1、風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ),第3章 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),目錄 3.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動(dòng)力學(xué) 3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理 3.3 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析,2,3.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動(dòng)力學(xué),風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)的動(dòng)力使風(fēng)力機(jī)葉片受力而旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)而輸出電能。來流風(fēng)速的特征、風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)、以及葉片與來流的相互作用就構(gòu)成風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的主要問題。 葉片翼型的幾何形狀 翼型,3,翼型的中弧線 前緣、后緣 弦線、弦長 最大彎度、最大彎度位置 最大厚度、最大厚度位置 前緣半徑 后緣角 攻角,4,升力與阻力 風(fēng)就是流動(dòng)的空氣，一塊薄平板放在流動(dòng)的空氣中會(huì)受到氣流對它的作用力，我們把這個(gè)力分

2、解為阻力和升力。圖3-2中F是平板受到的作用力，D為阻力，L為升力。阻力與氣流方向平行，升力與氣流方向垂直。,5,升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù) 升力系數(shù)和阻力系數(shù)分別定義為： （3-1） （3-2） 式中： 空氣密度； 翼型的長度，通常表示為弦長； 無窮遠(yuǎn)來流速度； 升力； 阻力。,6,幾何形狀與空氣動(dòng)力特性,7,(a) 翼型受力,(b) 翼型壓力分布,風(fēng)輪葉片理論 動(dòng)量理論 葉素理論 葉素理論的出發(fā)點(diǎn)是將葉片沿展向分成許多微段（這些微段稱為葉素）。葉素理論的基本假設(shè)為： 不考慮沿葉片展長方向相鄰葉素間的干擾； 作用于每個(gè)葉素上的力僅由葉素的翼型升阻特性來決定； 作用在每個(gè)葉素單元的合成流速與

3、葉片平面的夾角為攻角。,8,3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理,風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理簡單的說是：風(fēng)的動(dòng)能（即空氣的動(dòng)能）轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，轉(zhuǎn)子的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成電能。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式 獨(dú)立運(yùn)行 并網(wǎng)運(yùn)行,9,定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)：根部先進(jìn)入失速，隨風(fēng)速增大，失速部分向葉尖擴(kuò)展,變槳距：通過改變節(jié)距角獲得更小的啟動(dòng)風(fēng)速，更好的大風(fēng)制動(dòng)性能； 更高的風(fēng)能利用系數(shù)，提高和確保高風(fēng)速段的額定功率；具有功率輸出平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。,10,變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī),定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行過程 待機(jī)狀態(tài) 自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài) ，無負(fù)載 控制系統(tǒng)已做好切入電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備 機(jī)械剎車已松開 葉尖阻尼板已收回 風(fēng)輪處于

4、迎風(fēng)狀態(tài) 液壓系統(tǒng)的壓力保持在設(shè)定值上 風(fēng)況、電網(wǎng)和機(jī)組的所有狀態(tài)參數(shù)均在控制系統(tǒng)檢測之中，一旦風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)即可并入電網(wǎng)。,11,12,狀態(tài)1,狀態(tài)2,狀態(tài)3,風(fēng)速v3m/s,但不足以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組拖動(dòng)到切入的轉(zhuǎn)速,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從小功率狀態(tài)切出，沒有重新并入電網(wǎng),風(fēng)力機(jī)處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài),待機(jī)狀態(tài),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自起動(dòng) 風(fēng)輪在自然風(fēng)速的作用下，不依靠其他外力的協(xié)助，將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速,13,自啟動(dòng)的條件 電網(wǎng) 連續(xù)10 min內(nèi)電網(wǎng)沒有出現(xiàn)過電壓、低電壓； 電網(wǎng)電壓0.1s內(nèi)跌落值均小于設(shè)定值； 電網(wǎng)頻率在設(shè)定范圍之內(nèi)； 沒有出現(xiàn)三相不平衡等現(xiàn)象 風(fēng)況 連續(xù)10min風(fēng)速在風(fēng)

5、力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行風(fēng)速的范圍內(nèi) 0.3m/sv25m/s 機(jī)組自身 發(fā)電機(jī)溫度、增速器油溫度應(yīng)在設(shè)定值范圍以內(nèi)； 液壓系統(tǒng)所有部位的壓力都在設(shè)定值； 液壓油位和齒輪潤滑油位正常； 制動(dòng)器磨擦片正常； 扭纜開關(guān)復(fù)位； 控制系統(tǒng)DC24V、AC24V、DC5V、DC15V電源正常； 非正常停機(jī)后顯示的所有故障均已排除； 維護(hù)開關(guān)在運(yùn)行位置,14,風(fēng)輪對風(fēng) 當(dāng)風(fēng)速儀測得10min平均風(fēng)速v3m/s時(shí)，控制器允許風(fēng)輪對風(fēng) 偏航角度通過風(fēng)向儀測定。當(dāng)風(fēng)力機(jī)向左或右偏離風(fēng)向確定時(shí)需延遲10s后才執(zhí)行向左或向右偏航。以避免在風(fēng)向擾動(dòng)情況下的頻繁啟動(dòng) 釋放偏航剎車1s后。偏航電動(dòng)機(jī)根據(jù)指令執(zhí)行左右偏航；偏航停止時(shí)

6、，偏航剎車投入。,15,制動(dòng)解除 當(dāng)自起動(dòng)的條件滿足時(shí)控制葉尖擾流器的電磁閥打開，壓力油近入槳葉液壓缸，擾流器被收回與槳葉主體合為一體?？刂破魇盏饺~尖擾流器已回收的反饋信號后壓力油的另路進(jìn)入機(jī)械盤式制動(dòng)器液壓缸，松開盤式制動(dòng)器。,16,葉尖剎車位置,葉片正常位置,17,順槳（啟動(dòng)前） 變槳到運(yùn)行位置 有效運(yùn)行時(shí)（變速） 變槳控制(額定風(fēng)速后）,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)與脫網(wǎng) 通過三相主電路上的三組晶閘管完成 大小發(fā)電機(jī)切換,18,19,并入電網(wǎng),風(fēng)機(jī)靜止,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng),20,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng),21,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng),整流為 直流電,發(fā)電機(jī) 發(fā)電,把直流電變?yōu)楣ゎl交流電并網(wǎng),發(fā)電機(jī),整流柜,變

7、流柜,22,交流控制柜,23,網(wǎng)側(cè)斷路器1Q1機(jī)械鎖定鑰匙的鑰匙把的位置處于水平方向時(shí)斷路器處于機(jī)械鎖定狀態(tài)，在需要進(jìn)行機(jī)械鎖定時(shí)最好將鑰匙撥到水平位置后將鑰匙拔離以確保安全。鑰匙位于與地面垂直位置時(shí)表明斷路器處于正常工作狀態(tài)，此位置無法移除鑰匙。,變流器控制柜機(jī)柜1,24,變流器控制柜機(jī)柜2,變流器控制柜機(jī)柜3,25,變流器控制柜機(jī)柜,26,變流器系統(tǒng)原理圖,軟并網(wǎng)的目的：限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和大小發(fā)電機(jī)切換時(shí)的瞬變電流，以免對電網(wǎng)和機(jī)組造成過大沖擊,27,電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，把發(fā)電機(jī)用作電動(dòng)機(jī)將機(jī)組起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速并切入電網(wǎng)。 一般只在調(diào)試期間無風(fēng)時(shí)或某些特殊的情況下，比如氣溫

8、特別低，又未安裝齒輪油加熱器時(shí)使用。 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)總是作用于小發(fā)電機(jī)。 發(fā)電機(jī)起動(dòng)瞬間，存在較大的沖擊電流，并持續(xù)一段時(shí)間，因而發(fā)電機(jī)起動(dòng)時(shí)需采用軟起動(dòng)技術(shù)，根據(jù)電流反饋值，控制起動(dòng)電流，以減小對電網(wǎng)沖擊和機(jī)組的機(jī)械振動(dòng)。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間不應(yīng)超出60s，起動(dòng)電流小于小發(fā)電機(jī)額定電流的3倍。,28,29,控制系統(tǒng)的組成（1）,傳感器,30,風(fēng)速儀 風(fēng)向儀 轉(zhuǎn)速傳感器 電量采集傳感器 槳角位置傳感器 各種限位開關(guān) 振動(dòng)傳感器 溫度和油位指示器 液壓系統(tǒng)壓力傳感器 操作開關(guān)，按鈕等 ,控制系統(tǒng)的組成（2）,31,執(zhí)行機(jī)構(gòu),處理器系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)或微型控制器以及高可靠性的硬 件組成。,液壓驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)變槳距執(zhí)

9、行機(jī)構(gòu) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器 發(fā)電機(jī)接觸器 剎車裝置 偏航電機(jī) ,控制系統(tǒng)的功能,整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制,32,過程控制：由一種運(yùn)行狀態(tài)到另一種運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過渡,待機(jī) 啟動(dòng) 發(fā)電運(yùn)行 停機(jī) 故障停機(jī) ,要求：在執(zhí)行下一個(gè)操作步驟前，整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制器必須檢查并確保每個(gè)步驟均已成功完成，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)存在沒有成功完成的步驟，或者檢測到任何故障，應(yīng)將機(jī)組切換到停機(jī)或故障停機(jī)狀態(tài),閉環(huán)控制 基于軟件的系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)使其工作在某些預(yù)先設(shè)定的工作曲線或特性上,33,大于額定風(fēng)速時(shí)的變槳距控制 為調(diào)整轉(zhuǎn)速而采用的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制 為減小偏航跟蹤誤差而采用的偏航電機(jī)控制,安全鏈 在風(fēng)電機(jī)組

10、發(fā)生嚴(yán)重故障或存在潛在嚴(yán)重故障時(shí)將風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)。,34,作為主控制系統(tǒng)的補(bǔ)充，獨(dú)立存在 失效保護(hù) 高可靠性,葉輪超速 振動(dòng)限位開關(guān) 操作員按下急停按鈕 主控制器無法控制的其他故障,安全鏈啟動(dòng),運(yùn)行過程中的主要參數(shù)監(jiān)測 電力參數(shù) 電網(wǎng)三相電壓 發(fā)電機(jī)輸出的三相電流 電網(wǎng)頻率 發(fā)電機(jī)功率因數(shù) 風(fēng)力參數(shù)監(jiān)測 風(fēng)速 風(fēng)向 機(jī)組狀態(tài)參數(shù)檢測 轉(zhuǎn)速：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 機(jī)艙振動(dòng) 電纜扭轉(zhuǎn) 機(jī)械剎車狀況,35,功率過高或過低的處理 功率過低 退出電網(wǎng)，處于待機(jī)狀態(tài) 功率過高 正常停機(jī) 安全停機(jī) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng) 風(fēng)速高于25m/s，持續(xù)10min 風(fēng)速高于33m/s，持續(xù)2s，正常停機(jī) 風(fēng)速

11、高于50m/s，持續(xù)1s，安全停機(jī)，側(cè)風(fēng)90,36,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成,37,變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用分為三種狀態(tài)：起動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率狀態(tài)（不控制）、額定功率狀態(tài)（功率控制） 起動(dòng)狀態(tài) 靜止時(shí)，節(jié)距角90；風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 并網(wǎng)前，轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)此值調(diào)整節(jié)距角，即進(jìn)行速度控制。,38,欠功率狀態(tài) 并網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)在額定功率以下的低功率狀態(tài)運(yùn)行 早期不加以控制，近期，Vestas等采用了所謂Optitip技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速

12、比上，以優(yōu)化功率輸出 額定功率狀態(tài) 風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，機(jī)組進(jìn)入額定功率狀態(tài),39,變槳距控制系統(tǒng),傳統(tǒng)變槳距控制系統(tǒng)框圖,40,新型變槳距控制系統(tǒng)框圖,風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行 設(shè)備運(yùn)行安全操作規(guī)程 提高使用、維護(hù)、管理人員的技術(shù)能力 風(fēng)力發(fā)電機(jī)對自然災(zāi)害的防護(hù) 安全保護(hù)措施 防雷擊保護(hù) 超速保護(hù) 機(jī)組振動(dòng)保護(hù) 發(fā)電機(jī)過熱保護(hù),41,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)日常維護(hù)主要檢查是各緊固部件是否松動(dòng)，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件，軸承的潤滑，有刷勵(lì)磁交流發(fā)電機(jī)的滑環(huán)、碳刷的清洗、更換碳刷，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的漏油、齒輪箱潤滑冷卻泊的滲漏、填補(bǔ)，電控系統(tǒng)接觸器觸點(diǎn)等的維護(hù) 保持良好狀態(tài)才能正常運(yùn)行，達(dá)到2030年

13、的使用壽命,42,風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見故障 風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)出異常聲響 風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上，但風(fēng)輪達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)不能輸出額定電壓 調(diào)向不靈或不能調(diào)向 風(fēng)輪時(shí)快時(shí)慢（風(fēng)速變化不大） 風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電機(jī)不發(fā)電（無電壓） 發(fā)電機(jī)電壓振蕩 發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出電壓低 發(fā)電機(jī)過熱 發(fā)電機(jī)機(jī)艙振動(dòng) 塔架振動(dòng)或頻繁晃動(dòng),43,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制 定槳距 失速型是指利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風(fēng)速下，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生紊流，效率下降，達(dá)到限制功率的目的。 變槳距 風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，保證葉片在最佳攻角狀態(tài)，以獲得最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)減小葉片攻角，保

14、證輸出功率在額定范圍內(nèi),44,偏航軸承,45,46,主動(dòng)失速 風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速分幾級控制，控制精度低于變槳距控制；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)通過增加葉片攻角，使葉片“失速”，限制風(fēng)輪吸收功率增加 對于變槳距和主動(dòng)失速控制方式，葉片和輪轂都通過變槳軸承連接，即都通過變槳實(shí)現(xiàn)控制。,47,定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn),風(fēng)輪結(jié)構(gòu)：,48,槳葉與輪轂連接固定,自動(dòng)失速：風(fēng)速高于額定風(fēng)速 制動(dòng)能力：突甩負(fù)載,70年代：失速性能好的槳葉（玻璃鋼復(fù)合材料） 80年代：葉尖擾流器,功率輸出隨高度、溫度的變化,49,海拔對定槳距風(fēng)力機(jī)功率輸出的影響,溫度對定槳距風(fēng)力機(jī)功率輸出的影響,功率輸出

15、與功率系數(shù)的關(guān)系,50,功率輸出隨槳葉節(jié)距角的變化,51,變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制,52,功率,風(fēng)速,變槳距,定槳距,不同葉片的槳距角對輸出功率的影響,53,低于額定功率時(shí)的零槳距角的功率曲線,54,變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn) 輸出功率特性 在額定點(diǎn)具有較高的風(fēng)能利用系數(shù) 確保高風(fēng)速段的額定功率 起動(dòng)性能與制動(dòng)性能 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù),55,轉(zhuǎn)子電流控制器原理圖,56,可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,57,恒速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組閉環(huán)控制器,58,風(fēng)電機(jī)組,風(fēng)力,電量 傳感器,控制器,變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu),電量,電量 測量,功率 設(shè)定值,槳距角給定,槳距角,恒速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組閉環(huán)控制器,變槳

16、距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制,功率控制系統(tǒng),59,轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng),60,變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)的節(jié)距角、轉(zhuǎn)速與功率曲線,61,主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合 起動(dòng)階段 通過調(diào)節(jié)變槳距系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 在額定風(fēng)速以下 主要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能 在額定風(fēng)速以上 采用變速與槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，通過變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風(fēng)力機(jī)獲取能量,62,3.3 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析,小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 風(fēng)輪 發(fā)電機(jī)：交流永磁發(fā)電機(jī)、感應(yīng)式發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī) 尾舵 限速裝置 塔架,63,大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 葉片 輪轂 主傳動(dòng)系統(tǒng)：主軸、增速齒輪箱、聯(lián)軸器 偏航系統(tǒng)：偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)和控制裝置、偏航制動(dòng)器或阻尼器 制動(dòng)系統(tǒng)：空氣制動(dòng)器和機(jī)械制動(dòng)器 發(fā)電機(jī) 塔架 控制系統(tǒng) 附屬部件,64,