng)在運行過程中對由于風速的變化引起輸出量的變化是不作任何控制的。 變槳矩風力發(fā)電機組，則在控制性能方面，大大改善，不但在起動時可對轉(zhuǎn)速進行控制，在并網(wǎng)后則可對功率進行控制。相對于定槳 矩 風力發(fā)電機組來說，變槳 矩 風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)也不再是簡單的執(zhí)行機構(gòu)，作為變 矩 系統(tǒng)，它 自身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了電液比例閥或驅(qū)動電機，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)的水平提高到一個新的階段。 偏航系統(tǒng) 由于風向經(jīng)常改變，偏航系統(tǒng)是用來調(diào)整風力機的風輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動方向相對位置的機構(gòu)，因為當風輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，風力機從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風力機的輸出功率最大。風向標是偏航系統(tǒng)的傳感器，將風向信號發(fā)給控制器，經(jīng)過與機艙的方位進行比較后，發(fā)出指令給偏航電機，驅(qū)動小齒輪沿著與塔架頂部固定的大齒圈移動，經(jīng)過偏航軸承使機艙轉(zhuǎn) 動，直到機艙對準風向后停止。 自然界中的風是一種不穩(wěn)定的資源，它的速度與風向是不定的。由于風向的不確定性，風力發(fā)電機就需要經(jīng)常偏航對風，而且偏航的方向也是不確定的，由此引起的后果是電纜會隨風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)動而扭轉(zhuǎn)。如果風力發(fā)電機多次向同一方向轉(zhuǎn)動，就會造成電纜纏繞，絞死，甚至絞斷，因此必須設(shè)法解纜。不同的風力發(fā)電機需要解纜時的纏繞圈數(shù)都有其規(guī)定。當達到其規(guī)定的解纜圈數(shù)時，系統(tǒng)應自動解纜，此時啟動偏航電機向相反方向轉(zhuǎn)動纏繞圈數(shù)解纜，將機艙返回電纜無纏繞位置。若因故障，自動解纜未起作用，風力發(fā)電機也規(guī)定了一個極值 圈數(shù)，在紐纜達到極值圈數(shù)左右時，紐纜開關(guān)動作，報紐纜故障，停機等待人工解纜。在自動解纜過程中，必須屏蔽自動偏航動作。 9 塔架 用來支撐風力機及機艙內(nèi)各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風力機能處于良好的風況環(huán)境下運轉(zhuǎn)。根據(jù)風力機容量的大小，塔架可以制成實心鐵柱式，也可以制成鋼材 塔 架結(jié)構(gòu)或柔性塔架。 制動系統(tǒng) 其功能是當風力機需要停止運轉(zhuǎn)或在大風時使風力機停止運轉(zhuǎn)以達到維修或保護風力機的目的。在小型風力機中多采用機械抱閘剎車方式實現(xiàn)制動停車，可以手動也可自動實現(xiàn)停車 。在大中型風力機中多采用 液壓或電氣制動方式實現(xiàn)抱閘停車。 UPS 供電系統(tǒng) 風力發(fā)電機組離開電網(wǎng)的支持是無法工作的，一旦有突發(fā)故障而停電時，控制計算機由于失電會立即終止運行，并失去對風機的控制，控制葉尖氣動剎車和機械剎車的電磁閥就會立即打開，液壓系統(tǒng)會失去壓力，制動系統(tǒng)動作，執(zhí)行緊急停機。緊急停機意味著在極短的時間內(nèi)，風機的制動系統(tǒng)將風機葉輪轉(zhuǎn)數(shù)由運行時的額定轉(zhuǎn)速變?yōu)榱恪４笮偷臋C組在極短的時間內(nèi)完成制動過程，將會對機組的控制系統(tǒng)、齒輪箱、主軸和葉片以及塔架產(chǎn)生強烈的沖擊。緊急停機的設(shè)置是為了在出現(xiàn)緊急情況時保護風電機組安 全的。然而，電網(wǎng)故障無須緊急停機；突然停電往往出現(xiàn)在天氣惡劣、風力較強時，緊急停機將會對風機的壽命造成一定影響；風機主控制計算機突然失電就無法將風機停機前的各項狀態(tài)參數(shù)及時存儲下來，這樣就不利于迅速對風機發(fā)生的故障 做出 判斷和處理。針對上述情況，對控制電路作了相應的改進。在控制系統(tǒng)電路中加設(shè)了一臺在線 UPS 后備電源，這樣當電網(wǎng)突然停電時， UPS 急 時投入，為風機的控制系統(tǒng)提供足夠的動力，使風機制動系統(tǒng)按正常程序完成停機過程。 1. UPS 儲能元件有蓄電池和超級電容 2 種 2. 超級電容作為一種新型儲能裝置，具有以下特點： 1) 電阻很小，壽命超長。 2) 可靠性高。 10 3) 儲能巨大。 4) 充電速度快。 5) 充放電能力強，對充放電電路要求簡單。 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能特性 。 空氣動力學原理 葉素理論 葉素理論將葉片等效為若干個基本單元進行研究， 將每個基本單元稱作葉素。葉片翼型弦線 AB 與風輪掃掠面的夾角 ? ，稱作槳 矩 角 。 風輪旋轉(zhuǎn)角速度為r? ， 則 半徑為 r 處葉素的圓周速度為 rr? ，而風輪平面的絕對風速 為 v ，葉片的相對風速 refv 和風輪的圓周速度 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 和風輪掃掠面的夾角，稱作入流角。 如圖 所示，氣流流經(jīng)葉素，會對其產(chǎn)生氣動力作用，在垂直于氣流方向產(chǎn)生一個氣動力，即升力 Lf ，同時，還會在氣流方向產(chǎn)生一個阻力 Df 。單個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， ? 為空氣密度。 風能計算 由流體力學理論可知，流動氣體所含有的動能可以表示為 [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 () 則氣流所具有的動能為： 312E Av?? 式 () 風能利用系數(shù)與貝茲理論 風輪作為 風電機組的能量捕獲 和轉(zhuǎn)換 部件，將風能轉(zhuǎn)換為主軸旋轉(zhuǎn)機械能，該能量經(jīng)過齒輪箱傳遞到發(fā)電機。依據(jù)貝茲 (Betz)理論，流過風輪的氣流速度不可能為零，因此，只有部分風能能夠被轉(zhuǎn)換為機械能 [10]。貝茲理論假定風輪是一個平面槳盤 (即 無 輪轂 ，葉片無窮多 )，經(jīng)過風輪的氣流沒有阻力，且整個風輪掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向在通過風輪前后都平行于風輪軸線。 圖 為氣流流過理想風輪旋轉(zhuǎn)面 A 所形成風廓線和通過前后風速和壓力的變化。由于風輪的旋轉(zhuǎn)，在靠近 風輪處及風輪 后某 距離 處的氣流速度均有所降低，同時，氣流通過風輪 前到達靠近風輪處時，空氣壓力升高，而通過風輪后壓力急劇下降，形成某種程度的“真空”，之后“真空”程度逐漸減弱，直到恢復原來的壓力 [11]。 設(shè) 1v 為通過風輪截面 A 的實際風速， 2v 為風輪后方遠處的風速，在單位時間內(nèi)，從風輪前到風輪后氣流動能的變化量就是為風輪所吸收并使風輪旋轉(zhuǎn)的風能E ，即： ? ?22 222 1212 2 2mvmvE A v v v?? ? ? ? 式 () 12 圖 空氣流過風輪旋轉(zhuǎn)面及其前后的狀況 假設(shè)風速 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，得到風輪吸收風能最大值為： 3max 827E Av?? 式 () 定義單位時間內(nèi)風輪吸收的風能 E與通過風輪旋轉(zhuǎn)面的全部風能之比為風能利用系數(shù) PC ，即： P inEC E? 式 () 由貝茲理論可知，理 想 風輪的最大理論效率m ax 16 ??，就是說即使轉(zhuǎn)化風能過程無損耗，也只能有 % 的風能可以為風力發(fā)電機組所用。貝茲理論中，沒有 考慮渦流損失，而是假設(shè)在葉尖速比 3?? 時，葉片翼形優(yōu)化，渦流損失很小。 葉尖速比 ? 是旋轉(zhuǎn)風輪的葉尖速度與風速之比， 是風力發(fā)電機組的一個 重要設(shè)計 參數(shù)，表示為： rRv??? 式 () 其中 : R 為風輪半徑；葉尖速比 ? 直接影響葉片的能量捕獲，影響風能利用系數(shù) 13 PC ，如圖 所示，在實際中常用風能利用系數(shù) PC 對葉尖速比入的變化曲線表示該風輪的空氣動力特性 [12]。 圖 風能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線 風能利用系數(shù) PC 在葉尖速比為 opt? ，時取到最大值。恒速運行的風力發(fā)電機組，風輪 轉(zhuǎn)速恒定，而風速一直變化，因此 ? 不可能保持在最大值，這樣一來，風力發(fā)電機組的運行效率通常不高。變速運行的風力發(fā)電機組，可以使機組在葉尖速比恒定的情況下運轉(zhuǎn)，從而使 PC 在較大風速范圍內(nèi)保持最大值。