风力发电机组桨距控制新版专业系统设计.doc

新疆大学科学技术学院College of science technology Xinjiang University学生毕业论文(设计)题 目： 风力发电机组桨距控制系统设计指引教师： 学生姓名： 专 业： 电气工程及自动化班 级： 电气07-1完毕日期： 5月18日声 明郑重声明，本片风力发电机组桨距控制系统设计论文是在教师精心指引以及查阅资料独立完毕，没有任何版权问题，没有抄袭、抄袭她人成果，否则，由此导致一切后果由本人负责。 本人签名： 新疆大学科学技术学院学生毕业论文（设计）任务书学生姓名 学号 专 业 电气工程及其自动化 班级 论文（设计）题目 风力发电机组桨距控制系统设计 论文（设计）来源 教师科研 规定完毕内容 （1）查阅有关资料，掌握定速风力发电机组工作特性 （2）查阅有关资料，掌握变速风力发电机组工作特性 （3）研究桨叶气动特性，翼型失速控制原理 （4）研究变桨距控制系统工作原理 （5）研究积极失速控制系统工作原理 （6）完毕毕业设计阐明书一篇 发题日期：3月9日 完毕日期：5月18日 指引教师签名 摘 要空气流动所形成动能极为风能。风能运用形成重要是将大气运动时所具备动能转化为其她形式能。随着风电技术不断进步，容量逐渐增大，单机容量已达几百千瓦，并有兆瓦级风力发电机问世，近十几年来风力发电机产品质量有了明显提高，作为一种新，安全可靠，干净能源而受到国际上风资源丰富国家关注与大规模开发。桨距控制可以最大限度捕获风能。桨距控制系统是风力发电机组核心技术之一，本文对风力发电机组桨距控制系统做了较为全面分析及简介。一方面简述了风力发电现状和发展趋势，简介了定速定桨和变速变桨风力发电机组特点，综述了发电机组构成及各部件功能。阐述了课题研究意义，并提出了本文重要研究内容。进一步学习定速发电机组失速控制原理，在此基本上对变桨距控制和积极失速控制进行研究。 核心字：风力发电机组；定速发电机组；失速控制；变桨距；积极失速； AbstractAir flow formed by kinetic energy extremely wind power. Wind energy formation is mainly will atmospheric motion with the kinetic energy when converted into other forms of energy. The wind technology unceasing progress，increasing capacity，standalone capacity has reached several hundred kw，and have megawatts wind generators was published，grade nearly ten years wind-driven generator product quality has been improved greatly，as a kind of new，safe and reliable，clean energy and wind resources are rich countries by international concern and the large-scale development. OARS from control can maximum capture the wind. OARS from control system is the key technology of wind turbine generators of this paper WTG oar distance control system to do a comprehensive analysis and introduce. First，this paper expounds the present situation and development of wind power，introduces the trend set OARS and variable speed change several OARS WTG summarized the characteristics of generating units，the composition and function of each component. Expounds the significance of research subjects，and puts forward the contents of this paper mainly studies. Further study using generator stall control principle，on the basis of distance control and active variable oar control stalled. According to their respective characteristics PI control simulation.Keyword:wtg；Fixed speed wind generators；Stall control；From control variable oar； Active stall目录1绪论11.1风力发电机来源11.2国内风力发电现状11.3 国内风电装机容量21.4 世界风力发电现状51,5 将来国内风力发电发展趋势61.6 总体概述62风力发电机组构成82.1 叶片92.2轮毂92.3 机舱112.4 齿轮箱112.5 塔架133 定速风力发电机组（定桨距失速型）143.1 双速发电机143.2 定桨距风力发电机组特点143.3失速控制原理153.4定桨距失速调节164变速恒频风力发电机组（变桨距）174.1变速必要性174.2 变桨距风力发电机组长处及其调节194.3变桨系统工作原理194.4变速风力发电机组运营区域194.5桨距控制方案214.6变桨距控制215 变桨距积极失速型风力发电机组235.1 风力发电机组功率控制方式235.2 积极失速技术长处245.3积极失速型风力发电机组基本思想255.4桨叶失速调节原理25道谢28参照文献291 绪论风是地球上一种自然现象，它是由太阳辐射热引起。风能是太阳能一种转换形式，是一种重要自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气对流运动形成风。风能运用已有数千年历史。在蒸汽机创造此前，风帆和风车是人类生产和生活重要动力装置。埃及被以为也许是最先运用风能国家，约在几千年前，她们就开始运用风帆来协助行船。波斯和中华人民共和国也在很早就开始运用风能，重要使用垂直轴风车。国内至少在30前商代就浮现了帆船，到唐代，风帆船已广泛用于江河运送。最辉煌是明代，14世纪郑和七下西洋，庞大帆船队功不可没。明代后来，风车广泛应用，沿海一带重要用于帆船和风力机提水灌溉，制盐。在欧洲到中世纪才广泛运用风能，荷兰人创造了风车。18世纪荷兰曾用近万台风车排水，在低洼海滩上围海造田，成为风车之国。成为有名农用风车，最多达到了600万台。随着蒸汽机浮现，以及煤，石油，天然气开采，风力机无法和蒸汽机，内燃机，电动机等相竞争，逐渐被裁减。到了19世纪末，开始运用风力发电，特别是在20世纪70年代，运用风力发电进入了一种蓬勃发展时代 1 。1.1 风力发电机来源1973年石油危机之前，风力发电技术仍处在科学研究阶段，重要在高校和科研单位开发研究，政府从技术储备角度提供少量科研费。1973年后来，风力发电作为能源多样化办法之一，列入能源规划，某些国家对风力发电以工业化试点应用予以政策扶持，以减税、抵税和价格补贴等经济手段予以勉励，推动了风力发电工业化发展。进入90年代，风力发电技术日趋成熟，风场规模式建设；另一方面全球环保严重恶化，发达国家开始征收能源和碳税，环保对常规发电提出新、严格规定。状况变化缩短了风力发电与常规发电价格竞争差距，风力发电正进入商业化发展前夜。 国内风力发电起步于80年代末，集中在沿海和新疆、内蒙风能带。19861994年试点，1994年新疆达坂城2号风场初次突破装机10 MW(当年全国装机25 MW)，4年后，全国装机223 MW，增长9倍，占全球风力发电装机2.3% 2 。1.2 国内风力发电现状装机容量继续增长，但增速明显放缓，风电产业仍旧是最受人们关注新能源产业，并已被列入国家七大战略新兴产业。在全球大力发展清洁能源大好时机下，国内风电装机容量继续保持增长。全年新增装机1602.2万千瓦，合计装机4182.7万千瓦（如图1-1）。与新增装机1380万千瓦、合计装机2580万千瓦相比，风电新增装机增长率仅为16%，合计装机增长率为62%，相比过去四年里风电装机容量连年翻番增长态势，国内风电装机容量增速明显放缓，风电产业正逐渐步入平稳增长3。图1-1 -国内总装机容量国家注重风电产业，海上风电成为新宠为达到国内在哥本哈根会议上提出“到非化石能源占一次能源消费比重达到15%、单位GDP二氧化碳排放强度比下降40%-45%”目的，国家陆续出台了一系列增进风电产业发展法律、法规和产业政策，发展目的更加明确，思路更加清晰，前景非常辽阔。此外，依照国家最新能源规划，前国家将在新能源领域增长5万亿元投资，其中可再生能源投资约3万亿元，风电占1.5万亿元。同步，是国内海上风电加速发展元年。国家能源局5月18日正式启动了总计100万千瓦首轮海上风电招标工作，分别为滨海和射阳两个30万千瓦近海风电项目；大丰和东台两个20万千瓦潮间带项目，并于9月10日在北京开标。同年6月，国内首个海上风电项目上海东海大桥102兆瓦项目所有并网发电。在国家大力推动海上风电加快发展形势下，上海、江苏、浙江、山东和福建等省市纷纷提交了各自海上风电发展规划，各风电公司更是前赴后继进行海上风机研制与生产。1.3 国内风电装机容量总体装机容量（见图1-2）：中华人民共和国（不涉及台湾地区）新增安装风电机组12904台，装机容量18927.99MW，年同比增长37.1%；合计安装风电机组34485台，装机容量44733.29MW，年同比增长73.3%。4图1-2 中华人民共和国总装机容量各区域装机状况（见图1-3）：图1-3 中华人民共和国各区域装机状况各省市装机容量及分布图（见图1-4）：图1-4 国内各区域装机分布图表1-1 各省市装机容量1.4 世界风力发电现状依照世界风力协会(World Wind Energy Association)于3 月发布 年世界风力报告（World Wind Energy Report）指出， 年全球风力机组总设备容量业达159.213GW(亿瓦)，并提供3,400 亿度电力，约满足全球2%电力需求。 年新增设备38.312 GW，较 年总设备容量120.903GW 增长31.7%。该协会推估 年总设备容量将达203.5GW， 年全球风力机组合计设备容量将上看1,900 GW，约为 年总设备容量之12 倍。当前风力发电设备容量前3 名分别为美国、中华人民共和国、德国，这3 个国家风力机组容量计86.946 GW，约占全球55%。若再加上第3、第4 位西班牙及印度，则前5 个国家共计117.02GW，约占全球风力机组容量3/4。显示风力发电技术成熟且前景看好，世界各国对风力发电推广，不遗余力5。 年于丹麦哥本哈根举办国际气候COP15 会议，第15 届签约国会议。中期目的是让世界约50 个国家，到 年为止温室效应废气排放量削减筹划。筹划中EU 国家到 年为止，占所有能源消费量20%必要使用再生能源，以此作为设定共同努力目的。加盟各国家努力开发也许再生能源，就以欧洲共同市场EU 各国努力以赴风力发电导入状况分析如下:1)世界风力发电规模比前1 年增长41.5%在绿能方面世界各国定义不同，近两年来各国政府承诺绿能投资金额为5.000 亿美元，其中中华人民共和国在这方面投资居冠，投资金额高达2,180 亿美元，另一方面是韩国投资金额为600 亿美元，欧洲共同市场EU 加上会员各国投资总金额为550 亿美元。但是若以绿能化刺激方略绿色、能源领域(能源效率化、也许再生能源、电力送电网、低碳排放汽车)做为限定范畴话，美国居冠660 亿美元，另一方面是中华人民共和国47 亿美元，EU 为31 亿美元，韩国是16 亿美元。依照英国HSBC 银行集团预估，在绿能化方面投资金额中，若是以再生能源，以及能源效率技术方面为限，10 年来成长了3 倍。绿色能源所有投资金额也受到经济危机影响， 年投资金额高达1,550 亿美元。但是就世界风力发电市场来看，并没有受到经济危机影响，08 年依然成长了41.5%。09 年风力发电累积导入量为158GW(亿瓦)(GW=10 亿瓦)，比前1 年增长31.7%。2)欧洲风力发电占电力需求5% EU27 个国家在09 年风力能源导入容量肩负起世界领导责任。09 年风力发电导入量超过10GW，占世界26.5%。累积导入容量从前年64.719MW，增长到74.767MW，比前1 年成长了15%。这也是占世界全体47%市场占有率。对EU 各国来说风力发电(风车，水车)可以说是早已经习惯风景。在德国搭乘地方火车时，可以从车窗见到风车风景。就09 年新兴导入也许再生能源来看，占全体61%，产生电力为26GW，其中风力发电占39%。EU 刊登到 年为止，能源消费量20%以再生能源为目的。若是以EU 各国制定目的来看，到 年为止顺利话也许再生能源，可以达到全体电力消费量34%。其中预估风力发电领域方面约有14%17%贡献。欧洲从 年后来累积风力发电容量为9.7GW，约成长了7倍95GW。针对EU 在 年终为止记录，风力发电领域雇用人数为19 万人，风力发电方面投资金额为139 亿欧元。发电总容量若没有特殊变化话162.5TWh，风力发电相称约占EU 电力需求4.8%。3)欧洲是以海上风力发电导入做为主流欧洲 年在海洋风力发电方面导入容量为582MW，比增长56%，占欧洲整体发电设备6%左右。累积发电容量为2,063MW，占欧洲全体发电量3%。欧洲两大市场分别为英国883MW，以及丹麦646MW。就 年欧洲海洋风力发电容量来看，预定导入1,000MW，相称于欧洲市场约10%左右。海洋风力发电尚处在萌芽期，预估到 年以海洋型风力发电容量将达到40GW。由于欧洲海域优势条件，适合海洋型风力发电设备，预估这将成为欧洲能源再生主流方式。此外、欧洲在海洋型风力发电技术方面，局于领先地位，故预估到了2030 年，风力发电是当前7 倍能力，相称于可以供应30,000TWh 电力。 年为止，海洋型风力发电设备共设立830 座，通过海底送电网传送，已经可以供应2,000MW 电力。当前在欧洲9 个国家，建立了39 个风力发电系统，海洋型风力发电也从1994 年在荷兰外海建设第1 座发电能力2MW，始终到去年09 年在丹麦沿海设立海洋型风力发电设备，可以产生209MW 发电能力。近来大型海上风力涡轮设备，重要是基于深海建设技术提高所赐。仅 年就建设了9 个场合海洋型风力发电基地，供安顿了201 座风力发电设备，新设立风力发电能力达到584MW，09 年在风力发电方面投资金额为130 亿欧元。其中海洋型风力发电设备就占了15 亿欧元。 年更增长到30 亿欧元。1,5 将来国内风力发电发展趋势 海上风力发电已经悄然兴起并且将会成为重要能源形式，海上有丰富风能资源和辽阔平坦区域，从而使海上风力发电技术成为近来研究和应用热点。中华人民共和国海上风能资源储量远不不大于陆地风能，储量10m高度可运用风能资源超过7亿kW，并且距离电力负荷中心很近。随着风力发电不段发展，陆地上风力发电机总和已经开始趋于饱和，那么就需要咱们开发新能源形式，海上风力发电场也就自然而然成为了新重要能源开发项目，同步也是风力发电开发重点。不但在中华人民共和国是这样，海上发电也是近年来国际风力发电产业发展一种新新领域，可谓是“方向中方向”。随着当代风力发电技术发展日趋成熟，风力发电机组正不断向大型化发展。大体上大型风力发电机组有两种发展模式。一种是陆地风力发电，其方向是低风速发电技术，这种模式核心是向电网输电。此外一种是近海风力发电，重要用于比较浅近海海域，这种模式重要制约因素是风力发电场规划和建设成本，但是近海风力发电优势是明显，即不占用土地，海上风力资源较好。风力发电不但仅为人们提供电力，同步它也随着并且增进着经济发展。风力发电整个过程都不产生任何污染，它既可觉得人们提供电力，又可以减少燃料带来环境污染，从而起到保护地球生态环境作用，是真正绿色能源。风电作为清洁可再生能源，已成为当今世界电力发展潮流和趋势。1.6 总体概述 本文环绕风力发电机组桨距控制系统阐述了近年来国内风电发展状况、国内风电装机容量、风力发电机组先进技术、世界风力发电趋势及其国内将来发展趋势。随后简介了风力发电机组构成，定速风力发电机组，变速恒 频风力发电机组，变桨距失速型风力发电机组，研究了桨叶气动特性，翼型失速控制原理，其中着重写了：1、国内风力发电近几年发展，国内在装机容量2、简介了水平轴风力发电机组构成3、定速风力发电机组特点、失速控制原理、定桨距失速调节 4、变桨距风力发电机组长处、工作原理、控制方案5、变桨距积极失速型风力发电机组功率控制方式、积极失速长处、桨叶失速调节原理最后在论文总结中对国内风力发电技术和桨距控制进行了展望，对将来风力发电发展进行了大胆设想。2 风力发电机组构成空气流动形成了风，而空气流动是由地球自转和地球纬度温差形成。流动空气所具备动能称作风能。风力发电运用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能机械设备。风力机通过发展过程，当前已有诸各种型式，如图3-1所示。其中有是老式风力机，当前不再使用，有是当代风力机，正为人们广泛运用，有正在研究之中。广义风力机还涉及那些运用风力产生平移运动装置，如风帆船和中华人民共和国古代加帆手推车等。风力机重要部件是风能接受装置。普通说来，凡在气流中产生不对称力物理构成都能成为风能接受装置，通过旋转、平移或摆动运动而发出机械功。无论何种类型风力机，都是由风能接受装置、控制机构、传动和支承部件等构成。近代风力机还涉及发电、蓄能等配套系统。当前，水平轴、上风向、三桨叶型、用于并网发电风力机是当今普遍应用、推广机型，如图2-1和2-2所示，在机械构造、功率控制和制动系统等方面具备各种选取方案。下面详细简介典型水平轴风力机叶片、轮毂、机舱、齿轮箱、发电机和塔架6。图2-1典型水平轴定桨距定速风力发电机组构造图132457869101112图2-2典型水平轴直驱式变桨变速风力发电机组基本构造1.叶片 2.变桨机构 3.轮毂 4.发电机转子 5.发电机定子 6.偏航驱动7.测风系统 8.辅助提高机 9.机舱控制柜 10.机舱底座 11.塔架 12.导流罩2.1 叶片叶片是风力机核心部件。风力机正常运转时，叶片必要承受风载荷和离心力，由于叶片细长并且又重又大，受不断变化流动空气影响，在地球应力场中运动，其所受重力弯矩变化相称复杂，当狂风袭来，风轮迎风静止时，叶片又必要经受住最剧烈风暴。叶片是风力机重要构成某些，当今95%以上叶片都采用玻璃钢复合材料，质量轻、耐腐蚀、抗疲劳。叶片技术含量高，属于风力机核心部件，大型风力机叶片往往由专业厂家制造。2.2 轮毂轮毂作用是连接叶片和低速轴，规定能承受大、复杂载荷，中小型风力机采用刚性连接，兆瓦级风力机采用跷跷板连接方式。 图2-3风力机固定式轮毂风轮轮毂是连接叶片与风轮转轴部件，用于传递风轮力和力矩到背面机构。轮毂普通由球墨铸铁制成。使用球墨铸铁重要因素是轮毂复杂形状规定使用浇铸工艺，以以便其成型与加工。此外，球墨铸铁有较好抗疲劳性能。比较典型轮毂构造有如下三种：(1) 固定式轮毂三叶片风轮大多采用固定式轮毂，悬臂叶片和主轴都固定在这种无铰链部件上（见图2-3）。它主轴轴线与叶片长度方向夹角固定不变。制导致本低、维护少，不存在铰链式轮毂中磨损问题。但叶片上所有力和力矩都将经轮毂传递至其后续部件。(2) 叶片之间相对固定铰链式轮毂如图2-4所示，铰链轴线通过叶轮质心。这种铰链使两叶片之间固定连接，它们轴向相对位置不变，但可绕铰链轴沿风轮俯仰方向（拍向）在设计位置作(510)摆动（类似跷跷板）。当来流速度在叶轮扫掠面上下有差别或阵风浮现时，叶片上载荷使得叶片离开设计位置，若位于上部叶片向前，则下方叶片将要向后。由于两叶片在旋转过程中驱动力矩变化很大，因而叶轮会产生很高噪声。叶片悬挂角度也与风轮转速关于，转速越低，角度越大。具备这种铰链式轮毂风轮具备阻尼器作用。当来流速度变化时，叶片偏离原悬挂角度，其安装角也发生变化，一种叶片因安装角变化升力下降，另一片升力提高，从而产生反抗风况变化阻尼作用。图2-4不同形式铰链式轮毂(3) 各叶片自由铰链式轮毂每个叶片互不依赖，在外力作用下叶片可单独作调节运动。这种调节不但可做成仅具备拍向锥角变化形式，还可做成拍向、挥向（风轮扫风面方向）角度均可以变化方式，见图2-4。理论上说，采用这种铰链机构风轮可保持恒速运营。2.3 机舱机舱普通容纳了将风轮获得能量进行传递、转换所有机械和电气部件。位于塔架上面水平轴风力机机舱，通过轴承可随风向旋转。机舱多为铸铁构造，或采用带加强筋板式焊接构造。风轮轴承、传动系统、齿轮箱、转速与功率调节器、发电机（或泵等其她负载）、刹车系统等均安装在机舱内（见图2-5）。设计机舱规定是：尽量减小机舱质量而增长其刚度；兼顾舱内各部件安装、检修便利与机舱空间要紧凑这两个互相矛盾需求；满足机舱通风、散热、检查等维护需求；机舱对流动空气阻力要小以及考虑制导致本等因素。机舱装配时需要注意是：从风轮到发电机各部件之间联轴节要精准对中。由于所有力、力矩、振动通过风轮传动装置作用在机舱构造上，反过来机舱构造弱性变形又作为相应耦合增载施加在主轴、轴承、机壳上。为减少这些载荷，建议使用弹性联轴节。联轴节既要承受风力机正常运营时所传递力矩，也要承受机械刹车刹车力矩。 图2-5大中型水平轴风力发电机机舱及其内外安装部件2.4 齿轮箱在有齿轮箱风力发电机组中，齿轮箱是一种重要机械部件。由于叶轮转速很低，远远达不到发电机发电所规定转速，必要通过齿轮箱齿轮副增速作用来实现，将叶轮在风力作用下所产生动力传递给发电机并使其得到相应转速。故也将齿轮箱称为增速箱。风力机设计过程中，普通对齿轮箱、发电机都不做详细设计，只是计算出所需功率、工作转速及型号，向关于厂家去选购。最佳是拟定为已有定型产品，可获得最经济效果；否则就需要自己设计或委托关于厂家设计，然后试制生产。小型风力机简朴齿轮箱可自行设计。风力发电机组齿轮箱种类诸多，按照老式类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来齿轮箱；按照传动级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动系统布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。水平轴风力机常采用单级或多级定轴线直齿齿轮（见图2-6）或行星齿轮增速器（见图2-7）。采用直齿齿轮增速器，风轮轴相对于高速轴要平移一定距离，因而使机舱变宽。行星齿轮箱很紧凑，驱动轴与输出轴是同轴线，因而，当叶片需要变距控制（叶片安装角变化调节）时，通过齿轮箱到轮毂，控制动作不容易实现。依照机组总体布置规定，有时将与风轮轮毂直接相连传动轴（俗称大轴）和齿轮箱输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接构造。也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间运用涨紧套装置或联轴节连接构造。为了增长机组制动能力，经常在齿轮箱输入端或输出端设立刹车装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置，共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律变向变载荷风力作用以及强阵风冲击，常年经受酷暑、寒冷和极端温差影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶狭小空间内，一旦浮现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比普通机械高得多规定。例如：对构件材料规定，除了常规状态下机械性能外，还应当具备低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分润滑条件等等。对冬夏温差巨大地区，要配备适当加热和冷却装置。还要设立监控点，对运转和润滑状态进行遥控。不同形式风力发电机组有不同样规定，齿轮箱布置形式以及构造也因而而异。以水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动为代表构造。 图2-6定轴线齿轮传动 图2-6定轴线齿轮传动 图2-7行星齿轮传动 图2-7行星齿轮传动2.5 塔架水平轴风力机塔架设计应考虑塔架静动态特性、与机舱连接、运送和安装办法、基本设计施工等问题。塔架寿命与其自身质量大小、构造刚度和材料疲劳特性关于。塔架从构造上可分为桁架式和塔筒式。桁架式塔架在初期风力发电机组中大量使用，其重要长处为制造简朴、成本低、运送以便，但其重要缺陷为通向塔顶上下梯子不好安排，安全性差。塔筒式塔架在当前风力发电机组中大量采用，长处是美观大方，上下塔架安全可靠。塔架以构造材料可分为钢构造塔架和钢筋混凝土塔架。钢筋混凝土塔架在初期风力发电机组中大量被应用，日后由于风力发电机组大批量生产，被钢构造塔架所取代。近年来随着风力发电机组容量增长，塔架体积增大，使得塔架运送浮现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢构造塔架苗头。图2-8 塔架高度与风轮直径关系 3 定速风力发电机组（定桨距失速型）3.1 双速发电机事实上，定桨距风力发电机组还存在在低风速运营时效率问题。在整个运营风速范畴内（3m/s25m/s）由于气流速度是在不断变化，如果风力机转速不能随风速变化而调节，这就必要要使风轮在低风速时效率减少（而设计低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态）。同步发电机自身也存在低负荷时效率问题，尽管当前用于风力发电机组发电机已能设计非常抱负，它们在p30%额定功率范畴内，均有高于90%效率，但当功率平p25%额定功率时，效率依然会急剧下降。为理解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机分别设计成4极和6极。普通6极发电机额定功率设计成4极发电机1/4到1/5。例如600kw定桨距风力发电机组普通设计成6极150kw和4极600kw；750kw风力发电机组设计成6极200kw和4极750kw；最新推出1000kw风力发电机组设计成6极200kw和4极1000kw。这样，当风力发电机组在低风速段进行时，不但桨叶具备较高气动效率，发电机效率也能保持在较高水平。从而使定桨距风力发电机组与变桨距风力发电机组在进入额定功率前功率曲线差别不大。采用双速发电机风力发电机组输出功率曲线如图3-1所示。图3-1 风力发电机组功率输出曲线3.2 定桨距风力发电机组特点桨叶与轮毂连接是固定，即当风速变化时，桨叶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要解决问题。一是当风速高于风轮设计点风速即额定风速时，桨叶必要可以自动将功率限制在额定值附近，由于风力机上所有材料物理性能是有限度。桨叶这一特性被称为自动失速性能。二是运营风力发电机组在突然失去电网（突甩负载）状况下，桨叶自身必要具备制动能力，使风力发电机组可以在大风状况下安全停机。初期定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，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，就会对整机构造强度产生严重影响。为理解决上述问题，桨叶制造商一方面在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时功率控制问题；20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载状况下安全停机问题，使定桨距（失速型）风力发电机组在近风能开发运用中始终占据主导地位，直到最新推出兆瓦级风力发电机组仍有机型采用该项技术。3.3 失速控制原理失速型风力发电机组通过风轮叶片失速特性来控制风力发电机组在大风时功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端状况下安全停机问题。失速型风力发电机组风轮叶片通过选取失速性能良好翼型和合理叶片扭角随展向分布使叶片在风速不不大于额定风速后，在其根部开始进入失速，并随风速增长逐渐向叶尖扩展，使功率减少。当气流流经上下翼面形状不同叶片时，因凸面弯曲而使气流加速，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。桨叶失速性能是指它在最大升力系数Clmax附近性能。当桨叶安装角（对定桨距风力机而言，桨叶安装角就是桨距角）不变，随着风速增长，攻角增大，升力系数线性增大，在接近Clmax时，增长变缓；达到Clmax后开始减小。另一方面，阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，这是由于气流在叶片上分离随攻角增大而增大，分离区形成大涡流，流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，至使阻力激增，升力减少，导致叶片失速，从而限制了功率增长，如图3-2所示。a. 刚启动时 b. 有效运营时（中风） c. 失速时（额定风速附近）图3-2定桨距风力机气动特性失速调节叶片攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减小，因而根部叶面先进入失速，随风速增大，失速某些向叶尖处扩展，原先已失速某些，失速限度加深，未失速某些逐渐进入失速区。失速某些使功率减少，未失速某些仍有功率增长。从而使输入功率保持在额定功率附近。 图3-3 600kW风力发电机组功率曲线定桨距风力发电机组功率特性还与风轮转速和风轮叶片初始安装角等关于。定桨距风力机风轮转速和叶片安装角普通是固定不变，因而，由风轮功率特性可知，它只在某一种叶尖速比下，具备最大功率系数。普通失速型风力机设计时，其额定转速不是按在额定风速时具备最大功率系数来设定，而是在低于额定风速下具备最大功率系数来设定。虽然这样，为了使风力发电机组在低风速下运营时也具备较大功率系数，许多失速型风力机采用双速异步发电机进行切换，使用双速发电机后，可以增长风力发电机组在低风速时功率输出，但增长幅度随风速增大而减小。图3-3给出600kW风力发电机组功率曲线。普通定桨距风力发电机组在低风速段风能运用系数较高。随着风速升高，功率上升趋缓，当风速接近额定风速时，风能运用系数开始大幅下降。对于定桨距风力发电机组而言，不同风轮叶片安装角具备不同风轮功率特性，因而，定桨距风力发电机组风轮安装时，按风轮设计时选定叶片初始安装角与轮毂进行连接。但是由于不同地区安装风力发电机组时，其实际功率特性随空气密度变化而变化，因而，需要通过调节叶片初始安装角（桨距角）来达到额定功率输出。有失速型风力机叶片有双失速特性，如定速风力机在额定风速以上运营，有时输出功率低于额定功率25%，其因素与叶片前缘产生层流分离泡破裂关于。这对风力发电机功率控制是不利，当变化风力机翼型头部形状或在叶片上加失速条后可以避开双失速特性。3.4 定桨距失速调节定桨距是指风轮桨叶与轮毂是刚性连接，叶片桨距角不变。当空气流流经上下翼面形状不同叶片时，叶片弯曲面气流加速，压力减少，凹面气流减速，压力升高，压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面升力。如果桨距角不变图3-1（a），随着风速增长，攻角相应增大，开始升力会增大，到一定攻角后，尾缘气流分离区增大形成大涡流，上下翼面压力差减小，升力迅速减小，导致叶片失速（与飞机机翼失速机理同样），自动限制了功率增长。因而，定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构，整机构造简朴、部件少、造价低，并且有较高安全系数。缺陷是这种失速控制方式依赖于叶片独特翼型构造，叶片自身构造较复杂，成型工艺难度较大。随着功率增大，叶片加长，所承受气动推力大，使得叶片刚度削弱，失速动态特性不易控制，因此很少应用在兆瓦级以上大型风力发电机组功率控制上。4 变速恒频风力发电机组（变桨距）当代兆瓦级以上大型并网风力发