4.风力机的机械功率控制

1风力发电机组的原理与控制（四）一、机械功率控制方法二、变桨距机构第四章风力机的机械功率控制方法2风力发电机组的原理与控制（四）一.机械功率控制方法空气动力学方法3风力发电机组的原理与控制（四）风力发电机在超过额定风速以后，由于机械强度和发电机、电力电子设备容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出仍保持在额定值附近。此时，也必须限制叶片承受的负荷和整个风力机受到的冲击，从而保证风力机的安全。风力机为什么要进行功率控制4风力发电机组的原理与控制（四）•变桨距控制•定桨距失速控制（被动失速控制）•混合控制（主动失速控制）•其他方法（偏航控制、倾斜控制）风力机的机械功率控制方法5风力发电机组的原理与控制（四）叶片的失速现象气流在翼型上表面不再规则流动上部气流分离而产生脱落使得升力迅速下降这种现象称为失速。6风力发电机组的原理与控制（四）失速气流图7风力发电机组的原理与控制（四）•风力发电机利用风轮叶片翼型气动失速特性来限制叶片吸收过大风能。•特点：风力发电机的功率调节由风轮叶片来完成，控制简单；但叶片本身结构复杂,成型工艺难度较大,风机不易大型化。被动失速控制8风力发电机组的原理与控制（四）叶片的失速性能攻角失速点10060221风力发电机组的原理与控制（四）定桨距叶片失速原理uLβαAngleofAttackφDragForceChordLineLiftForceRotationForce,FRotationalVelocityThrustWindLsinφDcosφBladePitch失速点11风力发电机组的原理与控制（四）•主要是通过事先确定叶片翼型的扭角分布，使风轮功率达到额定点后，减少升力提高阻力来实现的。•无需任何附加转动部件，叶片与轮毂刚性固定。•对安装角敏感，受空气密度的影响比较大定桨距风力机12风力发电机组的原理与控制（四）•失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因而根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原先已经失速的部分失速加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。失速调节过程13风力发电机组的原理与控制（四）•额定转速并不是按额定风速时具有最大的功率系数设定的。•因为它不是经常运行在额定风速点上，并且功率与风速的3次方成正比，只要风速超过额定风速，风功率就会显著上升。•定桨距风力发电机组早在风速达到额定值以前就已经开始失速了，到额定点时的功率系数已经相当小。额定转速的设定14风力发电机组的原理与控制（四）风力机的功率曲线32),(21wpairvrCP15风力发电机组的原理与控制（四）•变桨距风机是通过变距调节机构使风轮叶片的桨距角随风速变化以达到调节功率的目的。•特点：可以精确控制功率；变距调节机构非常复杂；由于风轮叶片是大惯性环节,一旦调节失误会引起灾难性后果。变桨距控制16风力发电机组的原理与控制（四）•主要是通过改变翼型攻角变化，使翼型升力变化来进行调节。•通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小攻角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨距17060221风力发电机组的原理与控制（四）uLβαAngleofAttackφDragForceChordLineLiftForceRotationForce,FRotationalVelocityThrustWindLsinφDcosφBladePitch变桨距原理18风力发电机组的原理与控制（四）桨距角对额定功率的影响•在低风速区，不同的节距角所对应的功率曲线几乎是重合的。•在高风速区，节距角的变化对其最大输出功率的影响显著。•调整桨叶的节距角，改变叶片的升力，其最大输出功率发生改变。失速点19风力发电机组的原理与控制（三）定速变桨距风力机的特性曲线323),(2121wpairwpairvrCSvCP20风力发电机组的原理与控制（四）•主动失速又称负变距或负桨距控制。•在额定功率点以前，叶片的桨距角基本固定不变；在额定功率点以后，在与主动桨距控制相反的方向上适当调整叶片的桨距角，使桨叶失速，保持功率输出稳定。主动失速控制失速点21风力发电机组的原理与控制（四）•优点：阵风时叶片载荷和功率输出波动较小；桨距角变化比主动桨距控制小，执行机构的行程短。•缺点：失速条件下，气动特性难以准确预测。主动失速控制22风力发电机组的原理与控制（四）失速型叶片轮毂固定，结构简单，成本低；没有功率调节系统的维护费；失速后功率波动相对小。比较——优点变桨距启动性好；刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降；额定点以前的功率输出饱满；额定点以后的输出功率平滑；风轮叶根承受的静、动载荷小23风力发电机组的原理与控制（四）失速型气动刹车系统可靠性设计和制造要求高；叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；由于常需要刹车过程，在叶片和传动系统中产生很高的载荷；启动性差；机组承受的风载荷大；在低空气密度地区难于达到额定功率。比较——缺点变桨距叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；功率调节系统复杂，费用高24风力发电机组的原理与控制（四）风力机的功率曲线25风力发电机组的原理与控制（四）二.变桨距机构古老而新兴的控制技术26风力发电机组的原理与控制（四）•全桨叶的桨距控制•部分桨叶的桨距控制•每个桨叶都有自己的变桨机构•所有的桨叶共用一套变桨机构•电动机驱动•液压装置驱动变桨距机构分类27风力发电机组的原理与控制（四）•正常运行时，在液压系统的作用下，扰流器和桨叶主体部分精密地合为一体。•脱网停机时，液压系统按指令释放扰流器，使之旋转形成阻尼板。•是失效--保护装置。叶尖扰流器28风力发电机组的原理与控制（四）•常用于失速控制型机组安全保护系统；•主要是限制风轮的转速在允许的范围内，并不能使风轮停止转动；•主要通过叶片叶尖形状的改变使气流受阻碍；•分为主动式和被动式。主动式空气动力刹车系统在转速下降停机后，可借助控制系统自动复位。空气动力刹车29风力发电机组的原理与控制（四）阻尼板30风力发电机组的原理与控制（四）•桨距执行机构的负担显著减少；•桨叶在内的部分仍处于失速状态，明显减少了桨叶载荷波动；•叶尖附近的重量增加；•桨叶剖面内执行机构的物理调节难度大；•叶尖部分的轴承受高弯矩；•需要设计在大半径处高离心载荷的结构；•现场维护困难。部分桨叶的桨距控制的特点风向顺桨位置变桨驱动装置小齿轮变桨齿轮边缘工作位置88度的调节范围变桨距调节原理当风速发生变化时，通过改变叶片对风向地迎角，使叶片保持最佳的迎风状态，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在叶片上的扭矩和功率的目的。顺桨位置工作位置停机启动满发变桨保护调整位置33风力发电机组的原理与控制（四）集中变桨距机构34风力发电机组的原理与控制（四）伺服电机集中变桨距机构（蜗轮蜗杆）35风力发电机组的原理与控制（四）电动独立变桨距机构变桨控制系统简介变桨系统：轮毂（铸钢件）变桨轴承变桨电机变桨控制柜各种限位开关、撞块等三个主要部件:驱动装置－电机齿轮箱变桨轴承通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动，实现风机的功率控制。如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以安全地使风机停机。39风力发电机组的原理与控制（四）驱动电机叶片轴承电机控制器风轮叶片桨距控制器齿轮箱变桨电机轮毂轮毂变桨控制柜变桨限位撞块变桨接近开关缓冲器极限工作位置开关极限工作位置撞块轮毂罩分隔壁整流罩变桨系统在轮毂中的位置变桨驱动装置1轮毂3变桨轴承30变桨电机12垫圈（12）53螺母（M12）变桨驱动装置由变桨电机、制动器和变桨齿轮箱三部分组成。变桨驱动装置通过螺柱与轮毂联接。变桨齿轮箱前的小齿轮与变桨轴承内圈啮合，并要保证啮合间隙应在0.2～0.5mm之间。间隙由加工精度保证，无法调整。46风力发电机组的原理与控制（四）变桨距电机48风力发电机组的原理与控制（四）变桨轴承变桨轴承安装在轮毂上，通过外圈螺栓把紧。其内齿圈与变桨驱动装置啮合运动，并与叶片联接。51风力发电机组的原理与控制（四）变桨控制系统CTABCM超级电容54风力发电机组的原理与控制（四）采用超级电容的伺服电机驱动器55风力发电机组的原理与控制（四）液压变桨距机构