风力机基础理论课件.ppt

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1、二、按风力发电机的运行方式分类1独立运行风力发电机，风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，再供用户使用。这种方式可供边远农村、牧区、海岛、边防哨所等电网达不到的地区使用。一般单机容量在几百瓦到几kW。,2并网运行风力发电机组，在风力资源丰富地区，按一定的排列方式安装风力发电机组，称为风力发电场。发出的电能全部经变电设备送到电网。这种方式是目前风力发电的主要方式。,3风力同其它发电方式互补运行，风力柴油互补方式运行，风力太阳能电池发电联合运行，风力抽水蓄能发电联合运行等。这种方式一般需配备蓄电池，以减少因风速变化导致的发电量的突然变化所造成的影响，还可节约一次能源。,三、按风轮轴安装形式分类管风力发

2、电机多种多样，但按风轮轴安装形式不同可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两种 另外，还有一种特殊型风力发电机，如扩压式、旋风式、浓缩风能型风力发电机。,第二节 风力发电机的工作原理,下面主要以水平轴风力机为例来简述风力发电机的工作原理。水平轴风力发电机一般由以下七个部分组成：风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航系统、控制与安全系统、液压与刹车系统、塔架等附属设备。,一、风轮风轮是风力发电机最重要的部件之一。风力发电机就是依靠风轮把风所具有的动能有效地转化为机械能并加以利用的。风轮使空气运动的速度减慢，在空气动力的作用下风轮绕轴旋转并将风能转变为机械能。水平轴风力发电机的风轮通常由几何形状一样的两

3、个以上叶片组成。叶片又可分为变桨距叶片和固定桨距叶片。从叶片结构上又可分为木制叶片、铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶片、玻璃钢叶片、复合材料叶片等。,风轮叶片,1、叶片材料： 木制叶片、钢制叶片、铝合金叶片 目前叶片多为复合材料，即以玻璃纤维和碳纤维为增强材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。 优点：比重小、拉伸强度高、易成型、耐腐 蚀性强。2、叶片外形： 等弦长直叶片、变弦长扭曲叶片.,一、叶片主体结构 大型水平轴风机组风轮的结构主要为梁、壳结 构，有以下几种结构形式： 1、 叶片主体采用硬质泡沫塑料夹心结构； 大梁是叶片的主要承载部件，材料为玻璃纤维增强塑料(GRP)，大梁常用D形、O形、

4、矩形等形式； 蒙皮GRP结构校薄，仅23mm，主要保持翼型和承受叶片的扭转载荷；,成型：D形、O形和矩形梁在缠绕机上缠绕成型；在模具中成型上、下两个半壳，利用结构胶将C（或I）形梁和两半壳粘接。 代表：丹麦Vestas 公司和荷兰CTC公（NOI制造的叶片）。,优点：重量轻，制造成本低；缺点：对叶片运输要求较高，由于叶片前缘强 度和刚度较低，在运输过程中局部易于 损坏；这种叶片整体刚度较低，运行过 程中叶片变形较大，必须选择高性能的 结构胶，否则极易造成后缘开裂。,2、 叶片壳体以GRP层板为主，厚度在1020之间；为了减轻叶片后缘重量，提高叶片整体刚度，在叶片上下壳体后缘局部采用硬质泡沫夹心

5、结构，叶片上下壳体是其主要承载结构。 C形梁用玻璃纤维夹心结构，设计相对较弱，与壳体粘结后形成盒式结构，共同提供叶片的强度和刚度。这种结构形式叶片以丹麦LM公司为主。,叶片壳体和大梁用结构胶牢固地粘接在一起。优点：叶片整体强度和刚度较大，在运输、使用中安全性好。缺点：这种叶片比较重，比同型号的轻型叶片重20%30%，制造成本也相对较高。,第二、 轮毂、联轴器、齿轮箱轮毂 轮毂是联接叶片与主轴的重要部件，它承受了风力作用在叶片上的推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常轮毂的形状为三通形或三角形。,一般常用的轮毂形式有以下两种：1、刚性轮毂 刚性轮毂的制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮大部分采用刚

6、性轮毂，也是目前使用最广泛的一种形式。2、铰链式轮毂（柔性轮毂或跷跷板式轮毂） 铰链式风轮常用于单叶片和二叶片风轮。,联轴器,在风力发电机中，常采用刚性联轴器、弹性联轴器（或万向联轴器）两种方式。 在低速轴端（主轴与齿轮箱低速轴联接处）选用钢性联轴器，一般多选用涨套式联轴器、柱销式联轴器等； 在高速轴端（发电机与齿轮箱高速轴联接处）选用弹性联轴器（或万向联轴器），一般选用轮胎联轴器，或十字节联轴器。,二、增速齿轮箱当风力机驱动发电机时，通常发电机的额定转速要比风力发电机的风轮转速高很多，这时风轮必须通过增速机构来带动发电机。但也有些风力发电机不包括变速齿轮箱。,主要功能: 将风轮在风力作用下所

7、产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到风电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现,故也称之为增速箱。,齿轮箱,三、发电机 因为风速是不稳定的，所以发电机常处于负载不稳定状态，极端时发电机严重过载，对于并网型风力发电机还要处于频繁的投、切(并网和脱网)切换过程中，所以对于风力发电机用发电机还要有一些特殊要求。因感应发电机结构紧凑，价格便宜，并网方法简单，并网运行稳定，在风力发电机中得到最为广泛的应用。,蓄能装置,风能是随机性的能源，即使在风能资源丰富的地区，必须配备适当的蓄能装置； 在风力强的期间，除了通过风力发电机组向用电负荷提供所需的电能以外、将多余

8、的风能转换为其他形式的能量在蓄能装置中储布起来； 在风力弱或无风期间，再将蓄能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向用电负载供电。,当前风力发电系统中的蓄能方式主要有蓄电池蓄能、飞轮蓄能、抽水蓄能、压缩空气蓄能、电解水制氢蓄能等几种。蓄电池 酸性蓄电池(铅蓄电池) 碱性蓄电池(镍镉电池),单格铅酸蓄电池的电动势约为2V 单格碱性蓄电池的电动势约为1.2V左右 将多个单格蓄电池串联组成蓄电池组，可获得不同的蓄电池组电势，例如12、24、36V等。,蓄电池的容量,蓄电池的容量以安时表示，容量为100安时的蓄电池代表该蓄电池，若放电电流为10A，可连续放电10h；若放电电流为5A，则可连续放电20

9、h。 在放电过程中，蓄电池的电压随着放电而逐渐降低，放电时铅酸蓄电池的电压不能低于1.41.8V，碱性蓄电池的电压不能低于0.81.1V.,影响蓄电池性能的因素： 充放电过度；高温或低温下使用； 另外，放置蓄电池的空间应保持通风，因为在充电的过程中极板上会产生氢气和氧气，有爆炸的危险。,四、偏航系统由于风向是不断变化的，为了使风轮旋转平面始终正对风向，提高风能利用率，就需要一套对风装置，即偏航系统。,风力发电机的偏航系统,偏航系统又称对风装置，是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。 偏航系统的主要作用： 一是使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率； 二是提供必

10、须的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。,被动偏航系统：依靠风力通过相关机构完成对风动作的偏航方式。常见的有尾舵、舵轮和下风向自动对风三种。,主动偏航：采用电力或液压拖动完成对风动作的偏航方式。 并网型风力发电机组，通常都采用主动偏航的齿轮驱动形式。,第一节 被动偏航系统,一、尾舵对风。尾舵对风装置结构简单，调向可靠，至今还用在中型20kw以下和微小型风力发电机上。 尾舵由尾舵梁固定，尾舵板一直顺着风向所以使风轮也对准风向. 并尾：将尾舵板置于与风轮平面平行的位置。,二、下风向对风 将风轮置于下风向，置于下风向的风轮能自动对风，不必另行设置调向装置。 常用在大、中型风力发电机上。由于下风向

11、风轮调向易使风轮随风向变化而摆动，需加阻尼器。,优点：结构简单，无需专门的对风 装置。缺点：当叶片转到塔架下风向的紊流区时产生振动，易使叶片梁与轮毂的连接处产生疲劳断裂。同时叶片在塔架的紊流区内不能正向接受风能。,三、舵轮对风(侧风轮对风)： 机舱后边的侧向安装一个或两个多叶片风轮。当风轮未对准风向时，侧风轮转动,侧风轮轴上的蜗杆驱动塔架上的蜗轮转动,驱动机舱和风轮对准风向达到调向的目的.,对准风向后，侧风轮与风向平行，停止转动。 一侧侧风轮对风对于安装风轮一侧的风向调向敏感，而对另一侧的风的调向不灵敏，往往采用机舱两侧都安装侧风轮的调动装置，使主风轮左右调向都很灵敏。,第二节 主动偏航系统,

12、主动偏航系统由风向标、偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等部分组成。,一、偏航轴承 偏航齿圈的偏航轴承内外圈分别与机舱和塔架用螺栓联接。 轮齿 可采用内齿或外齿型式:,（1）外齿型：轮齿位于偏航轴承外圈，外圈与机舱联结，加工制造装配相对简单;,（2）内齿型式轮齿位于偏航轴承内圈，内圈与机舱联结，内齿啮合与受力效果较好。,二、偏航驱动装置偏航驱动装置一般有:（1）电动机驱动偏航齿轮由偏航驱动电动机通过减速器驱动;（2）液压驱动偏航齿轮由液压马达通过减速器驱动。,三、偏航制动器,偏航制动器一般采用液压拖动的钳盘式制动器：（1）常闭式钳盘制

13、动器制动器采用弹簧夹紧，电力或液压拖动松闸来实现阻尼偏航和失效安全。（2） 常开式钳盘制动器制动器应采用制动期间高压夹紧、偏航期间低压夹紧的形式实现阻尼偏航。采用此种形式时，偏航传动链中应有自锁环节。,四、偏航计数器 偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数，当偏航系统旋转的圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时，计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆.,五、纽缆保护装置 必备装置。 作用：失效保护。 纽缆保护装置一般由控制开关和触点机构组成，控制开关安装在机组的塔架内壁的支架上，触电机构安装与机组悬垂部分的电缆上。 当机组悬垂部分的电缆纽绞到一定程度后，触电机构触发控制开关，使机组进行紧急

14、停机。,五、塔架由于地面的剪切效应，在地面附近的风速是很小的，越高风速越大，所以需要一个塔架将风力机支撑到一定高度，塔架不但承受着整个风力发电机组的重量，还承受着很大的弯矩，所以塔架也需要进行特别设计。,六、防雷击系统,雷击是自然界中对风力发电机组危害最大的一种灾害。 叶片是最易受直接雷击的部件，也是风力发电机组最昂贵的部件之一。 雷击造成叶片损坏的机理： 一方面雷电击中叶片叶尖后，释放大量能量，使叶尖结构内部的温度急骤身高，引起气体高温膨胀，压力上升，造成叶尖结构爆裂破坏，严重时使整个叶片开裂；另一方面雷击造成的巨大声波，对叶片结构造成冲击破坏。,由于风力发电机的工作条件非常恶劣，有时风速很

15、小，有时风速非常大，极端时发电机严重过载，所以就需要对发电机进行控制，使其安全运行或停机。液压系统是风力发电机组的执行机构，以实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制刹车机构。,第七章 风力发电机组的控制与安全系统,控制系统的要求： 1、满足用户提出的功能； 2、安全可靠。在实际中，控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的，而控制系统的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。因为风力发电机组控制出现故障后对一般用户来说维修十分困难。,第一节 控制与安全系统的技术要求,一、风力发电机组运行的控制思想： 定桨距失速型风力发电机组控制系统以安全运行控制技术要求为主，功率控制由叶片的失速特性来完

16、成。 变桨距风力发电机组采用控制桨距的方式使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输出的目的。,控制系统可以控制的功能和参数: 1、功率极限； 2、风轮转速 3、电器负载的连接； 4、起动及停机过程； 5、电网或负载丢失时的停机； 6、纽缆限制； 7、机舱对风； 8、运行时电量和温度参数等。,二、工作参数的安全运行范围: 1、风速： 325m/s； 2、转速：风轮转速常低于40r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的20%； 3、功率：在额定风速以下时，不作功率调节控制，只有在额定风速以上应作限制最大功率的控制，通常运行安全最大功率不允许超过设计值的20%。 4、温度：通常控制器

17、环境温度应为030，齿轮箱油温小于120，发电机油温小于150，传动环节温度小于70。,5、电压：发电电压允许的范围在设计值的10%，当瞬间值超过额定值的30%时，视为系统故障。6、频率 机组的发电频率应限制在50Hz1 Hz，否则视为系统故障。7、压力 机组的许多执行机构由液压执行机构完成，所以整个液压站系统的压力必须监控，由压力开关设计额定值确定，通常低于100MPa。,第二节 控制系统的结构原理,一、风力发电机组的控制目标： 1、控制系统保持机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转换为频率、压力恒定的交流电送入电网。 2、控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状

18、态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。,3、利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因素补偿控制，对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。,4、大于开机风速并且转速达到并网转速时，风力发电机组能软切自动并网，保证电流冲击小于额定电流。,二、风力发电机的运行控制,1.开机并网控制 当风速10min平均值在工作区域内，机械闸松开，叶尖复位，风力发电机组慢慢起动,当发电机转速大于20小于 60的额定转速持续5min，发电机进入电网软拖动状态。 正常情况，风力发电机组转速连续增高，不必软拖增速，当转速达到软切转速时

19、，风力发电机组进入软切入状态；当转速升到发电机同步转速时，机组并入电网运行。,2.小风和逆功率脱网 当10min平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到一定值后,风力发电机组不允许长期在电网运行,必须脱网，处于自由状态，风力发电机组靠自身的摩擦阻力缓慢停机，进入待风状态。,3、无功补偿控制 异步发电机要从电网吸收无功功率，使风电机组的功率因数降低，而并网运行的风力发电机组一般要求其功率因数达到099以上，所以必须用电容器组进行无功补偿 因此对补偿电容的投入与切除需要进行自动控制，保证功率因数达到要求。,4、偏航与自动解缆控制,（1）自动对风 正常运行时偏航控制系统自动对风，即当机舱偏离风向

20、一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，自动对风停止。,（2）自动解缆 当机舱向同一方向累计偏转2.3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2.3圈解绕； 若此时机组有功率输出，若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时,则停机,解绕； 若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机；等待人工解缆操作。,（3）风轮保护当有特大强风发生时，停机并释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90度背风，以保护风轮免受损坏。,5、停机控制,当控制器发出正常停机指令后，风电机组将按下列程序

21、停机：切除补偿电容器；释放叶尖阻尼板；发电机脱网；测量发电机转速下降到设定值后，投入机械刹车；若出现刹车故障则收桨，机舱偏航90度背风。,紧急停机故障时，执行如下操作： 首先切除补偿电容器，叶尖阻尼板动作，延时0.3秒后卡钳闸动作。检测瞬时功率为负或发电机转达小于同步转速时，发电机解列（脱网），若制动时间超过20秒，转速仍未降到某设定值，则收桨，机舱偏航90度背风。,风力发电机结构原理图,风力机的特性系数,一、风能利用系数Cp风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系用Cp表示,二、叶尖速比,为了表尔风轮运行速度的快慢，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比,三、实度,风轮的

22、叶片面积与风轮的扫风面积之比称为实度。它也是描述风力机特性的重要特征数风轮的实度 是与其叶尖速比相联系的，不同风轮的 值与的关系见图。,基础理论,一、贝兹理论 第一个关于风轮的完整理论是山哥廷根研究所的A贝茨建立的。贝兹理论是应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝兹理论的假设条件如下：,风轮流动模型可简化成一个单元流管；风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘, ；风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。 风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1=P2 ，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的；

23、作用在风轮上的推力是均匀的。,将动量方程用于图1-7所示的控制体中，可得作用在风轮上的推力为,式中,风轮前方的风速，m/s；,叶片扫掠后的风速，m/s；,单位时间内的质量流量，kg。,式中 空气密度，kg/m3； 叶片扫掠的面积，m2； 实际通过风轮的风速，m/s。,根据风轮前后的压力差，作用在风轮上的推力又可写成,式中,风轮前压力，Pa或kPa；,风轮后压力，Pa或kPa。,应用伯努利方程,可得,式中,风经过叶片时的速度，m/s。,令 则 式中 轴向干扰因子， 当 时， ； 时 0；对正常风车状态 。,风轮的轴功率可用下式计算将代入,得风轮最大轴功率发生在 时， 求得 或 。,出现最大风轮轴功率 由风能利用系数的定义,这就是著名的贝兹极限。 式中 风能利用系数。,谢谢！,