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1第四章风力发电机组方案设计内容1.叶轮直径2.额定风速3.叶轮转速4.叶片数5.功率控制6.制动系统7.定速与变速运行8.发电机类型9.传动系10.塔架的刚度11.人身安全与通道2某机组总体方案•机组设计等级：IECⅠ级•机组容量：1.3MW•风轮直径：62m•叶片数量：3•额定风速参数：14m/s•风轮额定转速：19rpm•主轴-齿轮箱支撑形式：三点支撑•风轮布置形式：上风向•轮毂高度：60m/70m4.1叶轮直径1、风轮直径Dz风轮直径D主要取决于两个因素：—风力机额定P—额定风速Vrz计算公式的推导：—叶轮输出功率：P1=1/2CpρSVr3=P/(η1η2)于是：P=1/2CpρVr3η1η2D2π/4—直径D的简化计算公式：D2=8P/(πCpρη1η2Vr3)≈5P/Vr3其中，可取Cp≈0.45，ρ≈1.25，η1η2≈0.93风轮直径D的确定除此之外，风轮直径选择时还应考虑：•最小能量成本（费用/kWh/年）。如某1.3MW机型对应的风轮直径为54～62m。•根据调查资料显示，额定功率值/单位风轮扫掠面积的比值（W/m2）。如某1.3MW机型约为405W/m2，由此可算得D≈64m另外，可参照国外同类机型。其它参数的确定1）叶轮中心离地面高度H取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。2）叶轮锥角γ—叶片和旋转平面的夹角。—减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）；—防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）。3）叶轮倾角δ—叶轮转轴与水平面的夹角。减少叶片梢部与塔架碰撞的机会。44.2.额定风速Vrz额定风速Vr：机组达到额定功率时的风速。Vr=15m/s额定风速Vr成本与额定风速无关的部件成本随额定风速变化的部件成本随额定风速二次方变化的部件成本随额定风速三次方变化的部件部件成本%部件成本%部件成本%部件成本%基础4.2叶片18.3齿轮箱12.5发电机7.5控制器4.2轮毂2.5刹车1.7并网8.3装配2.1主轴4.2运输2.0机舱10.8偏航4.2塔架17.5合计12.557.514.215.8z额定风速与部件成本的关系5zVr太高，机组将很少达到额定功率，传动系和发电机的成本偏高，提高了能量成本；zVr过低，叶轮及其支撑的成本相对于发电量过高。z统计数据表明，从成本最低的角度出发，优化的额定风速与年平均风速的比值关系Vro/Vave大致为1.5～2，其中——变桨距机组：1.67～1.77——失速型机组：≥2额定风速Vr考虑因素：•尺寸控制：叶片弦长（实度）与转速的平方成反比。•重量控制：风轮转速增加后，叶片的重量（成本）将增加，但传动系统、机舱和塔架的费用降低，因此在考虑风轮转速时要进行优化，兼顾两者的费用。•噪声限制：风轮叶片所产生的气动噪音与叶尖线速度的五次方成正比，通常限制叶尖线速度小于65m/s。•视觉影响：从环保角度考虑，风轮转速增加对人的视觉会产生一种冲击。4.3.叶轮额定转速64.4、叶片数1）、尖速比λ叶轮的叶尖线速度与风速之比。是一个重要设计参数。与叶片数及实度有关。用于风力发电的高速风力机，常取较大的尖速比。尖速比在5-15时，具有较高的风能利用系数Cp。通常可取6-8。Cp—λ曲线Cp0.50.40.30.20.136912λ72）、实度λ叶片数z定义：叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比。它是和尖速比密切相关的一个重要参数。z取值：对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速和起动风速，因此，可取较小的实度。通常大致在5~20%之间。z作用：—决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；—决定叶轮的重量与材料成本叶片数3）、叶片数和尖速比的对应关系：z由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电。84）三叶片和两叶片：z叶片数3Æ2：叶片弦长增加50%或转速增加22.5%。z在相同尖速比时，两叶片的Cp约是三叶片的1/3。两者的最大Cp接近，但两叶片发生在较大尖速比时。z两叶片提高转速后增加了的噪声。z三叶片转动的视觉效果好于两叶片。z三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。叶片数源于风剪切的稳定载荷（以叶根挥舞弯矩Mo表示）随机载荷弯曲载荷三叶片机组两叶片机组两叶片机组增加的百分比％主轴弯矩1.5Mo2Mo22%机舱俯仰力矩1.5MoMo(1-cos2ψ)22%机舱偏航力矩0Mosin2ψ22%叶片数对载荷的影响：叶片数94.5.功率控制方式1）（被动）失速控制z最简单的控制方式，利用高风速时升力系数的降低和阻力系数的增加，限制功率输出的增加，在高风速时保持近似恒定。dF＝dLcosφ+dDsinφdT＝r(dLsinφ-dDcosφ)dL=1/2ρCLW2CdrdD=1/2ρCDW2Cdr作用在叶轮上的扭矩：T=∫dTAerofoilDataset63421ClCdCmCoefficientsAngleofAttack(deg)-0.5-1.0-1.50.00.51.01.5-10-20-30-40-50-600102030405060主动失速工作区变桨距工作区翼型的升力特性和阻力特性曲线10主要优点：控制简单，百Kw级多用。主要缺点：1、功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不稳定，甚至是不确定的。2、阻尼较低，振动幅度较大，易疲劳损坏。3、高风速时，气动载荷较大，叶片及塔架等受载较大。4、在安装点需要试运行，优化安装角。5、低风速段，叶轮转速较低时的功率输出较高。（被动）失速控制2）变桨距控制z高风速时，通过转动整个或部分叶片减小攻角，进而减小升力系数，达到限制功率的目的。z主要优点：——更多获取风能；——提供气动刹车；——减少作用在机组上的极限载荷；z桨距角的变化——速率：5°/s或更高；——范围：运行时0～35°；刹车时0～90°。0°时，叶尖弦线位于转动平面内。11功率kW风速m/s额定功率0-2-3-5-413高风速段低风速段桨距角的改变变桨距控制z主要缺点：增加一或三套变桨距系统（电动或液压驱动）123）主动失速控制—采用失速叶片保证功率调节简单可靠；—利用桨距调节在中低风速区优化功率输出，高风速区维持额定功率输出；—在临界失速点，通过桨距调节跨越失速不稳定区。主动失速的技术特点：与传统失速功率调节相比：z可以补偿空气密度、叶片粗糙度、翼型变化对功率输出的影响,优化中低风速的出力z额定点之后可维持额定功率输出z叶片可顺桨，刹车平稳,冲击小，极限载荷小主动失速与被动失速的功率曲线13与变桨距功率调节技术相比：z受阵风、湍流影响较小，功率输出平稳，无需特殊的发电机z桨距仅需微调，磨损少，疲劳载荷小主动失速控制4.7.定速与变速运行定速运行：控制简单，但不能最大限度获得风能。主要问题：z定桨距机组在低风速运行时的效率较低—由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为3~25m/s）；—如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。z发电机本身在低负荷时的效率问题—当P30%的额定功率时，效率90%；—但P25%的额定功率时，效率将急剧下降。解决办法：两速运行和变速运行。141）双速运行将发电机分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。如600Kw机组：6极——150Kw4极——600Kw1.3MW机组：6极——250Kw4极——1300Kw特点：——叶轮和发电机在低风速段的效率提高；——与变桨距机组在额定功率前的功率曲线差别缩小。定速与变速运行功率大发电机功率曲线小发电机切换到大发电机小发电机功率曲线风速大发电机切换到小发电机发电机切换回差双速发电机的功率曲线：定速与变速运行15优点：z在低风速段，改变叶轮转速保持最佳尖速比；z叶轮的低速运行降低了噪声；z叶轮像飞轮一样，调节气动扭矩的波动，使之平稳传给传动系；z通过变流器与电网相连，电能闪烁降低，品质提高。两种变速方式：z宽幅变速：叶轮转速从0到额定转速，发电机静子通过变流器与电网连接。z窄幅变速：叶轮转速从30～50％电机同步转速到额定转速。发电机静子直接连接电网，转子通过滑环和变流器与电网连接。2）变速运行z其它变速运行方式1.变滑差运行2.变速齿轮箱3.自动变速箱变速运行失速调节桨距调节主动失速变速恒频164.8.发电机类型z风力发电机中使用的发电机通常有两种：——同步电机：定速机组较少采用——感应电机：定速机组较多采用z从动力学的角度看，——同步电机可以看作一个扭转弹簧：弹性扭矩正比于转子磁场和静子磁场的角度差。——异步电机可看作一个扭转阻尼器：阻尼扭矩正比于转子磁场和静子磁场的转速差。z在周期性的气动扭矩的作用，传动系要求较大的阻尼。因此定速风力发电机更多地使用异步发电机而不是同步发电机。发电机类型•叶轮输出的周期性气动扭矩17叶轮发电机电网连接传动同步电机叶轮发电机电网连接传动异步电机发电机类型•同步发电机和异步发电机的简化模型z定速机组使用同步电机，它是一个两弹簧两质量系统。在叶轮的周期性扭矩作用下，由于传动系没有阻尼而易发生扭转振动。z定速机组使用异步电机，电机相当于一个扭转阻尼。可以抑制传动系可能发生的扭振。z叶轮的周期性扭矩将出现在叶片的通过频率，该频率常常和连接电网的小型同步机的固有振动频率非常接近。z变速机组的电机不是直接连接电网，因此可以使用同步电机。z对同步电机的使用，人们曾经做过许多尝试。发电机类型18z对于旋转电机的功率输出可表示为：P＝KD2Ln如果降低转速n，则需增加长度L或直径D。显然增加直径更经济。因此直驱式机组通常采用大直径而较短的长度。z感应电机要求很小的气隙，以保证适当的气隙磁通密度。而同步电机的转子上带励磁系统，可以在大气隙时运行。z由于机械和热力学的原因，小气隙的大电机是难以制造的。因此，直驱式机组使用同步电机，永磁激励或励磁绕组激励。z使用同步电机，在电机接入电网前，需要增加一个频率固定的逆变器，因此可以变速运行。发电机类型——直接驱动式机组4.9.传动系支撑的方案1）低速轴的支撑z前后轴承结构19传动系支撑的方案z主轴－齿轮箱一体式结构z后轴承置于齿轮箱内的结构传动系支撑的方案20z直驱式机组的低速轴——连接叶轮轮毂和发电机转子——中空结构，被机舱底板的伸出部分悬臂支撑。传动系支撑的方案2）高速轴及发电机支撑——发电机通常安置在齿轮箱后部、机舱底板的延伸段上，通过高速轴及弹性联轴器与齿轮箱输出轴相连。——发电机轴线通常偏离低速轴轴线。——为解决电缆缠绕问题，有垂直安置电机的方案。传动系支撑的方案21传动系支撑的方案机舱内传动系4.10.塔架的刚度z风力发电机的稳定性是最主要的特性之一。因此设计中的关键问题之一是避免由于叶轮气动推力的周期性作用导致塔架共振。z悬臂式塔架比拉索式塔架的变桨和扭转刚度高。但抵抗相同的弯矩需用的材料较多。z在相同刚度时，栅格式塔架所用材料约为圆筒式塔架的一半。栅格式塔架由于大量铰接点的存在，具有比圆筒式塔架更高的结构阻尼。z如果叶片的通过频率与塔架的自然频率一致时，塔架可能发生过大的应力和变形。z叶片的转动频率可以忽略，因为只有当叶片之间的气动外形有偏差时，才会引起周期性载荷。22塔架的刚度z塔架的分类：——叶轮转动频率：1P，叶片通过频率：3P——刚塔和柔塔：设塔架一阶弯曲固有频率为f，则刚塔：f3P柔塔：1Pf3P（另称为刚塔）高柔塔：f1P（另称为柔塔）。z如果塔架满足强度要求，则它的刚度基本取决于塔架高度和直径的比值。比值越大，塔架越柔。z刚塔的优势在于，运行时不会发生共振，噪声很小。但需用的材料太多，超过强度的需要。因此，通常多用柔塔。塔架的刚度例1某1.3MW风力发电机组选用柔性塔架，风轮转速为19rpm时风轮的转动频率和叶片的通过频率分别为：fr=19rpm/60s=0.317Hzfb=0.951Hz因此，塔架的固有频率f0应满足：0.317Hz＜f0＜0.951Hz实际设计的塔架频率f0为0.56Hz，满足要求。23例2某变速风力发电机组选用柔性塔架，叶轮转速为11rpm和22rpm时叶轮的转