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风力发电机设计中风轮与发电机的动力——负荷匹配赵福盛2019.08.06概述在风力发电机组设计中，风轮与发电机的动力——负荷匹配至关重要。匹配的好坏直接影响到风力发电机组的运行效率、功率输出和全年发电量。n1n2n2风轮输出发电机输入风轮输出发电机输入风轮输出发电机输入转速n1～n2负载高于动力：仅输出n1时的功率；大风超越n2时，易发生飞车负载功率高于动力功率：不发电负载功率低于动力功率：仅在大风高转速n2时发电1、机组总体设计对风轮技术性能的要求风力发电机组要求风轮动力输出特性和发电机负载(发电机输入轴功率）特性相拟合，如果风轮输出和发电机输入的转速扭矩曲线不能拟合，其动力——负载不匹配，会导致风轮不能运行在最佳叶尖速比附近，风轮效率低，机组达不到额定输出功率。为便于风轮动力和发电机负载的匹配设计，风轮设计须提供如下技术数据和参数：风能利用系数、推力系数、力矩系数以及风轮转速、风轮轴功率、风轮轴扭矩、风轮推力在额定风速以下及额定风速附近的变化规律。1.1由于小型风力发电机组的转速控制比较粗放，在高于额定风速后需要采取措施对风轮转速进行限制，防止飞车以及发电机过度超载。1.2桨叶是风力发电机组中关键的动力部件，其气动外形设计对风力发电机组动力性能和运行效率起着决定性的作用。1.3桨叶气动外形设计的任务是根据总体设计要求，选择翼型，用优化设计的方法给出桨叶剖面弦长、相对厚度和扭角沿展向的变化。1.4目前用于桨叶的翼型：一类是航空翼型和它的修型；另一类是风力机翼型。水平轴风力机采用的航空翼型有NACA系列、NASALS系列和FX系列等，其相对厚度在12%~28%范围。NACA63-2系列翼型是目前水平轴风力机叶片使用较多的翼型。根据风力机性能的需要，风力机翼型一般要求在分离区内有稳定的最大升力系数、升阻比。专门的风力机翼型有美国NRELS系列、瑞典FFA-W系列、荷兰DU系列。NRELS系列翼型空气动力特性较好。最大升力系数不高是为满足定桨距失速桨叶控制功率输出的需要；试验结果表明NRELS系列翼型可减少叶片表面粗糙度对功率输出的影响，并在低风速和中等风速下，改善桨叶的空气动力性能，使全年功率输出增加。2、风轮设计应确定的结构和主要参数结构型式；调速方式考虑机械变桨距、主动失速控制；翼型优先选择风力机专用翼型；额定风速；风轮直径及桨叶数目；轮毂结构及尺寸；风轮实度；空气动力特性理论曲线（Cp、Cm、Ct）；额定风速及以下风速的转速、转矩及功率计算值；3、风力机桨叶气动外形的设计要领一般在风力发电机桨叶约75%（r/R=0.75）展长的剖面附近是产生功率的中心区域，因此，翼型配置和气动外形设计应注意如下几点：⑴相对高的升阻比，以获得最大的功率系数；⑵限制其最大升力系数，以便于定桨距风轮可靠地进行失速控制；⑶表面粗糙度对翼型失速特性的影响小，以确保失速控制特性稳定；⑷足够的相对厚度，以保证应有的结构强度和刚度。⑸在风力发电机桨叶根部（r/R=0.30）和尖部（r/R=0.95）布置的翼型除了有好的空气动力特性外，还要求从桨叶根部到尖部，其空气动力特性是连续变化的。从结构强度和刚度考虑，在根部配置的翼型厚度要大，具有高的最大升力系数；在尖部配置的翼型相对厚度要小，使其阻力系数最小，降低运行噪音。4、桨叶及风轮设计范例4.1总体设计要求(1)风力发电机结构型式：水平轴、上风向、三桨叶、主动失速变桨距、尾舵调向；(2)工作风速范围：3～30m/s；安全风速：60m/s；(3)额定风速：11m/s；额定功率：5kW；(4)优先考虑风力机专用翼型NRELS系列；(5)风轮额定运行状态下Cp值不低于0.42，运行噪音不大于65分贝（在风力发电机下、下风向20m处检测）；(6)提供Cp=f(λ)；Cm=f(λ)；Ct=f(λ)理论空气动力特性曲线；(7)提供额定风速及额定风速以下的，尖速比6、7、8、9状态下的风轮转速、功率、转矩理论计算的数据；4.2技术设计成果(1)桨叶和风轮，见照片；(2)翼型：NRELS系列；(3)技术参数；叶片数目：3风轮直径：5.6m旋转方向（在上风面对风轮）：顺时针风轮俯仰角：0°风轮锥角：0°额定风速：10m/s左右额定功率：5kW叶片长度：2.74m最大弦长：0.4m(4)风能利用系数、推力系数和力矩系数随尖速比的变化：02468101214160.00.10.20.30.40.5Cp02468101214160.00.20.40.60.81.01.21.4Ct图3风能利用系数曲线图4推力系数曲线图4力矩系数曲线00.010.020.030.040.050.060.070.0802468101214Cm(5)风轮在不同风速、不同尖速比运行状态下的动力变化(6)风轮动力随风速在不同尖速比状态下的功率变化规律。根据计算数据表画出如图所示的一族曲线。每条曲线反映了不同风速下风轮输出功率随尖速比值（风轮转速）变化的规律。如图所示在每段风速的尖速比7和8附近，风轮的功率输出值较高。分别把曲线族中的7和8连接成曲线，风轮按这两条曲线运行必然是风轮动力输出的最佳状态。可称它为风轮最佳输出的目标功率曲线。运行转速和功率的对应关系，见数据表。运行转速和功率的对应关系，见数据表。5、直驱永磁发电机的设计范例5.1设计目标及主要设计参数设计目标把发电机的输入轴功率及转矩随转速的变化曲线，从切入风速到额定风速，从发电转速到额定转速，与风轮输出的目标功率曲线拟合。发电机的主要设计参数额定转速：260r/min额定功率：5kW额定工作电压：DC500V起动阻力矩：＜5N·m额定转速时的空载电压：DC600V发电机的效率：60%～80%5.2永磁发电机的输出特性根据风轮动力特性设计制造的发电机在试验台上对其在不同转速，不同工作电压下的输出功率和效率进行了测定，测定的数据及绘制的曲线如下：6、风轮动力——发电机负载匹配范例依据D=5.6m三桨叶风轮的空气动力特性做出了风轮在不同风速不同转速（即不同的λ值）下的曲线族。然后将直驱三相交流永磁发电机经台架试验检测到的直流输出电压、电流、功率、效率数据也画出曲线。从中找出不同风速，不同转速下风轮输出功率与发电机输入功率之间的精确匹配关系。6.1风轮的动力风轮输出功率曲线图显示了λ=7和λ=8两个运行状态时的功率——转速变化曲线。把发电机的输入功率跟踪在这两条曲线附近及中间，就是风轮动力——发电机负载的最佳匹配。从向发电机输入机械功率到发电机输出直流电功率有个转换效率，多点检测值的范围是60～80%，为简化操作，令发电机的效率值为70%，依据风轮输出目标功率曲线，计及效率值70%，分别画出尖速比λ=7，λ=8两条发电机输出功率的目标曲线。6.2发电机输出功率目标曲线与发电机输出特性如图所示，发电机不同电压下的输出曲线族与发电机输出功率目标曲线交汇出若干匹配点，列表如下：发电机输出与发电机输出功率目标曲线的交点：按上述诸点跟踪转速的变化调整发电机输出的电压、电流、功率即可实现与风轮动力的最优化匹配。5kW变桨距风力机丹麦运行检测功率曲线图（风轮直径5.4m；塔杆15m；10.5m/s风速功率可达到6kW）7、结束语5kW变桨距风力发电机与德国SMA并网逆变电源配套，均按上述方法和数据在SMA的运行程序中预先设定，并组成风电并网（AC220V）供电系统，在模拟试验台架上进行试验，从120r/min～300r/min转速进行多点检测，检测结果表明，方法正确，便于操作，数据准确，运行稳定。从销往欧洲、澳洲和美洲的近百台机组反馈的信息得知：机组运行平衡，发电量明显高于同类机组，用户普遍给予好评。谢谢