【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的比值， 即 (219)式中 R──為風(fēng)輪半徑， m；──為風(fēng)輪角速度， rad；──葉尖速比 ；根據(jù)動(dòng)量守恒原理，可知空氣作用在風(fēng)輪上的推力為 (220)式中 A──為風(fēng)輪掃掠面積， ；──為通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速,因此代表了單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)風(fēng)輪的空氣質(zhì)量, kg；──為風(fēng)輪前方未受風(fēng)輪影響的來(lái)流風(fēng)速，m/s；──為尾流中達(dá)到壓力平衡后的風(fēng)速， m/s；在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要確定一些參數(shù)，可采用確定風(fēng)力機(jī)額定出力或選用最大能量輸出來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)的風(fēng)速，如果在實(shí)際中這一風(fēng)速不能得到充分利用，產(chǎn)生損失也就說(shuō)明設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，也就是風(fēng)力機(jī)葉型設(shè)計(jì)有問(wèn)題，這也是風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力研究的本質(zhì)。在空氣動(dòng)力方面最重要的發(fā)展是，研制新的風(fēng)力機(jī)葉片葉型，以轉(zhuǎn)化更多的風(fēng)能，如美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)了一種新型葉片葉型，試驗(yàn)表明，新型葉片比早期的風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)化的風(fēng)能要大20%以上。目前設(shè)計(jì)的葉片，，可見(jiàn)在葉片葉型的改進(jìn)上還有較大的發(fā)展空間。采用柔性葉片也是一個(gè)發(fā)展動(dòng)向，利用新型材料（如新型工程塑料等）。進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，使其在風(fēng)況變化時(shí)能夠相應(yīng)改變它們的型面，從而改善空氣動(dòng)力響應(yīng)和葉片受力狀況，增加可靠性和對(duì)風(fēng)能的轉(zhuǎn)化量。另外，還在開發(fā)新的空氣動(dòng)力控制裝置．如葉片上的副翼，它能夠簡(jiǎn)單、有效地限制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，比機(jī)械剎車更可靠，并且費(fèi)用低。　功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在超過(guò)額定風(fēng)速（一般為12～16m/s；）以后，由于機(jī)械強(qiáng)度和發(fā)電機(jī)、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風(fēng)輪的能量捕獲，使功率輸出仍保持在額定值的附近。這樣也同時(shí)限制了槳葉承受的負(fù)荷和整個(gè)風(fēng)力機(jī)受到的沖擊，從而保證風(fēng)力機(jī)安全不受損害。功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距角調(diào)節(jié)和混合調(diào)節(jié)三種方式。1）定槳距失速調(diào)節(jié) 定槳距是指風(fēng)輪的槳葉與輪轂是剛性連接，葉片的槳距角不變。當(dāng)空氣流流經(jīng)上下翼面形狀不同的葉片時(shí)，葉片彎曲面的氣流加速，壓力降低，凹面的氣流減速，壓力升高，壓差在葉片上產(chǎn)生由凹面指向彎曲面的升力。如果槳距角不變，隨著風(fēng)速增加，攻角相應(yīng)增大，開始升力會(huì)增大，到一定攻角后，尾緣氣流分離區(qū)增大，形成大的渦流，上下翼面壓力差減小，升力迅速減少，造成葉片失速（與飛機(jī)的機(jī)翼失速機(jī)理一樣），自動(dòng)限制了功率的增加。圖23槳葉失速前的狀態(tài)圖Fig 2 3 Blade stall before the state chart因此，定槳距失速控制沒(méi)有功率反饋系統(tǒng)和變槳距角伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件少、造價(jià)低，并具有較高的安全系數(shù)。缺點(diǎn)是這種失速控制方式依賴育葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu)，葉片本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長(zhǎng)，所承受的氣動(dòng)推力大，使得葉片的剛度減弱，失速動(dòng)態(tài)特性不易控制，所以很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制上。2）變槳距角調(diào)節(jié) 變槳距角型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能使風(fēng)輪葉片的安裝角隨風(fēng)速而變化，風(fēng)速增大時(shí)，槳距角向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，相當(dāng)于增大槳距角，從而減小攻角，風(fēng)力機(jī)功率相應(yīng)增大。變槳距角機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著改善。變槳距角調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在陣風(fēng)時(shí)，塔架、葉片、基礎(chǔ)受到的沖擊，較之失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要小得多，可減少材料，降低整機(jī)質(zhì)量。它的缺點(diǎn)是需要有一套比較復(fù)雜的變槳距角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，要求風(fēng)力機(jī)的變槳距角系統(tǒng)對(duì)陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快，才能減輕由于風(fēng)的波動(dòng)引起的功率脈動(dòng)。3）混合調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風(fēng)速時(shí)，采用變槳距角調(diào)節(jié)，可達(dá)到更高的氣動(dòng)效率；當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后，使槳距角向減小的方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，相應(yīng)的攻角增大，使葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。這種方式變槳距調(diào)節(jié)不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對(duì)可以較小?！★L(fēng)輪迎風(fēng)技術(shù)風(fēng)速的大小、方向隨時(shí)間總是在不斷變化，為保證風(fēng)輪機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一個(gè)裝置跟蹤風(fēng)向變化，使風(fēng)輪隨風(fēng)向變化自動(dòng)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持風(fēng)輪與風(fēng)向始終垂直。這種裝置就是風(fēng)輪機(jī)迎風(fēng)裝置。 (221) (222)式中 P──風(fēng)輪機(jī)輸出功率， KW；──空氣密度， kg/；r ──風(fēng)輪半徑， m；──風(fēng)能利用系數(shù)；──風(fēng)速， m/s；n ──風(fēng)輪轉(zhuǎn)速， r/min；由式221和222可知風(fēng)輪機(jī)的輸出功率與風(fēng)速立方成正比,轉(zhuǎn)速與風(fēng)速一次方成正比。因此，風(fēng)速變化將引起出力和轉(zhuǎn)速的變化。風(fēng)輪迎風(fēng)裝置有三種方法：尾舵法、舵輪法和偏心法。風(fēng)向變化時(shí)，機(jī)身上受三個(gè)扭力矩作用，機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩，斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩,尾舵輪扭力矩。與機(jī)頭質(zhì)量、支持軸承有關(guān)，決定于風(fēng)斜角、距離L，尾舵力矩由下式近似計(jì)算 （223）式中 ──尾舵升力、阻力合力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)曲線查得；──尾舵面積；──風(fēng)輪的圓周速率，m/s；K──；L──尾舵距離，m。機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)條件 （224）尾舵面積 （225）式中 ──尾舵輪扭力矩，； ──機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩， ； ──斜向風(fēng)作用于主軸上的扭力矩， ；按上式設(shè)計(jì)的尾舵面積就可以保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。舵輪法是用自動(dòng)測(cè)風(fēng)裝置測(cè)定風(fēng)向，按風(fēng)向偏差信號(hào)控制同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪，此方法也可保證風(fēng)輪機(jī)槳葉永遠(yuǎn)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。在本設(shè)計(jì)中把尾舵取消增加槳葉軸與圓盤角度到7176。角這樣可以加大與斜向風(fēng)的接觸面積增大斜向風(fēng)對(duì)主軸的轉(zhuǎn)矩當(dāng)斜向風(fēng)的轉(zhuǎn)矩為零時(shí)風(fēng)輪機(jī)槳葉對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。 風(fēng)電品質(zhì)自然風(fēng)的速度和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)能具有不穩(wěn)定性特點(diǎn)，如何使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風(fēng)電品質(zhì)的方法，例如采用變轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，可以利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平滑輸出功率。由于變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的是電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸送給電網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化的電力諧波，并使功率因素惡化。因此，為了滿足在變轉(zhuǎn)速控制過(guò)程中良好的動(dòng)態(tài)特性，并能使發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的電力電子接口應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：；；；d．向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的功率；。此外，當(dāng)電網(wǎng)中并人的風(fēng)力電量達(dá)到一定程度，會(huì)引起電壓不穩(wěn)定（一般建議不大于10％）。特別是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短時(shí)故障時(shí)，電壓突降，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就無(wú)法向電網(wǎng)輸送能量，最終由于保護(hù)動(dòng)作而從電網(wǎng)解列。在風(fēng)能占較大比例的電網(wǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突然解列，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的不穩(wěn)定。因此，用合理的方法使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電功率平穩(wěn)具有非常重要的意義。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的不利影響可以用儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)改善。例如，用超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓和頻率穩(wěn)定。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES（Supercon Ducting Magnetic Energy Storage Systems）代表了柔性交流輸電的新技術(shù)方向，能吸收或者放出有功和無(wú)功功率，來(lái)快速響應(yīng)電力系統(tǒng)需要。另外，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展較為成熟，具有使用壽命長(zhǎng)、功率密度和儲(chǔ)能密度高、基本上不受充、放電次數(shù)的限制、安裝維護(hù)方便、對(duì)環(huán)境無(wú)危害等優(yōu)點(diǎn)?！“l(fā)電機(jī)變轉(zhuǎn)速/恒頻技術(shù)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，要求發(fā)電機(jī)的輸出頻率必須于電網(wǎng)頻率一致。保持發(fā)電機(jī)輸出頻率恒定的方法有兩種：a恒轉(zhuǎn)速恒頻系統(tǒng)，采取失速調(diào)節(jié)或者混合調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，主要采用主要采用異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)；，用電力電子變頻器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化的電能轉(zhuǎn)化成頻率恒定的電能。大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型配置如圖所示，箭頭為功率流動(dòng)方向。圖中頻率變換器包括各種不同類型的電力電子裝置，如軟并網(wǎng)裝置、整流器和逆變器等。異步感應(yīng)發(fā)電機(jī) 通過(guò)晶閘管控制的軟并網(wǎng)裝置接入電網(wǎng)。在同步速度附近合閘并網(wǎng)，沖擊電流較大，另外需要電容無(wú)功補(bǔ)償裝置。這種機(jī)型比較普遍，各大風(fēng)力發(fā)電制造商如Vestas、NEG Micon、Nordex都有此類產(chǎn)品。繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī) 外接可變轉(zhuǎn)子電阻，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率增大至10%，通過(guò)一組電 圖24發(fā)電機(jī)恒頻技術(shù)方案圖Fig 2 4 Constant Frequency Generator technology program plan 力電子器件來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。如Vestas公司的V47機(jī)組。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子通過(guò)雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。根據(jù)風(fēng)速的變化，實(shí)現(xiàn)恒頻控制。流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率僅為額定功率的10%25%，只需要較小容量的變頻器，并且可以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的靈活控制。如DeWind公司的D6機(jī)組。同步發(fā)電機(jī) 本配置方案的顯著特點(diǎn)是取消了增速齒輪箱，采用風(fēng)力機(jī)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)方式。齒輪傳動(dòng)不僅降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生噪聲，也是造成系統(tǒng)機(jī)械故障的主要原因，而且為了減少機(jī)械磨損還需要潤(rùn)滑清洗等定期維護(hù)。如Enercon公司的E266機(jī)組。3　風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)主要是借著空氣流動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片以擷取風(fēng)的動(dòng)能,來(lái)源于氣動(dòng)力的作用( 包括升力及阻力 ),對(duì)葉片產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩。任何種類風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的功率可用下式表示：風(fēng)輪機(jī)功率 P= （31）風(fēng)輪半徑 A==， m，其面積為其風(fēng)輪的總面積為： = D= （32）葉尖速比 （33）風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速 n= （34）式中 P──輸出功率（指額定工況下輸出的電功率）W，P=10KW（給定值）──空氣密度（一般取大氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）kg/， = kg/（給定值）──設(shè)計(jì)的風(fēng)速（風(fēng)輪中心高度處）m/s，=10m/s（給定值）A──風(fēng)輪掃掠面積 ──風(fēng)能利用系數(shù)，＝（給定值）n──風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速，n=50r/min（給定值）──傳動(dòng)效率──電效率 風(fēng)力機(jī)中心軸計(jì)算　中心軸參數(shù)計(jì)算1）中心軸的軸頸估算風(fēng)輪機(jī)功率 軸頸估算 (31)由于軸段上有一個(gè)鍵槽，估取主軸d＝90T＝ (32)額定功率P=10kw。 額定轉(zhuǎn)速n=50r/min