風力機系統(tǒng)解析-效率提升及穩(wěn)定運轉Dr.-Ing.Chen,Chun-Ming陳俊銘博士顧問1887Charles

F.Brush.

18m

高4ton

12kW1891JamesBlyth換，再透過電力轉換器(整流變頻)及變壓器將電能送上電網。風場

葉輪前葉輪后

風力機

旋轉動能=吸收的風能葉片轉子

-

(

輸

出

能

量

+

損

耗

)速、障礙物后

e

λ

、Pitch

Angle0~100%

傳動鏈(GB+G)80%~98%ρ

風能%ad50bl%to15Ro形風地Vρ=1.225kg/m3自然風吹轉葉輪，帶

冬轂P

10，,能為5°機C械,能，然后電能轉換<98%ElectricenergyTransfer輸出Out12%~48%機電能MechanicorelectricenergyWindenergy100%無障礙下測風塔風力機運轉原理及效率WindEnergySystemDefinitionRotor效率發(fā)電機輕重載傳動鏈

電能

p=

3.485

P=101.3kPa,T=15°C,通過傳動機構將機械ρg/電m機3

，實現(xiàn)由機械能向電能的轉Windturbine發(fā)電機效率逆變器效率產生規(guī)范如IEC

、GL等電力轉換器電網Rotor機械能安全問題環(huán)境問題齒輪箱GB直驅Site

風能

Generator

G

癥結?與風力機輸出相關的有風向、葉輪效率、機械效率、發(fā)電機效率

、逆變器效率等，而影響效率的有風向、轉速及使用容量百分比(%)，其中轉速的控制影響葉輪效率是主要因素?

效率的提升代表能量的增加，此時須注意容量及能否穩(wěn)定的運轉?注意發(fā)電機的空載及有載電壓、抽載大小會影響發(fā)電機電壓

、

?配線長度會影響電力轉換器的電壓設定?電力轉換器一般用電壓vs功率，基于前述最好改用轉速vs

電流設定?

發(fā)電機需有足夠容量方能有效控制風力機運轉?

泄荷開關電壓突波影響IGBT?

輸出功率隨空氣密度的變化而改變，而空氣密度則受環(huán)境溫度及壓力影響?尾翼的長短與面積的大小可作為風力機最后的安全屏障?架設場地及發(fā)電量評估Vwα

Vr

Attack

angleVwPitch

angle

βVw因旋轉所產生之相對風速Vu=r

ω轉速及Twistangle的作用*

不同Class的葉片因參考數(shù)據不同(r

、V等)不可混用VuTwistangle?葉根旋轉中心α

Vr

Attack

angleλ=rω/Vw

=Vu/Vw

VrαAttackangle

βLineLineLineVuVu葉輪設計風速10m/s葉輪效率設定0.483葉輪直徑D計算125.6m葉輪設計(額定)轉速nr12.2rpm第一振頻ω

1(塔架最小剛性依據)16.19rpm切入轉速nin5.66rpm葉輪最小承載扭力>3925509Nm發(fā)電機、逆變器在nr

電壓電流等逆變器可控ClassI切入風速Vin3m/s年平均風速

Vave10m/s額定風速

Vr15m/s切出風速Vout25m/s額定功率

Pr5MW系統(tǒng)參數(shù)設定、規(guī)格計算及葉片設計

5MW參數(shù)的設定葉片Cp-λ-θ圖的計算葉片的設計系統(tǒng)理論的發(fā)展與軟件的開發(fā)各種轉速的規(guī)劃與計算規(guī)

格的

計

算運轉控制及變槳角度功率及效率曲線的規(guī)劃PrnrninWind

SpeedVout

VsurACpsysVaveVinVrMPPT不可行V[m/s]V[m/s]00

5

10

15

20

V[m/s]P[W]系統(tǒng)理論的發(fā)展與軟件的開發(fā)

MPPT問題24.0n[rpm]

20.016.012.08.04.00.025Cp在變獎及逆變器不可控的情況下，一般采額定風速額定轉速6000000P[W]50000004000000300000020000001000000n[rpm]CpClassIIIIII額定功率Pr30MW16MW5MW500kW30kW5kW切入風速Vin3.5m/s3.5m/s3.5m/s3.5m/s3.5m/s3.5m/s年平均風速

Vave10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s額定風速

Vr11m/s11m/s11m/s11m/s11m/s11m/s切出風速Vout25m/s25m/s25m/s25m/s20m/s15m/s葉輪設計風速10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s10m/s葉輪設計功率23.7MW12.6MW3.95MW480kW28.8kW4.8kW葉輪效率設定0.4930.4930.4930.4830.4830.483葉輪直徑D計算331m241.7m135.1m48.9m11.97m4.89m葉輪額定轉速nr6.06rpm8.30rpm14.8rpm31.3rpm127rpm313rpm第一振頻ω

1(塔架最小剛性依據)8.06rpm11.04rpm11.04rpm41.6rpm170rpm416rpm切入轉速nin2.82rpm3.86rpm3.86rpm14.6rpm59rpm146rpm修正額定轉速nr86.5rpm214rpm系統(tǒng)理論的發(fā)展與軟件的開發(fā)為何定槳小風力機的效率值Cp<0.35？系統(tǒng)參數(shù)設定、規(guī)格計算及葉片設計

參數(shù)的設定

規(guī)格的計算轉速的計算與規(guī)劃轉速修正ACpsys

CpsysnrninWind

SpeedVin

VaveVr

Vout

Vsur功率及效率曲線的規(guī)劃Pr在定槳及逆變器不可控

：先用Pr及Vr計算出CpB，移動轉速讓λ

落在安裝角度的曲線上，λ=rω/V↓Cp

↓這也是為何小型風力機Cp<0.35之故正常斷裂在離葉根1/3處；額定以后葉尖速度>80m/s

；如Bladed的最大載荷在靜止狀態(tài)則為3秒Ve50

；而此時ClassI的Ve50

=70m/s<80m/s

葉片堪憂早期近來風力機葉片受損情況功率曲線不同發(fā)電機效率系統(tǒng)理論的發(fā)展與軟件的開發(fā)逆變器效率Cp-λ-θ被動pitch翼面旋轉主動變槳及轉向滑環(huán)系統(tǒng)并網架構擺尾機制電阻剎車/泄荷電阻抽載控制/轉速控制小風力機的組件與控制電力電子抽載偏航機制失速控制L5.83m6.55m6.843m7.5mD6.23m7m7.24m7.9m葉片面積A3.67m23.21m24.02m22.79m23ΔA[%]*194.9%45.5%132.3%F(70m/s)16530N14460N18097N12558N推力差3F*111916N5706N16617N0N扭力中心距變槳軸中中短遠短轉向系統(tǒng)驅動力及致動力約需增加95%轉向系統(tǒng)驅動力及致動力約需增加132%葉片形狀(非翼型)的選擇(矩形與三

角形葉片之比較)推力大、轉向扭力也大尾

舵轉

向

控

制A'

=0

16A

eA

′尾舵面積、A風輪掃掠面積1.8m尾翼

2.2m尾翼距旋轉中心2.6m偏航原理為有尾翼之風力機為Upwind，無尾翼之風力機則為Downwind，調整尾翼面積A

,及尾桿長度l

可讓風力機在某一風速(15m/s)下偏航保護推力大、轉向扭力也大

尾桿更長、尾翼面積更大偏

航

保

護

機制尾翼高抖動尾桿太短不穩(wěn)，中風速即偏航調距尾翼偏航影片.

lVestas

V126-3.45

MW

guyedtowerat

?sterildVestas曾做過柔塔實驗,

但無疾而終因塔架搖晃大，一般會拉鋼纜降低搖晃程度；

須注意鋼纜螺栓及法蘭螺栓的疲勞問題；運轉2年后螺栓斷裂。此法可降低振幅但無法改變振頻小kW數(shù)風力機因加減速快較易跳過共振頻率且搖晃幅度小可使用柔塔，但還是要加纜繩以策安全

,

另因搖晃幅度小對疲勞影響也小影片推力大、轉向扭力也大尾桿更長、尾翼面積更大塔架強壯、基座厚實成本上升柔塔的問題four

1990’s

eraV29-225kilowatt改善轉速rpm設計值50mm輸出功率65mm輸出功率100m

m輸出功率000002002063827102914793003095134416572323360371416562036283440041271865228931745005159238929214024600619029143556487470072223439419257268008254396548276575發(fā)電機360rpm下空載線電壓rms值室溫下的繞組電阻

值(相電阻)加載溫升后繞組電阻值

(相電阻)加載轉速

(rpm)加載電流(A)加載溫升(度)加載功率

(kW)100mm232.8V0.58850.69094499.17644.63.5665mm229V1.0051.39681.29.2492.593.6150mm221.1V1.351.9249468.257104.92.88發(fā)電機電阻加載測試以原動機帶動積長為100mm

、65mm及50mm的發(fā)電機，并使用電阻對發(fā)電機加載，加載電阻為14.

1奧姆。注意電力轉換器抽載設定轉速

功率(IV)轉速

電流電壓功率電壓

電流因電壓受配線長度、輕重載等影響小型風力機電氣控制受配線長度之影響小型風力機的Inverter很多都是用電壓vs

功率的控制，但風力機之能量來源為葉輪，所

以最好用轉速vs

電流控制，因電壓vs功率控制會受配線長短的壓降影響，所

以最好根據配線長度重新量測或計算IP

n,V

Inverter原始設定：n,V,P,

II

R1

Pn,V

1

Inverter

11配線壓降V配線電阻RV1=I*R1

V=V1+V2

V2=V-V1V2V轉速65mm設定100mm設定00.06030953705100515507405015077220011102002001030600147960025013431000190110003001657150023231800350197320002749250036020362080283526004002289240031743000450260528003599320050029223100402532006003557320048753200700419257278004827657620131107修改后修改前20131107實測風力機容量問題：發(fā)電機+

電力轉換器藍色字

、綠色字量測值

2kW風力機(65mm改配100mm發(fā)電修改前用65mm積長發(fā)電機沒能控制轉速會飆到430rpm以上，即多余的能量轉化成旋轉動能。修改后用100mm積長發(fā)電機能將轉速控制在375rpm以下。轉速控制住后可讓TSRλ=rω/V隨風速增加而變小效率變差發(fā)電機容量夠，能讓風力機照設定的功率曲線跑且能有效的控制住轉速，否則風力機會隨風速的增加而飆速。Control：輕重載Protection：泄荷、偏航Emergency

Shut

Down：發(fā)電機三相短路機)泄荷機制中之IGBT短路問題IGBT功能：小型風力機會利用IGBT做為導通泄荷電組的開關如圖IGBT現(xiàn)象：IGBT在運轉一段時間后變成短路，導致泄荷電阻一直在作用

,

風力機明顯減速運行嘗試

：1.

懷疑是過熱造成IGBT受損，采用電風扇及散熱片散熱，但仍持續(xù)發(fā)生，且IGBT沒有發(fā)燙的跡象，故應不是過熱；2.IGBT短路幾乎都出現(xiàn)在泄荷電阻打開的瞬間而非在高風速區(qū)，且不一定每次都會發(fā)生；3.從論文中查到過熱會造成IGBT斷路，而電壓凸波則會造成IGBT短路，從600V的IGBT更換到1600V仍發(fā)生；4.

發(fā)電機內定轉子纏繞有漆包線，此架構類似電感，其感應電動勢為-L*di/dt

，發(fā)電機的電流輸出為正弦波，在最高點及最低點處

di/dt為無窮大，其他處則為有限值；5.在連接發(fā)電機的實際測試中確曾出現(xiàn)電壓凸波但變化不大，此與風力機實際運轉時類似，只有在巧合時才會出現(xiàn)IGBT短路的現(xiàn)象解決辦法：1.

改用IGBT觸發(fā)電磁閥后便沒再發(fā)生；2.

另在有PLC控制的風力機則讓IGBT減緩開啟時間也解決了影響風力機的輸出中，唯一無法預先知道的是空氣密度的影響，其解決方法：1.在同一功率曲線下，由方程式根據空氣密度反推出系統(tǒng)Cp再據而算出葉輪Cp，并根據設定的λ找到對應的

pitch角2.找出根據不同空氣密度設定之功率曲線，并據此作調變

。密度及變槳搭配內蒙古大氣壓kPa溫度[℃]空氣密度[kg/m3]夏天100301.150冬天104-151.405空氣密度變化引起的效果(V80)p

標準大氣壓P=101.3kPa,T=273K空氣密度對變槳的影響及調整基本分為逆變器可控與不可控兩種：

逆變器可控：逆變器可隨控制器的指令隨時改變功率輸出，此多用于大型風力機其轉速與風速之關系是固定不變的，轉速可借著改變變槳角度及輸出功率的大小來達成

逆變器不可控：逆變器一經設定后無法再更改，此多發(fā)生于中小型風力機可變槳風力機可借助變槳角度的改變來達成(必須再參考風速及轉速)；定槳風力機只能借助泄荷、擺尾、偏航、三相短路等保護機制讓風力機減速或停止運轉IIIIIIVPitch風向偏差Acosα葉輪CpR**葉輪CpR風向偏差Acosα

*機械效率ηmech機械效率ηmech**發(fā)電機效率ηge發(fā)電機效率ηge**逆變器效率ηinv逆變器效率ηinvIIIIIIIV*A=1m2水平軸(D=0.564m)垂直軸(1m*1m

、0.5m*2m)風速[m/s]風能[W]Cpsys=0.4Cpsys=0.3Cpsys=0.2Cpsys=0.110.613W0.25W0.18W0.12W0.06W24.900W1.96W1.47W0.98W0.49W316.537W6.62W4.96W3.31W1.65W439.200W15.68W11.76W7.84W3.92W4.

用滾珠軸承(降低啟動扭力)

小型風力機微風啟動/發(fā)電的方法P=0.5

ρV3

A

Cpsys

，

ρ=1.225kg/m32.

阻力型風力機(切線速度等于風速)

No3.

直接用橋整無控制器(省電但效率差)方法：1.

采用無鐵芯的盤式發(fā)電機(無磁阻力)風洞測試效率會比實際場測高?風力機尺寸除非相對于風洞很小，否則須考慮風力機截面積A’在風洞中(A)的占

比，因風的流量是固定的，當截面積縮小時將導致風速升高(V’)及輸出功率增加，甚至Cp會超過極限值0.593。?簡單采V*A=(A-A’)*V’

校正風速后可得”修正后

Cp”?在風洞測試時因有風速V數(shù)據，只要抽載設定妥當

,

轉速能控制在葉片設計的最高點(約0.46)，則發(fā)電量確實可達最大輸出?實際風場測試時因無風速數(shù)據，且架設高度低

，受邊界層及障礙物引起的擾流影響，風力機難控制在最佳轉速，故發(fā)電量難達最大輸出值，水平軸Cp約0.2-0.35，立軸則更低風速功率Cp修正后Cp100.0000.000200.0000.000300.0000.0004200.3760.2745610.5870.42761150.6410.46671800.6310.46082600.6110.44593500.5780.420104200.5050.368114900.4430.322125500.3830.279136160.3370.246146900.3030.220157500.2670.195168500.2500.182NO常只用Vave及P-V曲線計算有些差的則用365*24*Pr

小風機常只做發(fā)電量粗估，不作安全性評估發(fā)電量粗估發(fā)電量評估衰減量評估END執(zhí)行費時又費錢發(fā)電量精算WindFarmYES精算發(fā)電量N