搜索
三种气动功率调节的方法摘要：文章介绍了风轮气动功率调节的几种方法，并通过比较它们之间的原理的不同，得到各自的适用范围。定桨距失速调节很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组控制上；变桨距调节需要一套复杂的变桨距调节机构；主动失速调节是前两种调节方式的结合。引言：气动功率调节是风力发电机组的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速（一般为12~16m/s）以后，由于机械强度和发电机、变频器容量等物理性能的限制，必须降低风能的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受载荷和整个风力机受到的冲击。功率调节方式主要有：定桨距失速调节、变桨矩调节和主动失速调节三种方式。1定桨矩失速调节定桨矩是指风轮的桨叶与轮毂刚性连接。当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲而使气流加速，压力较低，凹面较平缓而使气流速度减缓，压力较高，因而产生升力。如图2-8（a）桨距角不变，随着风速增加功角增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼形效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力增加，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加。因此，定桨矩失速控制没有功率反馈系统和变桨矩执行机构，因而整机结构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数。但失速控制方式依赖于叶片独特的翼装结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度也较大，随着功率增加，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片刚度减弱，失速动态特性不容易控制。图2-8（a）为了解决上述问题，桨叶制造商首先在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的风力机桨叶，解决了定桨矩风力发电机组在大风时的功率控制问题；20世纪80年代又将叶尖扰流器成功的应用在风力发电机组上，解决了在突甩负荷情况下的安全停机问题，使定桨矩（失速型）风力发电机组在近20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然有机型采用该技术。2变桨矩调节变桨矩型风力发电机组能使风轮叶片的安装角随风速而变化，如图2-8（b）所示，高于额定功率时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角度，相当于增大桨距角，减小功角。变桨矩调节的风力发电机组在阵风时，塔架、叶片、基础受到的冲击较之失速调节型风力发电机组要小的多，可减少材料使用率，降低整体重量。图2-8（b）经过10多年的实践，设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态已有了深入的了解，不再满足于仅仅提高风力发电机组运行的可靠性，而开始追求不断优化的输出功率曲线，同时采用变桨矩结构的风力发电机组可使叶片和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组的整体设计十分有利。因此，进入20世纪90年代以后，变桨矩控制系统又重新受到了设计人员的重视。目前已有多种型号的变桨矩600MW级风力发电机组进入市场。其中较为成功的有丹麦VESTAS的V39/V42-600MW机组和美国Zand的Z-40-600kw机组。从今后的发展趋势看，在大型发电机组中将会普遍运用变桨矩技术。3主动失速调节主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合。如图2-8（c）所示，在低风速时，采用变桨矩调节，可达到更高的气动功率。风力机达到额定功率后，使桨距角向减小的方向转动一个角度，相应的功角增大，使叶片失速效应加深，从而限制风能的捕获。图2-8（c）变速风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时能随风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速变化，储存或释放部分能量，提高传动系统柔性，使功率输出更平稳。因而在更大容量上，变速风力发电机组可能取代恒速风力发电机组成为风力发电的主力机型。4结论定桨矩失速调节，缺点是失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组控制上。优点是整机结构简单，部件少，造价低，并具有较高的安全系数。变桨矩调节，缺点是需要有一套比较复杂的变桨矩调节机构，要求风力机的变桨矩系统对阵风的响应速度足够快，才能减轻由于风的波动引起的功率脉动。优点是可使桨叶和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组的设计十分有利。主动失速调节，不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对较小。参考文献：【1】郭新生.风能利用技术.北京：化学工业出版社，2007.【2】李俊峰等.风力12在中国.北京：化学工业出版社，2005.【3】中国气象科学研究院风能太阳能资源实验室.风能、太阳能资源研究论文集.北京：气象出版社，2008.【4】王承煦，张源.风力发电【M】.北京：中国电力出版社，2003.【5】叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京：机械工业出版社，2002.