风力发电原理第五章.ppt

定桨距风轮由于叶片桨距角不变，在起动时转速为零，空气流与风轮之间无相对速度，因此空气流正吹风轮，产生严重的气流被撕裂的现象，如图(a)所示，阻力较高而起动困难。因而，独立运行的定桨距风轮需借助其他设备来帮助起动；用于并网发电的风轮，起动时以发电机作为电动机运行，只需从电网获取少许电能，就能使机组很快加速到同步转速，由电动状态转为发电状态。 对于兆瓦级风力机，电网也越来越不能承受风力机极大幅度的功率输出波动。 对于不同纬度和不同季节，为了避免能量的损失，在不同空气密度运行的风力机选用不同的定桨角，风轮速度也必须进行适应。 对于采用失速控制的风力机，因运行而叶片污染也会给其功率曲线造成不可忽视的负面影响，但对于变桨控制则影响很小。 P131-* 一、变桨控制 叶片攻角是影响风轮功率输出的最主要因素。通过机械调整叶片桨角来调整风力机获得的空气动力转矩，从而得到设计期望的稳定的输出功率。同时，风力机在起动过程中也需要通过变桨距来获得足够的起动转矩。为达到此效果，叶片在控制驱动下沿叶片轴旋转。变桨距调节时叶片攻角可依据气流状况连续地作出调整。 图5-38 变桨距风力机叶片的气动特性 P131-* 如图(a)所示：风轮静止时的叶片位置被称为顺桨，此时叶尖安装角约为90°，叶片升力极小，风轮不旋转或转得较慢；如图(b)所示：当风速达到起动风速时，叶片安装角向减小的方向转动，直到气流对叶片产生一定的攻角和升力，使风轮起动。 图5-38 变桨距风力机叶片的气动特性 在风力机功率小于其额定值的正常运行状态，控制系统将叶片叶尖安装角置于0°附近，如图 (c)所示，不再变化，这一段工况下的风力机等同于定桨距风力机，其输出功率随风速变化而有所变化。风力机70%～80%的时间运行在这一段工况内，由于此时桨距并非都处于最佳状态，这将导致风能利用率的较大损失。 当功率超过额定值时，变桨距机构开始工作，连续调整叶片安装角，使叶片向攻角减小的方向变化，将风力机的输出功率限制在额定值附近。在执行变桨距动作时，变桨距机构应保证在所有确定的运行工况点转速下，各叶片的转动保持一致。 P131-* 为了解决低风速下风轮能量利用率低的问题，新型的变桨距风力机发电机组在低风速时根据风速大小调整发电机转差率，即改变风轮转速，使其尽量运行在设计最佳叶尖速比上，以获取风轮具备的最大风能利用系数值。 随着现代风力机容量的增大，调控大型机组的质量高达数吨的叶片转动并使其响应速度能跟上风速的变化是相当困难的。若无其他相应措施，变桨距风力机的功率调节对高频风速变化的适时响应也就无法实现。因此，近年来设计的变桨距风力机发电机组，除了对叶片进行安装角控制以外，还通过控制发电机转子电流来调控发电机转差率，使得发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，以吸收阵风时的瞬变风能，使风能的输出功率更加平稳。 P131-* 变桨距风力机具有以下特点： 1)变桨距风力机与定桨距风力机相比，在额定功率点以上输出功率更加平稳。 图5-39 变桨距风力机的功率特性曲线 图5-40 定桨距风力机的功率特性曲线 P131-* 2)设计工况附近具有较高的风能利用系数。一般定桨距风力机在低风速段的风能利用系数较高，而风速略超过额定值后，风能利用系数开始大幅下降。对于变桨距风力机，由于叶片安装角可调，使得额定风速之后仍然具有较高的风能利用系数。 图5-40 定桨距风力机的功率特性曲线 P131-* 3)由于变桨距风力机发电机组的叶片安装角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，通过调整叶片角度，总能使它获得额定功率输出。因而变桨距风力机在高风速段的额定功率不受因大气温度和海拔高度变化引起的空气密度变化的影响。 4)起动、脱载性能好。低风速起动时，叶片安装角可转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩；当风力机需要甩负载时，如发电机脱网，变桨距风力机可先转动叶片使风轮输出功率连续减小至0，避免脱离负载时的载荷突变，也不需要设置叶尖扰流器气动刹车。 5)与定桨距风力机相比，变桨距风力机的叶片、机舱、塔架受到的动态载荷较小。 6)变桨距风力机轮毂结构复杂，制造、维护成本高。 P131-* 尽管整个叶片的桨叶控制是最有效的气动控制方法，但不必对整个叶片都进行调节。功率主要由风轮外围的叶片产生，因此从气动效率的角度来看，采用部分叶片调节控制方法即可，其中可调节的叶片占总叶片长度的25%～30%。这种方法主要用于两叶片的大型风力机。 美国的MOD-2型风力机