离网型风力发电机的调速系统13.1.4.docVIP

离网型风力发电机的调速系统 Liwangxingfenglifadianji detiaosu xitong 离网型风力发电机的调速系统(speed regulation system of off grid wind power generators)是当风速大于额定风速时，调节风力机风轮的转速和输出功率，使风力发电机运行不超过或保持在额定转速和额定功率的装置。 风力发电机功率计算公式为，式中，为空气密度；v为风速；A为风轮扫略面积；为风能利用系数；为机组效率。 从式中可以看出风力机的功率与风速的立方成正比。若风速提高2倍，功率将增大8倍。为保证风力机稳定运行，当工作风速超出额定风速时要限制风论转速及输出功率，不超过允许值。 常见的调速方式有：1、风轮偏转调速: 水平偏转或上仰转动，使风轮偏离风向；2、叶片失速，使风轮效率降低；3、 叶片变桨调速：叶片或叶片的一部分绕自身的轴线偏转，改变桨距角； 风轮偏离风向的调节方式 当风速高于额定风速时，风轮偏离风向，使高于额定值的风速在风轮轴向的分风速仍然等于额定风速，由此控制风轮的转速和输出功率。使风轮偏侧的机构有风轮偏置和 电动机驱动等。风轮偏离风向时的复位及偏转力矩的平衡采用弹簧弹力、风轮发电机等机件的重力、尾舵重力矩和舵板翻转力等方式。 风轮偏置使风轮偏离风向 将风轮连同回转体偏置一个距离安装在塔杆顶部的回转轴承上，当风轮盘面受到风压力时由于风轮后方的支撑点不在风轮轴线上，在风压作用下形成偏转力矩，使风轮绕回转轴转动。在额定风速Vn时，风轮盘面正对风，γ=0；当超过额定风速，风速为Vi时，为保持风轮轴向的风速不变，随风速的变化风轮应偏侧的角度为γi，其角度值为。如图1示。 图1 风轮偏置，尾舵重力矩复位限速机构 在风轮直径10米以内的小型风力发电机上较多采用风轮偏置、在尾舵绞接处设置向后、向侧倾斜的绞联销的结构，利用尾舵重力矩的反作用力矩对风力机主体施加转矩的方法平衡风轮偏转力矩或使风轮复位。在设计和制造风轮偏置、尾舵重力矩复位限速机构时应注意：在额定风速下，风轮正对风，风轮偏置后的气动偏转力矩与尾舵重力矩的复位力矩必须平衡，以保证风力发电机组输出额定功率；尾舵铰链销的倾角设计要保证在超额定风速时，风轮能灵敏偏转，并此后在风轮连续偏转的过程中不允许有卡滞现象，以保障风力机安全运行；风力机运行过程中不允许出现有害的剧烈振荡。 图2 图3 风轮偏置、翻转舵板限速机构 将风轮连同回转体横向偏置安装在塔杆顶部的立轴轴承上，尾杆刚性固定在回转体上，在尾杆的末端装配可以调节倾斜角的舵轴，轴上安装能够灵活翻转的舵板。通过改变舵轴的倾斜角，变更舵板风压中心的布局以及调整舵轴上、下的舵板质量配置，可以调节尾舵的迎风调向力矩。在额定风速下风轮的偏转力矩和尾舵的迎风调向力矩相平衡，保持风轮正对风。当超过额定风速时，由风轮盘面压力产生的偏转力矩大于尾舵的迎风力矩，风轮绕塔杆顶部的立轴轴承转动而偏离风向，达到限制风轮转速和保持额电输出功率的作用；当风速小于或等于额定值时，尾舵的迎风力矩克服风轮的偏转力矩，使风轮恢复到正对风位置，风力发电机进入额定工况。该机构的优点风力发电机调向柔，调速过程相对平稳，机构绞接关节处载荷小，转动部位磨损轻。 图4 图5 风轮上仰偏离风向 风轮轴线高于横向铰链轴一个距离铰接在回转支架上，构成在上方的偏心距。在额定工况下，风轮连同发电机在重力（或弹簧力）的作用下，风轮正对风；当超过额定风速时，由风轮盘面压力产生的偏转力矩大于原有的重力（或弹簧力），迫使风轮绕横向铰链轴向上仰起而偏离风向，达到限速保护的作用；当风速低于额定风速时，风轮在重力（或弹簧力）的作用下，恢复到正对风的位置。 图6 叶片变桨距的调节方式 在最佳迎角时叶片有较高的升阻比，风轮有较高的气动效率，反之叶片偏离最佳迎角时，风轮的气动效率则降低，改变叶片迎角称作变桨距。当风速大于额定值时，改变叶片桨距，使风轮气动效率降低，保持风轮转速和功率不随风速增大而提升。 叶片变桨距调节常见机械离心飞锤变桨距、机械离心螺旋副变桨距、弹（柔）性叶柄变桨距、风压变桨距、电驱动变桨距等方式。 机械离心式变桨 叶片轴及轴承装配在轮毂中，叶片可以绕自身的轴灵活转动。在叶片的特定位置固定一个重锤（杆），当风轮旋转时重锤（杆）将随离心力变化产生出跟踪变化的绕叶片旋向转动的力矩。在机构设计中把叶片的转动通过曲柄连杆同步机构与调速弹簧联动在一起。并设置调速弹簧的预压力，通过联动机构将叶片设定在最佳迎角位置。在风力机运行中遇到超过额定风速，风轮转速超过限定值时重锤（杆）离心力产生的力矩超过调速弹簧的预压力，使弹簧再压缩，同时联动改变叶片迎角，风轮偏离了最佳桨距，效率下降，转速不再上升， 风力机输出稳定在额定功率。见图7。 图7 机械离心式变桨