风力发电机调速原理调速方式毕业论文.docx

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风力发电机调速原理调速方式毕业论文

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摘要

自从风力机出现时就对风力机的调速有了一定的需求。

调速的主要目标是实现在不同的风速时，把风力机的转速和功率限制在额定值范围内，以保证风力发电机能够安全运行。

早期的风力发电机就已经具有简单的机械装置以实现这些控制目标，这对于早期的小型风力机是可以满足的。

但是风能产业的发展，风力发电机的尺寸及功率的增加，对于调速的要求也日益提高。

本论文简述了风力发电机的调速原理和不同调速方式，以及不同方式的优缺点，还对风力发电机的前景进行了分析和展望。

首先介绍了风力机调速结构在国内外的研究现状，和风力发电的前景与展望，然后介绍了风力发电机要调速可以通过功率调节方式，主要描述了定桨距失速调节和变桨距调节，定桨距失速调节主要叙述了调速原理和它的优缺点及应用；变桨距调节中除了描述了变桨距的调速原理和优缺点及应用还详述了独立变桨、统一变桨和主动失速调节等多种变桨距调速方式。

最后描述了另外一种调速方式就是通过风力发电机变速运行的方式来实现，描述了变转速的原理、分类、优缺点及运用。

关键词：

风力发电机；调速原理；调速方式

Abstract

Sincethewindmachineappearsonacertaindemandforspeed.Themainobjectiveistoachievespeedatdifferentwindspeeds,thewindturbine'sspeedandpowerlimitationswithintheratingrange,inordertoensuresafeoperationofwindturbines.Earlywindturbinehasasimplemechanicaldevicetoachievethesecontrolobjectives,whichforsmallwindturbinesisearlytomeetthe.Butthedevelopmentofwindturbinestoincreasethesizeandpowerofthewindenergyindustry,forthegovernor'srequirementsareincreasing.

Thispaperoutlinestheprinciplesofwindturbinespeedgovernoranddifferentways,andtheadvantagesanddisadvantagesofdifferentways,butalsotheprospectsforwindturbinesareanalyzedanddiscussed.Firstlyintroducedwindturbinespeedprospectandprospectresearchstatusofthestructure,andwindpower,windturbinesandthenintroducedtothegovernorbythepoweradjustmentmethod,describingthefixedpitchstallregulationandpitchregulation,fixedpitchstallspeedadjustmentmainlydescribestheprincipleanditsadvantagesanddisadvantagesandapplications;pitchadjustmentinadditiontothegovernorandtheapplicationoftheprinciplesanddescribestheadvantagesanddisadvantagesofvariablepitchalsodetailstheindividualpitch,unitypitchandactivestallregulationandotherpitchspeedmode.Finally,thegovernordescribedanotherwayisthroughwindturbineswaytoachievevariablespeedoperation,describestheprinciplesofvariablespeed,classification,advantagesanddisadvantagesoftheuse.

Keywords:

windturbines，governorprinciple，Speed​​mode

目录

第一章绪论1

1.1课题研究的背景及意义1

1.2课题研究的现状1

1.2.1风能的发展现状1

1.2.2本课题国外的研究现状2

1.2.2本课题国内的研究现状4

1.3本课题的研究内容5

第二章定桨距失速调节6

2.1定桨距失速调节方式6

2.2定桨距失速调节方式的分类7

2.2.1偏向式7

2.2.2气动阻力式12

2.3定桨距失速调节的优缺点与应用13

第三章变桨距调节15

3.1变桨距调节的原理15

3.2变桨距调节的分类15

3.2.1主动失速调节方式16

3.2.2统一变桨距调节17

3.2.3独立变桨距调节19

3.2.4机械离心式20

3.2.5弹（柔）性变桨距23

3.2.6机械离心螺旋副变桨距24

3.2.7风压变桨距25

3.3变桨距调速方式的优缺点及应用27

第四章变转速运行调节28

4.1变转速运行调节的原理28

4.2变转速调节的分类28

4.2.1双速运行29

4.2.2变速运行29

4.2.3变滑差运行29

4.3变转速运行调节的优缺点及应用29

第五章结论30

参考文献31

谢辞33

第一章绪论

1.1课题研究的背景及意义

从古代开始，风就以不同的方式被开发利用，主要是用来磨谷及抽水，但自十八世纪第一次工业革命后进入蒸汽时代以来，风能逐渐被化石燃料所取代，风车仅在农业上用来抽水，与此同时，世界能源消费剧增，能源结构产生了变化，化石能源被迅速消耗（1970年左右出现了石油危机，风能技术发生了一次重大变革）。

从此石油的价格上扬，缺乏石油资源的国家纷纷探究新能源，于是风能产业拉开了序幕。

风能是通过太阳能辐射转化而来，是现在增长最快的清洁、可再生能源。

近些年来，世界各国的风力发电的进展程度都超过了人们的预期。

风力发电技术越来越受到各个国家的重视。

根据世界风能协会的权威专家估计，全世界的风能资源估计达到了280000万MW，抛开不能利用的，可利用的风能大约有2000万MW，这对优化能源结构，缓解能源危机，推动全球性的节能减排和新能源发展，对于能源经济健康有序的发展都有着不能低估的影响。

即便是大力发展风电产业迫在眉睫，但我们不得不考虑自然界可利用的风也难以捉摸，无时无刻不在发生变化，这就对于风能的利用有着直接的影响。

所以我们要根据当地的风速，地形，选择合适的风力发电机，选择合理的调速方式就成为风能产业发展的关键问题之一。

1.2课题研究的现状

因为自然界的风变幻无穷，风向和大小都不能确定，我们必须保证当风速不等于额定的风速时候，风力发电机的转速以及功率能够受到系统的控制。

经过多年的发展，风力发电机的转速调节技术经历了几个阶段，从定速定桨到变速变桨的运行模式，从并网供电的角度来看也不会影响整个电网的运行了，实现了供电的重要目的。

1.2.1风能的发展现状

风能是一种不可忽视的、清洁的、可再生的新能源，多年就被各个国家纳入电网计划。

对风电以及相关设备的投资和研发力度也逐渐加大，总装机容量呈直线上升。

全球风能理事会在今年2月上旬布了《2013年风力发电发展报告》谈到，2013年全世界风电累计装机容量高达3.1亿kW，是去年的1.125倍，据估计计明年新增装机规模将超过今年。

我们可以知道风电产业发展之迅猛早就超出我们的预估之外。

该年报还显示，2013年累计装机总容量大于2000万kW的国家有五个，分别为中国、美国、德国、西班牙和印度，然而中国处在领头羊的位置，累计总装机容量达到9150万kW，美国的6200万kW和德国的3500万kW紧跟其后，而且中国在2013年也是新增容量排名在前的国家，为1610万kW，紧随其后的德国和英国，分别为324万kW和188万kW。

经过几十年的研究发现，我国的陆地风能储量接近2.亿kW，海上有7.5亿kW左右，照这样计算我们可开发利用的资源就接近10亿了，据中国报告大厅记者了解：

“我们国家的风能产业已经步入正轨，仅2013年前7个月中国风电新增装机就多达500多万千瓦，装机容量排高居榜首，而且发展风电产业的企业已经开始得到回报。

其风能资源分布也很广，在东南沿海地区受台湾海峡的影响，风功率密度高的可达500W/m2以上，低的也在200多W/m2以上，可利用小时数在7500小时左右；“三北”（东北，华北，西北）地区风功率密度低的在200-300W/m2，有的地区高于500W/m2以上；像由于湖泊和特殊地形的影响也会形成较为丰富风能的内陆地区（如湖南衡山，河南的嵩山，山西的五台山，安徽黄山），还有海上资源都是风能开发利用较好的地方。

近年来，国家电网的覆盖率较以前都有较大程度的提高，这样我们国家要投建大型的风电场就有了保证。

虽然我国风电事业发展时间不长，可是这些年却培养了不少的技术骨干，这就为今后的风电产业发展奠定了人才基础。

虽然我国的风电产业发展迅速，但是跨越式发展未必兼顾了最核心技术的发展，很多设备还得通过进口，这可能会影响风电产业的将来发展，所以大力促进我们的自己的研发能力（包括发电技术和发电设备的研发），在当前来说也是重中之重的，我国的地形复杂每个地方的安装的风机所用的调速技术是不能一概而论的，所以研究调速技术是技术研发的的核心之一。

1.2.2本课题国外的研究现状

由于国外发展风力机比国内发展早，尤其是美国，德国，丹麦等国家。

随着技术的发展，风力机发电机正在向50kW—2MW，甚至还有5MW大型风力机发展，同时还朝着集中安装，集中控制的方向发展，也是现在的主流趋势之一。

德国Repower公司生产的Jacobs系列风力机就是采用变桨距调节方式，功率为600kW。

比利时一家公司研究的一种新型高效风力发电机，装有计算机，计算机专门控制每架风机上的三个叶片的倾斜度，以适应风力的变化。

改发电机还装有保险装置当遇到强风时，叶片能自动回到安全位置，采用的是独立变桨的调速方式。

德国西门子公司开发的（直驱式）无齿轮同步发电机安装在世界最大的挪威风力发电场，最高效率达98%[5]。

Nordex公司生产的N60/1300以及N62/1300两类风力机，功率为1.3MW，而且都是采用变桨距调节方式，可以用于热带、寒带、沙漠等不同的地区，而且风速在3-25m/s都可以运行，而N60用于高风速，N62用于低风速[5]。

BONUS公司生产了1MW风力发电机，采用变桨距调节[5]。

Repower公司生产的MD70风力机采用双馈异步发电机，通过变频器调节转速，使得风能利用率，供电质量以及噪声控制及低风速方面都是很大的提高[5]。

除了对风力机本身以及调速方式的发展，国外对风力机相关的一些理论知识也又有了很多相关的发展。

例如丹麦一大学教授M.L.Hasnsen结合了空气动力学和气动弹性力学，假设出一种风力发电机模型同时考虑空气动力学和气动弹性力学[6]。

日本一风电企业研发组组员Kishinaik对一个处在运行状态的风机做了叶片稳定性的实验测试研究[6]。

丹麦科学家Joheanmorrn验证了风力发电机在风速不等于额定风速时的惯性激励问题[7]。

荷兰风力研究院院士Delft用实验数据，得出了当风速不变时，风力发电机的动态性能研究办法[8]。

瑞典的M.Char在计算机上模拟了风力发电机所受载荷的模型，并指出了这种模型在现实中应该怎么使用[9]。

土耳其大学教授的EavaAKpina在前人对风了解的基础上，提出了风与季节的变化规律，同时研究了风机的气动特性与风的特征之间的关系[10]。

荷兰的Wimmie提出了在阵风的作用下，怎么保持风力发电机功率稳定输出，并提出此时风能参数该怎么统计，并通过模拟进行了说明[11]。

美国的P.Jera做出了一个兆瓦级变转速无刷化智能控制风力发电机模型[12]。

这些实验和研究表明了，以理论建模，然后做模型试运行和对正在运行中的风力发电机进行数据采集，这样数据具有真实性，模拟也具有针对性，这对以后风力发电机的设计有着不可忽视的作用。

经过多年的发展，西方国家不但拥有先进的技术，还有着自己的检测系统以及制造和运行的标准，有了这些前期的工作和研究，就为以后的设计和制造奠定了基础，尤其是为风力发电机大容量化、变桨距、变转速和无刷化方向发展创造了条件。

1.2.2本课题国内的研究现状

自改革开放以来，我国的风电产业有了很大发展，与之相关的理论研究和设计生产，商业化和并网技术都有了很大的发展。

新疆金风科技股份有限公司经过3年多三年多研发，制造出我国首台直驱式、永磁风力发电机，这台风力发电机功率为1.2MW，采用的是变桨距调节转速的方式。

沈阳工业大学风能技术研究所，经过数十年的努力完善了风力发电机设计、制造、安装的标准，成功的研制了一系列不同功率的风力发电机，有十几千万用于偏远地区而国家电网不能触及的地方的离网小型风力发电机，也有可以并网的多兆瓦级风力发电机[16]，从调速方式有主动失速调节，有变速调节的智能型风力发电机。

汕头大学能源研究所经过20多年的研发[17-21]，已在风力发电机叶轮的空气动力学方面取得了重要成果，他们对风力发电机翼型的气动性能、叶片的动力学理论建模与数值分析、风力发电机动态响应特性等进行更深入的研究，通过计算机模拟软件模拟了风力发电机动态过程。

以上论述，说明了我们国家已经具备了向大型化、变桨距、无齿轮、无刷化方向发展的基础了。

与此同时，我们国家对风力发电机的试验测试也有了不小的进展。

上海交通大学风力发电机研究专家杜朝辉教授，在水平轴风力发电机风轮的失速特性、尾流场效应方面取得了突破性的进展，提出了测试分析风轮静态结构性能的方法，还采用复合载荷进行试验并获得的数据，并综合评定了叶片受不同载荷后的强度和变形程度，最终根据实验数据还画出了截面弯矩曲线图[22]。

清华大学的贾要勤博士搭建了一个模拟风力发电机试验台[23]，刘红教授通过现场和模拟和试验的方式找到了提高风力发电机翼型升力的方法[24]。

浙江大学的林勇刚博士研究了基于支持向量机的叶片变桨距、双模型切换预测控制方法[25]。

华北电力大学的刘其辉博士对配备直流电动机的风力发电机性能进行了模拟分析[26]。

华南理工的杨金明博士，研究了最大风能捕获控制问题[27]。

山东大学的陆萍教授，用有限元法对塔架的结构动态性能、响应模态进行了分析比较研究[28]。

迄今为止，中国科学研究院电工研究所、新疆大学和新疆金凤科技股份有限公司，经过多年的研究和积累，在失速型风力发电机的控制方面积累了丰富的经验。

清华大学在风力发电机叶片的气动特性、振动方面以及怎么延长风力发电机的寿命，都取得了重要的新成果[7]。

不过在风力发电机的性能测试方面研还没有一个完整的标准。

1.3本课题的研究内容

本课题研究的主要内容包括：

1.风力发电的现状

分析了国内外近年来的装机总容量，以及国内发展现状的具体分析。

2.定桨距失速调节转速

分析了定桨距失速调节的原理，以及定桨距失速调节的分类及优缺点。

3.桨距调节转速

分析了定桨距调节和变桨距调节的原理，以及定桨距与变桨距的分类和优缺点。

4.变速调节转速

分析了变速调节的原理和优缺点。

第二章定桨距失速调节

风力发电机要调速可以通过功率调节方式和风力发电机变速运行的方式来实现，而功率调节方式又可以分为两种种：

第一种是定桨距失速调节，第二种是变桨距调节。

下面我们首先介绍定桨距失速调节方式。

2.1定桨距失速调节方式

定桨距是指风力发电机的叶片与轮毂固定连接，在风力发电机运行的过程中桨距角不随着风速的改变而改变。

所以，定桨距失速调节是通过叶片的气动特性限制功率的增大，其中的原理如图2-1所示。

图2-1定桨距失速调节前后效果图

在图2-1中左右两图我们可以发现：

当空气流过叶片的翼型的上下表面的时候，由于翼型的上下表面的形状不同，这样就会产生一个压差，从而产生升力FL。

假如桨距角不变，那么随着风速V的增加，攻角α也将会增大，升力系数CL近似线性增加，达到最大后开始减小，阻力系数CD先减小后增加，在升力开始减小后，CD继续增大。

当达到一定攻角后，尾缘气流分离区增大而形成大的涡流，翼型上下表面压力差减小，阻力迅速增加，升力迅速减少，气流失去翼型效应，造成叶片失速，自动限制了功率的增加。

定桨距失速调节利用叶片翼型的自动失速特性来限制风力发电机的功率输出，实现了风轮捕获功率与发电机功率的相互匹配。

2.2定桨距失速调节方式的分类

通过定桨距失速调节方式调节的风力发电机可以按照机构分为：

气动阻力式、偏向式、阻尼板式、空心叶片式、阻力叶式、等等。

其中偏向式是传统风力发电机普遍采用的自动调速机构；气动阻力式多用在定桨距大中型风力发电机上，作为制动系统的辅助机构，我们下面着重介绍偏向式和气动阻力式。

2.2.1偏向式

当风速高于额定风速时，风轮偏离主风向，减少迎风面积，来控制风轮的转速，达到保护的目的。

如图2-2、图2-3采用定桨距、风轮偏侧限速的风力发电机。

一般要偏离风向我们都采用电驱动的方式，而风轮偏离风向后要复位所需要的平衡力一般通过三种方式提供：

第一种是采用弹簧力，如图2-4中所示；第二种是尾舵重力矩，第三种则是舵板翻转力力矩。

图2-2采用定桨距、风轮偏离风向调速的风力发电机

图2-3采用定桨距（带启动翼）、风轮偏离风向调速的风力发电机

图2-4偏向式调速（采用弹簧力为平衡力）

按照风轮偏置之后，使得风轮复位提供平衡力机构的不同，可以将偏向式分为三种不同的机构，分别为：

风轮偏置、尾舵重力矩复位限速，风轮偏置、翻转舵板限速，风轮上仰偏离风向限速。

2.2.1.1当风轮偏置后靠尾舵重力矩来复位限速机构

采用这种限速一般都是用小型风力发电机上，其控制原理：

当是在尾舵交接处安装一个向后倾斜的铰链销的结构，通过重力的反作用力矩对风力发电机施加转矩，这样就可以产生一个气动偏转力矩，也可以直接让风能复位。

风轮的转速和偏转角度决定了气动偏转力矩的大小，气动的转动力矩和风速和偏侧角度的大小有直接关系；铰链销的暗转的角度和风轮的偏侧角决定了尾舵重力矩的复位力矩的大小但是使用该机构有一定的必须在设计上和制造保证三点要求才能保证风力发电机正常运行：

第一点是当风速处于额定风速时候，设计者和制造商必须保证风轮能够正对风和风轮偏置后的气动偏转力矩应与尾舵重力矩的复位力矩必须保持平衡，不然就会产生振动，导致功率不能正常的输出，如图2-6所示。

图2-6采用风轮偏置、尾舵重力矩复位限速机构的风力发电机在正常运行状态

第二点是当风速超过额定风速时，设计者和制造商能保证改变风轮偏侧角度就能把所有大于额定风速在轴向的分速度维持在额定风速左右，还得保证风轮在不同的偏侧角度下能使风轮的气动偏转力矩和尾舵重力矩的复位力矩既能相平衡也能同步变化，也就是说在调速过程中无论风速怎么变化风轮都可以任意无卡滞的灵活偏转。

如图2-6所示。

图2-6采用风轮偏置、尾舵重力矩复位限速机构的风力发电机在限速状态

第三点是风力发电机运行过程中不允许出现的剧烈震荡

2.2.1.2风轮偏置后舵板通过翻转产生力矩复位的限速机构

这种限速机构安装需要几个步骤：

首先在风力发电机的回转体上刚性固定一个尾杆，然后在尾杆的末端装配可以调整倾斜角的舵轴，第三步在舵轴上装配一个舵板。

如果我们要改变尾舵的迎风变向力矩，只需要改变舵轴的倾斜和调整上下舵板质量配置就可以简单实现，如图2-7所示。

这种舵板的实际调速原理如下：

（1）当风速等于额定风速时，风轮的偏转力矩和尾舵的迎风调向力矩相等，此时风轮正向对风，输出额定功率，如图2-8所示；

（2）当风速大于额定风速后，风轮的偏转力矩的偏转力矩与尾舵的迎风力矩不平衡，这时风轮会通过绕塔架顶部的轴承旋转，从而偏离风向，这样转速就被限制了，功率也会以额定值输出；（3）当风速小于额定风速时，通过改变尾舵的倾斜角，调节舵轴上下板的质量使得尾舵的迎风力矩，就可以克服风轮的偏转力矩，使风轮回到正面对风的状态，风力发电机也进入正常的运行状态。

图2-7舵轮不同倾斜角对风调向力矩的影响

图2-8采用风轮偏置、翻转舵板限速机构的风力发电机

这种调速机构虽然简单，但是整体的的优点却不少，一是风力发电机在调向、调速时风力发电机回转体部分转动平稳，基本不会产生太大的振动，二是在机构的连接处所承受的载荷不大，所以转动部位风磨损也就减少了，这就增加了风力发电机的使用寿命。

2.2.1.3风轮上仰偏离风向

这种方式是在塔架上安装一个可以回转的支架，然后把风轮轴铰接在支架上，这样可以产生一个可以变化的偏心距。

其调速原理如下：

（1）当风速等于额定风速时，在风力发电机在重力（或着弹簧力）的作用下使得风轮正向对风，输出额定功率；

（2）当风速大于额定风速时，由于风轮的偏转力矩不等于原有的重力矩（或弹簧力矩），迫使风轮可以回转的支架上仰起而偏离风向，使得风力发电机的转速不变；（3）当风速小于额定风速时，风轮的重力（或弹簧力）的作用下，恢复到正向对风的位置。

图2-9为采用风轮上仰偏离风向限速机构的风力发电机正常状态和限速状态。

图2-9风轮上仰偏离风向风力发电机工作状态和限速状态

2.2.2气动阻力式

气动阻力式是指桨叶的叶尖设计为能绕着轴旋转的形式，当风速小于等于额定风速的时候时候，风力发电机的运行不受影响，叶尖和其他部分运行的方向相同，功率不受影响；当风速大于额定风速时，叶尖可以绕着控制轴转90°或60°，这样就可以产生空起阻力，从而对风轮起制动作用，如下图2-10所示。

图2-10气动转矩式

其中叶尖的长度是叶片半径的1/6左右。

一般常见的是由液压系统、伺服电机、弹簧来驱动它旋转，这种调速机构要完全停下来不能只靠叶片，只能作为制动系统的辅助机构将转速限制在一定的范围内。

总的来说，定桨距调速机构构成相对简单，生产也比较容易。

就是因为活动部件少也使得了这种结构应力连续而无突变，从而使得风力发电机的是有年限更长。

即便这样我们不能忽视的是在叶片在风能上高速旋转，假如有不是所有叶片同是调速，就会产生一个力矩造成震动，长此以往就会导致风力发电机使用寿命减小，严重的时候，装置可能当场就被破坏。

随着这些年风电产业的发展，只有部分地区使用定桨距风力发电机，大部分地区都更新为变桨距风力发电机。

2.3定桨距失速调节的优缺点与应用

定桨距失速调节方式的优点是：

没有功率反馈系统和变桨距执行机构，所以部件少，造价低，但却简单可靠。

但是发电机的功率是依靠桨叶的气动特性，而气动特性又是随着风速的改变而改变，不能使风力发电机最大限度在最佳尖速比的情况下运行，而且叶片结构复杂，加工工艺难以满足，叶片长度是根据功率的大小而定的，功率越大，叶