1、新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）新疆大学科学技术学院College of science technology Xinjiang University学生毕业论文(设计)题 目： 风力发电机组桨距控制系统设计指导教师: 学生姓名： 专 业： 电气工程及自动化班 级： 电气 07-1完成日期： 2011 年 5 月 18 日新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）声 明郑重声明，本片风力发电机组桨距控制系统设计论文是在老师的精心指导以及查阅资料独立完成的，没有任何版权问题，没有剽窃、抄袭他人的成果，否则，由此造成的一切后果由本人负责。本人签名： 新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）新疆大学科学技
2、术学院学生毕业论文（设计）任务书学生姓名 学号 专 业 电气工程及其自动化 班级 论文（设计）题目 风力发电机组桨距控制系统设计 论文（设计）来源 教师科研 要 求 完 成 的 内 容 （ 1） 查 阅 相 关 资 料 ， 掌 握 定 速 风 力 发 电 机组 的 工 作 特 性 （2）查阅相关资料，掌握变速风力发电机组的工作特性 （3）研究桨叶的气动特性，翼型的失速控制原理 （4）研究变桨距控制系统的工作原理 （5）研究主动失速控制系统的工作原理 （6）完成毕业设计说明书一篇 发题日期：2011 年 3 月 9 日 完成日期：2011 年 5 月 18日指 导 教 师 签 名 新疆大学科学技
3、术学院毕业论文（设计）摘 要空气流动所形成的动能极为风能。风能利用形成主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。随着风电技术不断进步，容量逐步增大，单机容量已达几百千瓦，并有兆瓦级风力发电机问世，近十几年来风力发电机产品质量有了显著提高，作为一种新的，安全可靠的，干净的能源而受到国际上风资源丰富国家的关注与大规模开发。桨距控制可以最大限度的捕获风能。桨距控制系统是风力发电机组的关键技术之一，本文对风力发电机组的桨距控制系统做了较为全面的分析及介绍。首先简述了风力发电的现状和发展的趋势，介绍了定速定桨和变速变桨风力发电机组的特点，综述了发电机组的构成及各部件的功能。阐述了课题研究的意义，
4、并提出了本文主要研究的内容。深入学习定速发电机组的失速控制原理，在此基础上对变桨距控制和主动失速控制进行研究。关键字：风力发电机组；定速发电机组；失速控制；变桨距；主动失速；AbstractAir flow formed by kinetic energy extremely wind power. Wind energy formation is mainly will atmospheric motion with the kinetic energy when converted into other forms of energy. The wind technology unceas
5、ing progress, increasing capacity, standalone capacity has reached several hundred kw, and have megawatts wind generators was published, grade nearly ten years wind-driven generator product quality has been improved greatly, as a kind of new, safe and reliable, clean energy and wind resources are ri
6、ch countries by international concern and the large-scale development. OARS from control can maximum capture the wind. OARS from control system is the key technology of wind turbine generators of this paper WTG oar distance control system to do a comprehensive analysis and introduce. First, this pap
7、er expounds the present situation and development of wind power, introduces the trend set OARS and variable speed change several OARS WTG summarized the characteristics of generating units, the composition and function of each component. Expounds the significance of research subjects, and puts forwa
8、rd the contents of this paper mainly studies. Further study using generator stall control principle, on the basis of distance control and active variable oar control stalled. According to their respective characteristics PI control simulation.Keyword:wtg；Fixed speed wind generators ；Stall control；Fr
9、om control variable oar； Active stall新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）目录1 绪论 .11.1 风力发电机的起源 .11.2 2010 年我国风力发电的现状 11.3 2010 年我国风电装机容量 21.4 世界风力发电的现状 .51,5 未来我国风力发电的发展趋势 .61.6 总体概述 .62 风力发电机组的组成 .82.1 叶片 .92.2 轮毂 .92.3 机舱 .112.4 齿轮箱 .112.5 塔架 .133 定速风力发电机组（定桨距失速型） .143.1 双速发电机 .143.2 定桨距风力发电机组的特点 .143.3 失速控制原理 .153
10、.4 定桨距失速调节 .164 变速恒频风力发电机组（变桨距） .174.1 变速的必要性 .174.2 变桨距风力发电机组的优点及其调节 .194.3 变桨系统的工作原理 .194.4 变速风力发电机组的运行区域 .194.5 桨距控制方案 .214.6 变桨距控制 .215 变桨距主动失速型风力发电机组 .235.1 风力发电机组功率控制的方式 .235.2 主动失速技术的优点 .245.3 主动失速型风力发电机组的基本思想 .255.4 桨叶的失速调节原理 .25致谢 .28参考文献 .29新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）11 绪论风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风
11、能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。风能利用已有数千年的历史。在蒸汽机发明以前，风帆和风车是人类生产和生活的重要动力装置。埃及被认为可能是最先利用风能的国家，约在几千年前，他们就开始利用风帆来帮助行船。波斯和中国也在很早就开始利用风能，主要使用垂直轴风车。我国至少在 3000 年前的商代就出现了帆船，到唐代，风帆船已广泛用于江河运输。最辉煌的是明代，14 世纪郑和七下西洋，庞大的帆船队功不可没。明代以后，风车广泛应用，沿海一带主要用于帆船和风力机提水灌溉，制盐。在欧洲到中世纪才广泛利用风能，荷兰人发明
12、了风车。18 世纪荷兰曾用近万台风车排水，在低洼的海滩上围海造田，成为风车之国。成为有名的农用风车，最多达到了600 万台。随着蒸汽机的出现，以及煤，石油，天然气的开采，风力机无法和蒸汽机，内燃机，电动机等相竞争，逐渐被淘汰。到了 19 世纪末，开始利用风力发电，特别是在 20 世纪 70 年代，利用风力发电进入了一个蓬勃发展的时代 1 。1.1 风力发电机的起源1973 年的石油危机之前，风力发电技术仍处于科学研究阶段，主要在高校和科研单位开发研究，政府从技术储备的角度提供少量科研费。1973 年以后，风力发电作为能源多样化措施之一，列入能源规划，一些国家对风力发电以工业化试点应用给予政策扶
13、持，以减税、抵税和价格补贴等经济手段给予激励，推进了风力发电工业化的发展。进入 90 年代，风力发电技术日趋成熟，风场规模式建设；另一方面全球环境保护严重恶化，发达国家开始征收能源和碳税，环保对常规发电提出新的、严格的要求。情况变化缩短了风力发电与常规发电价格竞争的差距，风力发电正进入商业化发展的前夜。 我国风力发电起步于 80 年代末，集中在沿海和新疆、内蒙风能带。19861994 年试点，1994 年新疆达坂城 2 号风场首次突破装机 10 MW(当年全国装机 25 MW)，4 年后，全国装机 223 MW，增长 9 倍，占全球风力发电装机的2.3% 2 。1.2 2010 年我国风力发电
14、的现状装机容量继续增长，但增速明显放缓 2010 年，风电产业依旧是最受人们关注的新能源产业，并已被列入国家七大战略新兴产业。在全球大力发展清洁能源的大好时机下，我国风电装机容量继续保持增长。全年新增装机 1602.2 万千瓦，累计装机 4182.7 万千瓦（如图 1-1）。与 2009 年新增装机 1380 万千瓦、累计装机 2580 万千瓦相比，2010 年风电新增装机增长率仅为 16%，累计装机增长率为 62%，相比过去四年里风电装机容量连年翻番增长的态势，2010 年我国风电装机容量增速明显放缓，风电产业正逐渐步入平稳增长 3。新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）2图 1-1 2006
15、-2010 年我国总装机容量国家重视风电产业，海上风电成为新宠为达到我国在哥本哈根会议上提出的“到 2020 年非化石能源占一次能源消费的比重达到 15%、单位 GDP 二氧化碳排放强度比 2005 年下降 40%-45%”的目标，2010 年，国家陆续出台了一系列促进风电产业发展的法律、法规和产业政策，发展目标更加明确，思路更加清晰，前景非常广阔。此外，根据国家最新的能源规划，2020 年前国家将在新能源领域增加 5 万亿元投资，其中可再生能源投资约 3 万亿元，风电占 1.5 万亿元。同时，2010 年是我国海上风电加速发展的元年。国家能源局 5 月 18 日正式启动了总计 100 万千瓦
16、的首轮海上风电招标工作，分别为滨海和射阳的两个 30 万千瓦的近海风电项目；大丰和东台的两个 20 万千瓦的潮间带项目，并于 9 月 10 日在北京开标。同年 6 月，我国首个海上风电项目上海东海大桥102 兆瓦项目全部并网发电。在国家大力推动海上风电加快发展的形势下，上海、江苏、浙江、山东和福建等省市纷纷提交了各自的海上风电发展规划，各风电企业更是前赴后继进行海上风机的研制与生产。1.3 2010 年我国风电装机容量总体装机容量（见图 1-2）：2010 年中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组 12904 台，装机容量18927.99MW，年同比增长 37.1%；累计安装风电机组 3448
17、5 台，装机容量44733.29MW，年同比增长 73.3%。 4新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）3图 1-2 2010 年中国总装机容量各区域装机情况（见图 1-3）：图 1-3 中国各区域装机情况新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）4各省市装机容量及分布图（见图 1-4）：图 1-4 我国各区域装机分布图表 1-1 各省市装机容量新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）51.4 世界风力发电的现状根据世界风力协会(World Wind Energy Association)于 2010 年 3 月发布2009 年世界风力报告（World Wind Energy Report2009）指出，
18、2009 年全球风力机组总设备容量业达 159.213GW(亿瓦)，并提供 3,400 亿度电力，约满足全球 2%的电力需求。2009 年新增设备 38.312 GW，较 2008 年总设备容量120.903GW 增加 31.7%。该协会推估 2010 年总设备容量将达 203.5GW，2020 年全球风力机组累计设备容量将上看 1,900 GW，约为 2009 年总设备容量之 12 倍。目前风力发电设备容量前 3 名分别为美国、中国、德国，这 3 个国家的风力机组容量计 86.946 GW，约占全球的 55%。若再加上第 3、第 4 位的西班牙及印度，则前 5 个国家合计 117.02GW，
19、约占全球风力机组容量 3/4。显示风力发电技术成熟且前景看好，世界各国对风力发电推广，不遗余力 5。2009 年于丹麦哥本哈根举办的国际气候 COP15 会议，第 15 届签约国会议。中期目标是让世界约 50 个国家，到 2020 年为止温室效应废气排放量削减计划。计划中 EU 国家到 2020 年为止，占所有能源消费量的 20%必须使用再生能源，以此作为设定共同努力的目标。加盟各国家努力开发可能再生能源，就以欧洲共同市场 EU 各国努力以赴的风力发电导入状况分析如下:1)世界风力发电规模比前 1 年增加 41.5%在绿能方面世界各国的定义不同，近两年来各国政府承诺绿能投资金额为 5.000
20、亿美元，其中中国在这方面的投资居冠，投资金额高达 2,180 亿美元，其次是韩国投资金额为 600 亿美元，欧洲共同市场 EU 加上会员各国的投资总金额为 550 亿美元。但是若以绿能化刺激策略的绿色、能源领域(能源效率化、可能再生能源、电力送电网、低碳排放汽车)做为限定范围的话，美国居冠的 660 亿美元，其次是中国的 47 亿美元，EU 为 31 亿美元，韩国是 16 亿美元。根据英国 HSBC 银行集团预估，在绿能化方面的投资金额中，若是以再生能源，以及能源效率技术方面为限，10 年来成长了 3 倍。绿色能源全部的投资金额也受到经济危机的影响，2008 年投资金额高达 1,550 亿美元
21、。但是就世界的风力发电市场来看，并没有受到经济危机的影响，08 年依然成长了41.5%。09 年风力发电累积导入量为 158GW(亿瓦 )(GW=10 亿瓦)，比前 1 年增加 31.7%。2)欧洲风力发电占电力需求的5%EU27 个国家在 09 年的风力能源导入容量担负起世界领导责任。09 年的风力发电导入量超过 10GW，占世界的 26.5%。累积导入容量从前年的64.719MW，增加到 74.767MW，比前 1 年成长了 15%。这也是占世界全体的 47%市场占有率。对 EU 各国来说风力发电(风车，水车)可以说是早已经习惯的风景。在德国搭乘地方火车时，能够从车窗见到风车的风景。就 0
22、9 年新兴导入可能再生能源来看，占全体的 61%，产生的电力为 26GW，其中风力发电占39%。EU 发表到 2020 年为止，能源消费量的 20%以再生能源为目标。若是以EU 各国制定目标来看，到 2020 年为止顺利的话可能再生能源，可以达到全体电力消费量的 34%。其中预估风力发电领域方面约有 14%17%的贡献。欧洲从2000 年以后累积风力发电容量为 9.7GW，约成长了 7 倍的 95GW。针对 EU 在2009 年底为止的统计，风力发电领域的雇用人数为 19 万人，风力发电方面的投资金额为 139 亿欧元。09 年的发电总容量若没有特殊改变的话 162.5TWh，风力发电相当约占
23、 EU 电力需求的 4.8%。新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）63)欧洲是以海上风力发电导入做为主流欧洲 2009 年在海洋风力发电方面的导入容量为 582MW，比 08 年增加56%，占欧洲整体发电设备的 6%左右。累积发电容量为 2,063MW，占欧洲全体发电量的 3%。欧洲的两大市场分别为英国的 883MW，以及丹麦的 646MW。就 2010 年欧洲海洋风力发电容量来看，预定导入 1,000MW，相当于欧洲市场的约 10%左右。海洋风力发电尚处于萌芽期，预估到 2020 年以海洋型的风力发电容量将达到 40GW。由于欧洲海域的优势条件，适合海洋型的风力发电设备，预估这将成为欧洲能源
24、再生的主流方式。此外、欧洲在海洋型风力发电技术方面，局于领先地位，故预估到了 2030 年，风力发电是目前的 7 倍能力，相当于能够供应 30,000TWh 的电力。2009 年为止，海洋型风力发电设备共设立 830 座，通过海底送电网的传送，已经能够供应 2,000MW 的电力。目前在欧洲的 9 个国家，建立了 39 个风力发电系统，海洋型的风力发电也从 1994 年在荷兰外海建设的第 1 座发电能力 2MW，一直到去年的 09 年在丹麦沿海设置的海洋型风力发电设备，能够产生 209MW 的发电能力。最近大型海上风力涡轮设备，主要是基于深海建设技术提高所赐。仅 2009 年就建设了 9 个场
25、所的海洋型风力发电基地，供安置了 201 座风力发电设备，新设置的风力发电能力达到 584MW，09 年在风力发电方面的投资金额为 130 亿欧元。其中海洋型风力发电设备就占了 15 亿欧元。2010 年更增加到 30 亿欧元。1,5 未来我国风力发电的发展趋势海上风力发电已经悄然兴起并且将会成为重要能源形式，海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，从而使海上风力发电技术成为最近的研究和应用热点。中国海上风能资源储量远大于陆地风能，储量 10m 高度可利用的风能资源超过 7 亿 kW，而且距离电力负荷中心很近。随着风力发电的不段发展，陆地上的风力发电机的总和已经开始趋于饱和，那么就需要我们开发新
26、的能源形式，海上风力发电场也就自然而然的成为了新的重要能源开发项目，同时也是风力发电的开发重点。不仅在中国是这样，海上发电也是近年来国际风力发电产业发展的一个新新领域，可谓是“方向中的方向”。随着现代风力发电技术发展的日趋成熟，风力发电机组正不断向大型化发展。大体上大型风力发电机组有两种发展模式。一种是陆地风力发电，其方向是低风速发电技术，这种模式关键是向电网输电。另外一种是近海风力发电，主要用于比较浅的近海海域，这种模式的主要制约因素是风力发电场的规划和建设成本，但是近海风力发电的优势是明显的，即不占用土地，海上风力资源较好。风力发电不仅仅为人们提供电力，同时它也伴随并且促进着经济的发展。风
27、力发电整个过程都不产生任何污染，它既可以为人们提供电力，又可以减少燃料带来的环境污染，从而起到保护地球生态环境的作用，是真正的绿色能源。风电作为清洁的可再生能源，已成为当今世界电力发展的潮流和趋势。1.6 总体概述本文围绕风力发电机组桨距控制系统阐述了近年来我国风电发展的状况、我国风电的装机容量、风力发电机组的先进技术、世界风力发电的趋势及其我国未来发展的趋势。随后介绍了风力发电机组的组成，定速风力发电机组，变速恒 频风力发电机组，变桨距失速型风力发电机组，研究了桨叶的气动特性，新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）7翼型的失速控制原理，其中着重写了：1、我国风力发电近几年的发展，我国在 201
28、0 年的装机容量2、介绍了水平轴风力发电机组的组成3、定速风力发电机组的特点、失速控制原理、定桨距失速调节 4、变桨距风力发电机组的优点、工作原理、控制方案5、变桨距主动失速型风力发电机组的功率控制方式、主动失速的优点、桨叶的失速调节原理最后在论文的总结中对我国的风力发电的技术和桨距控制进行了展望，对未来的风力发电的发展进行了大胆的设想。新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）82 风力发电机组的组成空气流动形成了风，而空气的流动是由地球自转和地球纬度温差形成的。流动的空气所具有的动能称作风能。风力发电利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械设备。风力机经过 2000 年的发展过程，
29、现在已有很多种型式，如图 3-1 所示。其中有的是老式风力机，现在不再使用，有的是现代风力机，正为人们广泛利用，有的正在研究之中。广义的风力机还包括那些利用风力产生平移运动的装置，如风帆船和中国古代的加帆手推车等。风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理构成都能成为风能接收装置，通过旋转、平移或摆动运动而发出机械功。无论何种类型的风力机，都是由风能接收装置、控制机构、传动和支承部件等组成的。近代风力机还包括发电、蓄能等配套系统。目前，水平轴、上风向、三桨叶型、用于并网发电的风力机是当今普遍应用、推广的机型，如图 2-1 和2-2 所示，在机械结构、功率控制和制动系
30、统等方面具有多种选择方案。下面详细介绍典型的水平轴风力机的叶片、轮毂、机舱、齿轮箱、发电机和塔架 6。图 2-1 典型的水平轴定桨距定速风力发电机组结构图新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）9图 2-2 典型的水平轴直驱式变桨变速风力发电机组的基本结构1.叶片 2.变桨机构 3.轮毂 4.发电机转子 5.发电机定子 6.偏航驱动7.测风系统 8.辅助提升机 9.机舱控制柜 10.机舱底座 11.塔架 12.导流罩2.1 叶片叶片是风力机的关键部件。风力机正常运转时，叶片必须承受风载荷和离心力，由于叶片细长而且又重又大，受不断变化的流动空气影响，在地球应力场中运动，其所受重力弯矩的变化相当复杂，
31、当狂风袭来，风轮迎风静止时，叶片又必须经受住最猛烈的风暴。叶片是风力机主要构成部分，当今 95%以上的叶片都采用玻璃钢复合材料，质量轻、耐腐蚀、抗疲劳。叶片的技术含量高，属于风力机的关键部件，大型风力机的叶片往往由专业厂家制造。2.2 轮毂轮毂的作用是连接叶片和低速轴，要求能承受大的、复杂的载荷，中小型风力机采用刚性连接，兆瓦级风力机采用跷跷板连接方式。 1 32 4 5 7869101112新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）10图 2-3 风力机固定式轮毂风轮轮毂是连接叶片与风轮转轴的部件，用于传递风轮的力和力矩到后面的机构。轮毂通常由球墨铸铁制成。使用球墨铸铁的主要原因是轮毂的复杂形状要
32、求使用浇铸工艺，以方便其成型与加工。此外，球墨铸铁有较好的抗疲劳性能。比较典型的轮毂结构有以下三种：(1) 固定式轮毂三叶片风轮大多采用固定式轮毂，悬臂叶片和主轴都固定在这种无铰链部件上（见图 2-3） 。它的主轴轴线与叶片长度方向的夹角固定不变。制造成本低、维护少，不存在铰链式轮毂中的磨损问题。但叶片上的全部力和力矩都将经轮毂传递至其后续部件。(2) 叶片之间相对固定的铰链式轮毂如图 2-4 所示，铰链轴线通过叶轮的质心。这种铰链使两叶片之间固定连接，它们的轴向相对位置不变，但可绕铰链轴沿风轮俯仰方向（拍向）在设计位置作(510)的摆动（类似跷跷板） 。当来流速度在叶轮扫掠面上下有差别或阵风
33、出现时，叶片上的载荷使得叶片离开设计位置，若位于上部的叶片向前，则下方的叶片将要向后。由于两叶片在旋转过程中驱动力矩的变化很大，因此叶轮会产生很高的噪声。叶片的悬挂角度也与风轮转速有关，转速越低，角度越大。具有这种铰链式轮毂的风轮具有阻尼器的作用。当来流速度变化时，叶片偏离原悬挂角度，其安装角也发生变化，一个叶片因安装角的变化升力下降，另一片升力提高，从而产生反抗风况变化的阻尼作用。图 2-4 不同形式的铰链式轮毂新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）11(3) 各叶片自由的铰链式轮毂每个叶片互不依赖，在外力作用下叶片可单独作调整运动。这种调整不但可做成仅具有拍向锥角改变的形式，还可做成拍向、挥
34、向（风轮扫风面方向）角度均可以变化的方式，见图 2-4。理论上说，采用这种铰链机构的风轮可保持恒速运行。2.3 机舱机舱一般容纳了将风轮获得的能量进行传递、转换的全部机械和电气部件。位于塔架上面的水平轴风力机机舱，通过轴承可随风向旋转。机舱多为铸铁结构，或采用带加强筋的板式焊接结构。风轮轴承、传动系统、齿轮箱、转速与功率调节器、发电机（或泵等其他负载） 、刹车系统等均安装在机舱内（见图2-5） 。设计机舱的要求是：尽可能减小机舱质量而增加其刚度；兼顾舱内各部件安装、检修便利与机舱空间要紧凑这两个相互矛盾的需求；满足机舱的通风、散热、检查等维护需求；机舱对流动空气的阻力要小以及考虑制造成本等因素
35、。机舱装配时需要注意的是：从风轮到发电机各部件之间的联轴节要精确对中。由于所有的力、力矩、振动通过风轮传动装置作用在机舱结构上，反过来机舱结构的弱性变形又作为相应的耦合增载施加在主轴、轴承、机壳上。为减少这些载荷，建议使用弹性联轴节。联轴节既要承受风力机正常运行时所传递的力矩，也要承受机械刹车的刹车力矩。图 2-5 大中型水平轴风力发电机的机舱及其内外安装的部件2.4 齿轮箱在有齿轮箱的风力发电机组中，齿轮箱是一个重要的机械部件。由于叶轮的转速很低，远远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，将叶轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到新疆大学科学技术学院毕
36、业论文（设计）12相应的转速。故也将齿轮箱称为增速箱。风力机的设计过程中，一般对齿轮箱、发电机都不做详细的设计，只是计算出所需的功率、工作转速及型号，向有关的厂家去选购。最好是确定为已有的定型产品，可取得最经济的效果；否则就需要自己设计或委托有关厂家设计，然后试制生产。小型风力机的简单齿轮箱可自行设计。风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照传动系统的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。水平轴风力机常采用单级或多级定轴线直齿齿轮（见图 2-6）或行星齿轮增速器（见图 2-7）
37、 。采用直齿齿轮增速器，风轮轴相对于高速轴要平移一定距离，因而使机舱变宽。行星齿轮箱很紧凑，驱动轴与输出轴是同轴线的，因此，当叶片需要变距控制（叶片安装角变化调整）时，通过齿轮箱到轮毂，控制动作不容易实现。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端的形式是法兰盘连接结构。也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置，共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变
38、载荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑、严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如：对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。以水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动为代表结构。新疆大学科学技
39、术学院毕业论文（设计）13图 2-6 定轴线齿轮传动图 2-6 定轴线齿轮传动 图 2-7 行星齿轮传动图 2-7 行星齿轮传动2.5 塔架水平轴风力机的塔架设计应考虑塔架的静动态特性、与机舱的连接、运输和安装方法、基础设计施工等问题。塔架的寿命与其自身质量大小、结构刚度和材料的疲劳特性有关。塔架从结构上可分为桁架式和塔筒式。桁架式塔架在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点为通向塔顶的上下梯子不好安排，安全性差。塔筒式塔架在当前风力发电机组中大量采用，优点是美观大方，上下塔架安全可靠。塔架以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。钢筋混凝土塔架在早
40、期风力发电机组中大量被应用，后来由于风力发电机组大批量生产，被钢结构塔架所取代。近年来随着风力发电机组容量的增加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。图 2-8 塔架高度与风轮直径的关系新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）143 定速风力发电机组（定桨距失速型）3.1 双速发电机事实上，定桨距风力发电机组还存在在低风速运行时的效率问题。在整个运行风速范围内（3m/s25m/s）由于气流的速度是在不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，这就必须要使风轮在低风速时的效率降低（而设计低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态） 。同时发电机本身
41、也存在低负荷时的效率问题，尽管目前用于风力发电机组的发电机已能设计的非常理想，它们在 p30%额定功率范围内，均有高于 90%的效率，但当功率平p25%额定功率时，效率仍然会急剧下降。为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机分别设计成 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。例如 600kw 定桨距风力发电机组一般设计成6 极 150kw 和 4 极 600kw；750kw 风力发电机组设计成 6 极 200kw 和 4 极750kw；最新推出的 1000kw 风力发电机组设计成 6 极 200kw 和 4 极 1000kw。这样
42、，当风力发电机组在低风速段进行时，不仅桨叶具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高水平。从而使定桨距风力发电机组与变桨距风力发电机组在进入额定功率前的功率曲线差异不大。采用双速发电机的风力发电机组输出功率曲线如图 3-1 所示。新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）15图 3-1 风力发电机组功率输出曲线3.2 定桨距风力发电机组的特点桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动的将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。桨叶的
43、这一特性被称为自动失速性能。二是运行的风力发电机组在突然失去电网（突甩负载）的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力，这对于数十千瓦级机组来说问题不大，但对于大型风力发电机组，如果只使用机械刹车，就会对整机结构强度产生严重的影响。为了解决上述问题，桨叶制造商首先在 20 世纪70 年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题；20 世纪 80 年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力发电机组上，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，使定桨距（失速型）风力发电机组在
44、近 20 年的风能开发利用中始终占据主导地位，直到最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机型采用该项技术。3.3 失速控制原理失速型风力发电机组通过风轮叶片失速特性来控制风力发电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。失速型风力发电机组的风轮叶片通过选择失速性能良好的翼型和合理的叶片扭角随展向的分布使叶片在风速大于额定风速后，在其根部开始进入失速，并随风速增加逐渐向叶尖扩展，使功率减少。当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲而使气流加速，压力较低；凹面较平缓面使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升力。桨叶的失新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）16速性能是指
45、它在最大升力系数 Clmax 附近的性能。当桨叶的安装角 （对定桨距风力机而言，桨叶的安装角就是桨距角）不变，随着风速增加，攻角增大，升力系数线性增大，在接近 Clmax 时，增加变缓；达到 Clmax 后开始减小。另一方面，阻力系数 Cd 初期不断增大；在升力开始减小时，Cd 继续增大，这是由于气流在叶片上的分离随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，至使阻力激增，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，如图 3-2 所示。a. 刚启动时 b. 有效运行时（中风） c. 失速时（额定风速附近）图 3-2 定桨距风力机的气动特性失速调
46、节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减小，因而根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。定桨距风力发电机组功率特性还与风轮的转速和风轮叶片的初始安装角等有关。定桨距风力机风轮的转速和叶片安装角一般是固定不变的，因此，由风轮功率特性可知，它只在某一个叶尖速比下，具有最大功率系数。一般失速型风力机设计时，其额定转速不是按在额定风速时具有最大的功率系数来设定的，而是在低于额定风速下具有最大的功率系数来设定的。即使这样，为了使风力发电机组在低风速下运行时也
47、具有较大的功率系数，许多失速型风力机采用双速异步发电机进行切换，使用双速发电机后，可以增加风力发电机组在低风速时的功率输出，但增加的幅度随风速增大而减小。图 3-3 给出 600kW 风力发电机组的功率曲线。一般定桨距风力发电机组在低风速段的风能利用系数较高。随着风速升高，图 3-3 600kW 风力发电机组的功率曲线新疆大学科学技术学院毕业论文（设计）17功率上升趋缓，当风速接近额定风速时，风能利用系数开始大幅下降。对于定桨距风力发电机组而言，不同风轮叶片安装角具有不同的风轮功率特性，因此，定桨距风力发电机组风轮安装时，按风轮设计时选定的叶片初始安装角与轮毂进行连接。但是由于不同地区安装风力
48、发电机组时，其实际的功率特性随空气密度变化而变化，因此，需要通过调节叶片初始安装角（桨距角）来达到额定的功率输出。有的失速型风力机叶片有双失速特性，如定速风力机在额定风速以上运行，有时输出功率低于额定功率 25%，其原因与叶片前缘产生的层流分离泡的破裂有关。这对风力发电机的功率控制是不利的，当改变风力机翼型头部形状或在叶片上加失速条后可以避开双失速特性。3.4 定桨距失速调节定桨距是指风轮的桨叶与轮毂是刚性连接，叶片的桨距角不变。当空气流流经上下翼面形状不同的叶片时，叶片弯曲面的气流加速，压力降低，凹面的气流减速，压力升高，压差在叶片上产生由凹面指向弯曲面的升力。如果桨距角 不变图 3-1（a
49、），随着风速 增加，攻角 相应增大，开始升力会增大，到一定攻角后，尾缘气流分离区增大形成大的涡流，上下翼面压力差减小，升力迅速减小，造成叶片失速（与飞机的机翼失速机理一样） ，自动限制了功率的增加。因此，定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距角伺服执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，并且有较高的安全系数。缺点是这种失速控制方式依赖于叶片独特的翼型结构，叶片本身结构较复杂，成型工艺难度较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力大，使得叶片的刚度减弱，失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组的功率控制上。4 变速恒频风力发电机组（变桨距）现代兆瓦级以上的大型并网风力发电
