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第四编! 风力发电机的控制与供电质量技术 ####################################### 第一章! 定桨距风力发电机组 并网型风力发电机组从# 世纪$# 年代中期开始逐步实现了商品化、产业化。经过 十余年的发展，容量已从数十千瓦级增大到兆瓦级，并以定桨距（失速型）风力发电机组 为主导机型。尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中已开始采用变桨距技术和变速恒频 技术，但由此增加了控制系统与伺服系统的复杂性也对机组的成本和可靠性提出了新的 挑战。因此，定桨距风力发电机组结构简单、性能可靠的优点是始终存在的。 第一节! 定桨距风力发电机组的特点 一、风轮结构 定桨距风力发电机组的主要结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变 化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须 解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动地将 功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的这一特 性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网（突甩负载）的情 况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期 的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴 上的机械刹车装置进行制动，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风力发 电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重的影响。为了解决上述问 题，桨叶制造商首先在# 世纪%# 年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风 力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题： # 世纪$# 年代又将叶 尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使 定桨距（失速型）风力发电机组在近# 年的风能开发 利用中始终占据主导地位，直到最 新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机型采用该项技术。 二、桨叶的失速调节原理 当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因突面的弯曲而使气流加速，压力较低，凹 面较平缓面使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升力。桨叶的失速性能是指它在最大 升力系数 附近的性能。当桨叶的安装角 不变，随着风速增加攻角+ 增大，升力系数 ’()* ! ’ 线性增大；在接近’()* 时，增加变缓，达到’()* 后开始减小。另一方面，阻力系数, 初 继续增大，这是由于气流在叶片上的分离随攻角的增 期不断增大；在升力开始减小时，, ·.-% · 第四编# 风力发电机的控制与供电质量技术 ####################################### 大而增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差 减小，致使阻力激增，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，如图! ! 所示。 图! !# 定桨距风力机的气动特性 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，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐 渐进人失速区。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。 三、叶尖扰流器 由于风力机风轮巨大的转动惯量，如果风轮自身不具备有效的制动能力，在高风速 下要求脱网停机是不可想象的。早年的风力发电机组正是不能解决这一问题，使灾难性 的飞车事故不断发生。目前所有的定桨距风力发电机组均采用了叶尖扰流器的设计。 叶尖扰流器的结 构如图! $ 所示。当风力机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰 流器与桨叶主体部分精密地合为一体，组成完整的桨叶。当风力机需要脱网停机时，液 压系统按控制指令将扰流器释放并使之旋转% ’