风力发电组的控制技术

风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入（电网）和切出（电网）、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的可靠性提出了很高的要求。

与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要

监视电网 、风况和机组运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性与可靠性，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

20世纪80年代中期开始进入风力发电市场的定桨距风力发电机组，主要解决了风

力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，桨叶的节距角在安装时已经固定；而发电机转速由电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨距风力发电机组能够在较短时间内实现商业化运行。

20世纪90年代后，风力发电机组的可靠性已经不是问题，变桨距风力发电机组开

始进入风力发电市场。采用全桨变距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著和改善。风力发电机组的液压系统不再是简单的执行机构，作为变距系统，它自身组成闭环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。

由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到20世纪90年代

中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进入风电场。变速风力发电机组的控制系统与定速风力发电机组的控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，它能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，它增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了高次谐波与功率因素等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。

可以说，风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。

我国的季风环流

未知 (5月14日) 1558 未知 (5月14日) 1255

风的形成之局地环流

风的形成之季风环流

未知 (5月14日) 1220 未知 (5月14日) 1581

(9月17日) 1131

风的形成之大气环流

风速的描述

风力发电的二十五种事实

未知 (4月2日) 1886 未知 (4月2日) 1155 风电场 (12月14日) 1178 风电与生态环境

全国风电场装机情况统计表

风能密度

风电场 (10月28日) 1428 风力资源的估算

风电场 (10月28日)

风电场

空气动力学基础

－－－许刚整

(12月24日) 理

空气动力学基础 1． 动量理论

在本文中，我们将推导出作用在风机叶轮上的功率P和推力T（忽略摩擦阻力）。

1942

3590

由于受到风轮的影响，上游自由风速V0逐渐减小，在风轮平面内速度减小为U1。上游大气压力为P0，随着向叶轮的推进，压力逐渐增加，通过叶轮后，压力降低了ΔP，然后有又逐渐增加到P0（当速度为U1时）。 根据伯努力方程

H=1/2（ρv2）+P…………（1） ρ—空气密度 H—总压 根据公式（1），

ρV02/2+P0=ρu2/2+p1 ρu12/2+P0=ρu2/2+p2 P1-p2=ΔP

由上式可得 ΔP=ρ（V02- u12）/2………（2） 运用动量方程，可得作用在风轮上的推力为：

T=m(V1-V2)

式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量 所以： T＝ρSu（V0-u1）

所以： 压力差ΔP＝T/S=ρu（V0-u1）

由（2）和（3）式可得：

u＝1/2[（V0-u1）] ……………………（4）

由（4）式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值，因此，如果我们用下式来表示u。

u=(1-a)*V0 a 称为轴向诱导因子，则u1可表示为：u1=(1-2a)*V0 功率P和推力T可分别表示为：

T=ΔP*A P=ΔP*u*A 根据方程（2），（3）和（6）可得：

P=2ρa(1-a) 2 * V03A T=2ρa(1-a) V02A 通过定义功率和推力系数：

CP=4a(1-a)2 CT=4a(1-a) 方程（9）和（10）可写成如下形式：

P=0.5ρV03 A CP T=0.5ρV03 A CT 对方程（11）求极值

∂Cp/∂a=4(3a

2-4a+1)=0

求得 a=(2±1)/3=1或1/3 根据公式（6）a<0.5 所以a=1/3时，Cp有极大值

(5) (6) (7) (8)

(9) (10)

(11) (12)

（13） 14）

(15)

（ （Cp）max＝16/27≌0.59 (16)

当a=1/3时，Cp值最大。

２.尾涡的旋转

１. 中的公式推导是基于以下假设：力矩保持线性，没有旋转个发生。

然而，叶轮是通过作用在其上的扭矩Q来吸收风能的，根据牛顿第二定律，尾涡也在旋转，并且其旋转方向和叶轮相反。

U1=2ωrab (17) ω: 叶轮角速度 ｂ: 切向诱导因子

作用在环素dr上的力矩为：

dQ=mutr

=(ρu*2πrdr)utr

=2πr2ρu*utdr (18) m----- 通过环素的质量流

相应的功率为：

dp= *dQ (19)

用a,b和方程（18）可以写出

dp=4πr3Ρv0ω2(1-a)bdr (20)

叶轮吸收中的总功率为：

P=4π(V0/λ2R2) ρ∫0R(1-a)btr3dr (21)

尖速比 =V0/ωr (22)

如图（２），诱导因子分别给V0和ωr一个诱导速度，并且产生一个相对速度W，因为假设的是无摩擦流动，诱导速度必定垂直于W，a和b并不是独立的，有以下关系：

〔bωr〕/[aV0]=[V0(1-a)]/[ ωr(1+b)] (23) λ(r)=V0/ωr (24)

由以上两式可得：

a(1-a) λ2(r)=b(1+b) (25)

如图（3）， 对于小的尖速比λ（r）来说，叶片转速相对风速来说较大，这时切向诱导系数b几乎可以忽略，轴向诱导系数几乎达到了0.333，对于大的尖速比λ（r），尾涡的影响较大，最大功率输出时,a减小到0.25。

如图（4），理想的高速风机（无摩擦）其风能利用系数可达到贝兹极限（Cp=0.593），然而低速风力机如多叶片风机由于尾涡的影响其理论Cp值不会超过0.30

《风机的叶轮》

风电场的风力机通常有２片或３片叶片，叶尖速度50～70ｍ／ｓ，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2～3％效率。甚至可以使用单叶片叶轮，它带有平衡的重锤，其效率又降低一些，通常比2叶片叶轮低6％。尽管叶片少了，自然降低了叶片的费用，但这是有代价的。对于外形很均衡的叶片，叶片少的叶轮转速就要快些，这样就会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些，然而2叶片、1叶片叶轮的轮毂通常比较复杂，因为叶片扫过风时，速度是变的，为了限制力的波动，轮毂具有翘翘板的特性。翘翘板的轮毂，叶轮链接在轮毂上，允许叶轮在旋转平面内向后或向前倾斜几度。叶片的摆动运动，在每周旋转中会明显的减少由于阵风和剪切在叶片上产生的载荷。 叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于５米，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。

世界上大多数大型风力机的叶片是由GRP制成的。这些叶片大部分是用手工把聚脂树脂敷层，和通常制造船壳、园艺、游戏设施及世界范围内消费品的方法一样。其过程需要很高的技术水平才能得到理想的结果，并且如果人们对重量不太关心的话，比如对于长度小于２０米的叶片，设计也不很复杂。不过有很多很先进的利用GRP的方法，可以减小重量，增加强度，在此就不赘述了。玻璃纤维要较精确的放置，如果把它放在预浸片材中，使用高性能树脂，如控制环氧树脂比例，并在高温下加工处理。当今，出现了简单的手工铺放聚脂，通过认真地选择和放置纤维，为GRP叶片提供了降低成本的途径。

传动系统

叶轮叶片产生的机械能有机舱里的传动系统传递给发电机，它包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。齿轮箱用于增加叶轮转速，从20~50转/分到1000~1500转/分，后者是驱动大多数发电机所需的转速。齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以是较昂贵的一种，允许输入、输出轴共线，使结构更紧凑。传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。由于叶轮功率输出有波动，一些设计者试图通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷，这对大型的风力发电机来说是非常重要的，因其动态载荷很大，而且感应发电机的缓冲余地比小型风力机的小。

《风机的塔架》

最普通的塔架类型是钢制或混凝土制的架式或管状塔架。小型便宜的塔架利用拉线支撑。现代中、大型风力机多采用管状塔架。在较差的气象状况下，可以通过塔架内部到达机舱。塔架必须设计的能够承受风载荷和重力载荷。机舱位于塔架顶部，而且偏航系统使机舱转对风向，塔架要装在坚硬的基础上，使它的公正频率避开叶轮诱发的频率，或使共振频率削弱。 钢性塔架是一种其固有频率高于叶片旋转频率的塔架。对柔性塔架来说正好相反，柔性塔架较轻较便宜，但它可以允许更多的位移并承受更大的应力。因为柔性塔架的固有频率低于叶片的旋转频率，每当风力机升速时，将会激起瞬态共振。尽管这种瞬时共振使机舱产生一些位移，但它的时间很短，不会有什么麻烦。