第二讲 风力机的能量转换过程及基本特性

第二章风力发电机的原理及运行特性黄科元博士2011年2月湖南大学电气与信息工程学院风力机的能量转换过程一风力机的特性二风力机建模与仿真三主要内容风轮机的结构和能量控制四第一节风轮机的基本理论•一、理想风轮机的能量利用•1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。•假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。112121,VSSVSS22图中，是风轮上游的风速，V是通过风轮的风速，V是风轮下游的风速。通过风轮的气流其上游截面是下游截面是。由于风轮所获得的能量是由风能转化得到的，所以V必定小于，因而通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即大于。112212212SVSVSVFSVVVPFVSVVV自然界的空气流动可以认为是不可压缩的，由连续流动方程得到由动量方程，可得作用在风轮上的气动力为=()所以风轮吸收的功率为==()故上游至下游动能的变化为21212SVVVVVV2E=0.5()由能量守恒定律，可知＝0.5()221222121212213max10.50.25/3FSVVPSVVVVVVVVPPSVS因此，作用在风轮上的气动力和提供的功率可写为=()=()(＋)对于给定的上游速度，可写出以为函数的功率变化关系，将上式微分可得＝时，功率达到最大值，即=8/27将上式处以气流通过扫风面时所具有的动能，可得到风轮的理论最max,max31160.5930.527pPCSV大效率-理论风能利用系数•这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。310.5930.5ppPCSVC也就是说，实际风力机的功率必定小于贝兹理论的极限值，因此，风力机实际能得到的有用功率是=式中是风力机的风能利用系数。•1.风能利用系数Cp•风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为3320.5;/;;/pPCSVPWkgmSmVms式中实际获得功率,空气密度，扫风面积，上游风速，。第二节风轮机的空气动力特性•理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。2/min;;/;RnRVVnrRmVms为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与来流风速之比来描述，称为叶尖速比　　　　　　　　　　＝式中　风轮转速，　　　叶尖的半径，　　　－上游风速，　　　风轮旋转角速度,rad/s。2.叶尖速比•风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线成风轮机空气动力特性曲线2222ppVRMCSVRCMMSVR功率P可表示成风轮获得的总转矩M和风轮角速度的乘积，由＝，得　　　　　　　　并定义为无因次数，正比于转矩。变桨距风力机的特性通常由一簇风能利用系数的无因次性能曲线来表示，如图2.2所示。风能利用系数CP是叶尖速比λ的函数(表示为CP(λ))，也是桨叶节距角β的函数(表示为CP(β))，综合起来可表示为CP(λ，β)。从图中可以看到，当桨叶节距角β逐渐增大时，CP(λ)曲线将显著缩小。123456234561PC0风力机的风能利用系数只有在一个特定的最优尖速比下才达到最大值，当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的转速ω，那么必将偏离其最优值，从而使Cp降低，即降低了风力机的风能利用效率。所以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机组的转速也随之变化从而保持最优尖速比100120140160180200220240500100015002000250030003500400045005000P/Wrad/sPmax风力机的稳态特性由叶尖速比λ、风力机转矩系数CT(λ，β)、风能利用系数CP(λ，β)、风轮捕获功率P表示，分别为:2RRnvv321(,)2PPCvR(,)(,)PTCC第三节风力机的建模和仿真风力机的稳态特性可以通过数值表得到，但是为了便于软件模拟器的执行，更希望得到特性的分析表达式，而不是采用数据插值法。根据文献，CP(λ，β)为：521346(,)()iCPiCCCCCeC3110.0350.081i式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。123456234561PC0当桨矩角β恒定时，在不同的风速下，只要控制风力机能使其保持在最佳叶尖速比λ下运行，从而可以确保风力机能取得风能利用系数CP(λ，β)，实现变速风力机的最大功率捕获[17]，同时增大桨矩角β会减少风能利用系数CP(λ，β)，减少捕获的能量。根据式计算可以得到当λ=8.1时，CP(λ，β)≈0.48[16]。123456234561PC0风能利用系数CP(λ，β)模型521346(,)()iCPiCCCCCeC3110.0350.081i式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。123456234561PC0风力机模型2RRnvv321(,)2PPCvR仿真结果00.511.522.505101520t/sv/m/s0246810121400.10.20.30.40.50.6lamdaCp00.511.522.50200400600800t/sPa/kWa)模拟变速风速图b)风能利用系数曲线c)风力机功率输出曲线第四节风力机的结构和能量控制１．风轮机的机构•风轮机设备的主要结构包括•风轮机桨叶：通常采用３个或两个桨叶。•轮毂：桨叶安装在轮毂上，轮毂与低速轴相连接。•低速传动轴：转速通常较低，内部的液压传动系统与轮毂内的液压装置相连用于调节桨叶。•齿轮箱：与低速轴和高速轴相连接•高速轴：通常转速在1500r/min左右，与发电机相连，配有刹车装置。•机械刹车装置：用于制动，必要时用于调节转速。风力发电机机舱内的组成GEProprietary•发电机：输出电压一般为690V,发电功率在500~1500kW,并朝大容量方向发展。•电子控制装置：监测风轮机运行状况，并自动实现偏转调节，故障时实现自动停机。•冷却系统：冷却发电机。•机塔：用于支撑风轮机。通常高度越高，风速越大，风况越好，需要更高的机塔。•偏转装置：保持风轮机在迎风方向。•风速风向测量系统：与控制装置相连，实现风轮机切入和切出的启停控制。机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。风电机结构大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部,这是因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。风力发电技术为什么转子叶片呈螺旋状？大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）,如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是桁架结构的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为可以通过内部的梯子到达塔顶。桁架结构的塔则比较便宜。风速计及风向标：用于测量风速及风向。风电机发电机:将机械能转化为电能。风电机上的发电机与你通常看到的电网上的发电设备相比有点不同。原因是，发电机需要在波动的机械能条件下运转。输出电压大型风电机（100-150千瓦）通常产生690V的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至一万至三万伏，这取决于当地电网的标准。大型制造商可以提供50赫兹风电机类型（用于世界大部分的电网），或60赫兹类型（用于美国电网）。冷却系统发电机在运转时需要冷却。在大部分风电机上，发电机被放置在管内，并使用大型风扇来空冷；一部分制造商采用水冷。水冷发电机更加小巧，而且电效高，但这种方式需要在机舱内设置散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。启动及停止发电机如果通过弹开一个普通开关将大型风电机发电机与电网连接或解开，很可能会损毁发电机、齿轮箱及邻近电网。发电机电网的设计风电机可以使用同步或异步发电机，并直接或非直接地将发电机连接在电网上。直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。非直接电网连接指的是，风电机的电流通过一系列电力设备，经调节与电网匹配。采用异步发电机，这个调节过程自动完成。转子叶片◢转子叶片轮廓（横切面）——风电机转子叶片看起来像航行器的机翼。实际上，设计师通常将叶片最远端的部分的横切面设计得类似于正统飞机的机翼。但是叶片内端的厚轮廓，通常是专门为风电机设计的。为转子叶片选择轮廓涉及很多折衷的方面，诸如可靠的运转与延时特性。叶片的轮廓设计，即使在表面有污垢时，叶片也可以运转良好。◢转子叶片的材质——大型风电机上的大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。采用碳纤维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择，但这种叶片对大型风电机是不经济的。木材、环氧木材、或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场出现，尽管目前在这一领域已经有了发展。钢及铝合金分别存在重量及金属疲劳等问题，他们目前只用在小型风电机上。风电机齿轮箱为什么要使用齿轮箱？风电机转子旋转产生的能量，通过主轴、齿轮箱及高速轴传送到发电机。为什么要使用齿轮箱？为什么我们不能通过主轴直接驱动发电机？如果我们使用普通发电机，并使用两个、四个或六个电极直接连接在50赫兹交流三相电网上，我们将不得不使用转速为1000至3000rpm的风