2.4 风力机模型在线视频

风力机是风力发电系统中的动力设备

将风能转换为机械能

本节主要介绍风力机的基本特性

贝兹理论、风力机的运行区域和风力机的功率调节

单位时间内流过风轮的气流所具有的动能

即风功率如式（1）所示

这是理论上可以开发利用的能量

风力机的实际输出机械功率Pm如式（2）所示

式中

Cp为风能利用系数

是表征风力机效率的重要参数

代表了风轮从风能中捕获功率的能力

风力机捕获风能的能力可以由贝兹定律表示

表明风轮从自然界中所获得的风能

在理论上最大值为原有能量的0.593倍

再考虑机械能转化为电能时的损耗

目前风电机组将风功率

转化为电气功率的最优利用系数为0.46~0.48

风力机的运行特性可分为定桨距和变桨距两种

定桨距的风力机的主要结构特点是

风轮的桨叶与轮毂刚性连接

当风速变化时

桨距角β保持不变

此时风能利用系数Cp

只与叶尖速比λ有关

对某一特定的风力机

具有唯一的λ使得Cp最大

称为最佳叶尖速比λopt

对应最大风能利用系数为Cpmax

变桨距风力机的结构特点是

风轮的叶片与轮毂通过轴承连接

需要功率调节时

改变叶片的桨距角

当桨距角逐渐增大时

Cp(λ)曲线向下移动

Cp随之减小

调节桨距角可以限制捕获的风电功率

当功率在额定功率以下时

控制器将叶片桨距角置于0°附近

不作调节

当功率超过额定功率时

变桨距机构调整叶片桨距角

将发电机的输出功率限制在额定值附近

图4所示为不同风速下Cp的变化曲线

随着风速增加

Cp(ωr)曲线向右移动

转速也需随之而增加才能捕获最大功率

从风力机捕获的机械功率和转速之间关系的曲线簇中

连接最大功率点即可得到功率最优曲线Popt(ωr)

如图5所示

对于特定的风力机

其最佳功率曲线是确定的

最大功率和转速呈三次方成正比关系

为了提高风能捕获效率

减小机械应力及输出功率波动

目前大型风电场均采用了变速恒频风力发电机组

根据不同的风速

变速恒频风力发电机组的运行范围可分为四个区域

第一个运行区域是启动并网区域

此时风速从零上升到切入风速

由停机状态进入启动状态

这个区域的主要控制目的是实现风力发电机组的并网

其中风力机的变桨距控制

使发电机快速平稳升速

并在转速达到同步范围时

针对风速的变化调节发电机转速

使其保持恒定或在一个允许范围内变化

第二个运行区域最大功率跟踪区域

第二个运行区域是最大功率跟踪区域

此时风力发电机的转速小于最大允许转速时

风力发电机组要保持变速恒频运行

在这个区域内实行最大风能追踪控制

保证风力机在最大风能利用系数Cpmax下运行

因此该区域又称为Cp恒定区

在Cp恒定区追踪最大风能时

风力机控制子系统进行定桨距控制

发电机控制子系统

通过控制发电机的输出功率来控制机组的转速

实现变速恒频运行

第三个区域是转速恒定区

随着风速的增大

机组的转速也在增大

最终达到机组允许的最大转速

但风力机输出功率未达到最大限度

风力机维持该转速不变

即在恒转速下运行

在此区域一般是由风力机控制子系统

通过变桨距控制来实现转速控制任务

第四个运行区域为恒功率运行区域

当风速继续增加时

风力机输出功率也继续增大

最终导致发电机和变换器的功率达到极限

因此

此运行区域的控制目标是

保证机组的功率在额定值附近而不会超过功率极限

风力机通过调节桨距角

实现在风速增加时机组转速降低

Cp值迅速降低

从而保持功率恒定

风力机的功率调节是风力发电机组的关键技术之一

目前常见的功率调节方式主要有

定桨距失速调节

变桨距调节

主动失速调节三种方式

定桨距失速风力发电机组的功率调节原理

和功率曲线如图7和图8所示

在调节功率时保持桨距角β不变

当风速vw增加时攻角α相应增大

造成上下翼面压力差减小

致使阻力增加升力减少

从而限制了功率的增加

这种现象叫做叶片失速

使输入功率保持在额定功率附近

定桨距失速控制整机结构简单、部件少、造价低

并具有较高的安全系数

但失速控制方式主要依赖于叶片独特的翼型结构

叶片本身结构复杂且工艺难度大

随着功率增大

叶片加长

所承受的气动推力大

叶片刚度减弱

失速动态特性变得不易控制

所以目前很少应用在兆瓦级以上的

风力发电机组的功率控制上

变桨距型风力发电机组的功率调节原理

和功率曲线如图9和图10所示

当风轮的桨叶在静止时

叶尖桨距角为90˚

此时气流对桨叶不产生转矩

当风速达到启动风速时

桨叶向0˚方向转动

直到气流对桨叶产生一定的攻角

风轮开始启动

当桨距角转为0°时

风力机正常运转

而发电机的输出功率小于其额定功率时

风力机应尽可能地捕捉较多的风能

桨距角保持不变

当风速增大使风力机功率高于额定功率时

桨距角β增大

减小功角α

将功率输出始终保持在额定功率值附近

变桨距调节风力机的优点是在阵风时

塔架、叶片等受到的冲击小

整机重量低

但是桨距调节机构复杂

主动失速型风力发电机组的功率调节原理

和功率曲线如图11和图12所示

在高风速时

主动失速调节使桨叶逆风转动

风力机达到额定功率后

调节桨距角β使其向减小的方向转动一个角度

以限制风能的捕获

主动失速控制只需较小的桨距角变化

本节课主要对风力机的特性进行了介绍

下节课见