小型风力发电机的转速与功率控制.ppt

小型风力发电机的转 速与功率的控制 7.小型风力发电机的转速与功率的 控制 可归纳为四种方式： 1.定桨距失速； 2.定桨距阻尼板； 3.定桨距风轮偏侧 ； 4.变桨距 ： a.利用 离心惯性力 ； b.利用风压变桨距。 在现有产品中采用 风轮偏侧 和 机械离心变桨 两种方式比较 普遍。 7.1风轮偏侧式控制机构 风轮偏侧有 侧向偏转 和 上仰 两 种运动方式。图 18画出了风向偏 折后风速矢量的变化。当风轮偏 离风向 1角度时 ,吹向风轮的风 速 降低为 V1=V*cos1,风轮转 速 降低比例为 cos1/1，而 功 率 减小的比例是 cos31/1。因 此当风速高于额定风速时，要使 风力机的转速与功率维持不变， 必须使风轮偏侧一定的角度。 图 18 偏侧角度的理论计算值如下表： 7.1.1风轮偏转，尾舵调向，弹簧复位的限速 机构 风轮偏侧常采用 偏置风 轮 的结构。如图 19所示， 塔顶回转中心与风轮轴轴 线偏置一个距离 e，当风 压施加到风轮上会产生绕 回转中心转动的力矩，此 力矩称为气动力矩。它的 大小与 风压大小 和 偏置距 离 有关。 图 19 风力发电机正常运行俯视图 为使风力发电机在额定风速及低于额定风速时风轮保持正 对风向，则应把弹簧的拉力调节到能够与风轮的气动力矩 相平衡。 平衡方程： M=M气动 M弹簧 M摩擦 =0 式中 M气动 风压作用于风轮对回转中心的力矩； M弹簧 弹簧回复力矩， M弹簧 =PL ； P 弹簧拉力； L 弹力作用于回转中心的力臂； M摩擦 机头回转摩擦力矩； 7.1.2风轮偏置、尾舵调向并重力蓄能复位的 限速机构 图 20画出了重力蓄能复位限速机构的工作原理图。在 o-x、 o-y、 oz坐标系中， ox与风轮轴重合， oy与风轮盘面平行， z为 垂直坐标轴。图中 AB为竖销， 为后倾角， 为左倾角， 角 是复位机构设置的初始安装角。当 ， 确定之后， 即确 定， 角是尾舵的自由稳定位置，及尾舵重力矩在垂直于竖轴 的平面上的分力距为零的状态。如图 20所示，当把尾舵摆动一 个角度，尾舵在抬高的同时产生了重力矩的切向分力矩，并且 随摆角的增大而加大，当尾杆从初始 转至 90 时复位力矩最 大，在工程实践中对尾舵的复位力矩有一个简便的算法，如图 示，设置 角和 角之后，竖轴 AB与 oz形成夹角 和方位 角 ，当 ，复位力矩为零，当 时，复位力矩最 大，复位力矩来自尾舵的重力钜，可以写出如下计算式： oj oj oj oj o0=j o90=jj 式中： G 尾舵重力 L 尾舵重心点到竖销距离 竖销轴线与垂直线的夹角 复位机构在摆动平面内的方位角（以尾舵复位力矩为 零时尾杆所在位置为零度） 在额定风速时，在方位角 时，尾舵产生的复位力矩和额风 速时下风轮的气动偏转力矩以及回转重心的摩擦力矩要达到 平衡，此时 角和 角要协调好。在超过额定风速时，风轮 的气动偏转力矩较大，尾舵的复位力矩要与其平衡，此时尾 舵的复位力矩主要取决于 角的大小、尾舵的重力和尾舵重 心到竖销的距离。 M G L s i n s i n= 鬃 ?复 位 j o o 图 20 尾舵由尾杆和舵板组成 。 尾杆和舵板固定在一起 ， 尾杆 前端与回转体之间用竖销铰链 ， 如图 21所示 。 相对于风 力发电机 ， 风轮为前 ， 尾舵为后 ， 以俯视分左右 ， 偏置的 回转中心在左侧 ， 竖销设置成后倾角 ， 左倾角 。 如图 所示尾舵的重力矩施加到竖销上将产生绕竖销的转矩 ， 转 矩的大小取决尾舵的重力矩和 、 角的大小 。 在正常运 行状态 （ 尾舵顺风 ， 风轮正对风向 ） ， 于竖销左侧设限位 挡块 ， 为重力复位限速机构设置了初始方位角 调整尾舵重 力矩 ， ， 角使其产生的复位力矩与额定风速下风轮的 气动偏转力矩 ， 回转重心的摩擦力矩相平衡 。 当超过额定 风速 ， 风轮在增大的风力作用下 ， 克服了尾舵在方位角 时 的复位力矩 ， 向一侧转动 ， 偏离了风向 ， 释放风能 ， 限制 了风轮转速的增长 。 当风速降低时 ， 尾舵的复位力矩大于 风轮的气动力矩 ， 将风轮反弹回正对风位置 。 o o 尾销倾斜 回转中心偏置 图 21 7.1.3风轮偏置、尾舵调向、活络舵板限速机 构 与 7.1.2所述的结构不同之处在于 尾杆与回转体固定 ，在尾 杆末端安装 可以调节倾角的舵轴 ， 舵板与舵轴 之间为可以转 动的 铰链连接 ， 舵板 以本身的重力 保持下垂状态 。如图 22所 示。从俯视图可以看到风轮与尾杆轴线不平行，尾杆向左后 方有约 10 夹角。设置这个角度是为了在额定风速下尾舵产 生的调向力矩与风轮的气动偏转力矩相平衡，使风力发电机 能输出额定功率。当风速再增大时风轮的气动偏转力矩大于 尾舵的调向力矩，风轮开始偏侧。通过调节舵板的重量和舵 轴的倾角可以改变风轮偏侧的起始风速和不同风速下风轮偏 侧的角度。 图 22 7.1.4尾舵调向、电动舵轮偏航限速机构 如图 23所示， 正常 运行 状态由 尾舵调向 使 风轮正对风向。当 超过 额定功率 时超限而分流 的电能输入到电动舵 轮， 电动舵轮旋转 产生 拉力使风轮偏侧风向， 限制了风力机的输出功 率。 图 23 1风轮， 2发电机， 3尾杆， 4舵板， 5舵轮 7.2机械离心变桨距机构 7.2.1桨叶离心力螺旋槽变桨距机构 如图 24所示。风轮旋转时， 桨 叶 连同 带有螺旋槽的桨杆 在离心 力的作用下，克服调速弹簧的弹 力向外周甩出，在甩出的同时 沿 螺旋槽转动改变桨距 。改变调速 弹簧的工作 压力 可以调整 额定转 速 ，改变调速弹簧的 刚度 可以调 整 转速和桨距角的对应关系 。在 机构中设置 同步机构 ，可以使各 桨叶的桨距角的变化保持一致。 图 24 7.2.2离心飞杆弹（柔）性变桨距机构 按空气动力优化设计制作的桨 叶，其质心不在桨叶轴上，于风 轮旋转平面之外安装一个 飞杆 （或重块） 在桨杆上，桨杆做成 弹性构件固定到轮毂上，如图 25 所示。当风轮旋转时位于旋转平 面之外的质量（含桨叶和飞杆等 ）在离心力的作用下，会使桨叶 绕桨杆偏转，直至进入盘面内。 图 25 1.轮毂 2.弹性桨杆 3.滑块 4.飞杆 5.叶片 桨叶偏转的力矩： 式中 I为桨叶对桨轴的转动惯量（ kg m s2）； 1为桨叶质心所在平面与风轮旋转平面之间的夹角； m为飞杆质量（ m=G/g， G为重量 kg， g为 9.8m/s2）； r为飞杆质心到桨轴的垂直距离（ m） 2为飞杆质心所在平面与风轮旋转面之间的夹角； 为风轮旋转角速度（ rad/s） 改变飞杆的质量、质心与桨杆距离和夹角 2可以调节机 构对桨叶的偏转力矩。调整弹性桨杆的扭转应力及应变转角 可以满足变桨距控制风轮的要求。实际运行结果表明采用这 种机构机组运行非常平稳，特别适合于负向主动失速控制。 7.2.3离心飞杆机械变桨距机构 这种结构的工作原理如图 26所示，受 力分析运动图仅画出一个桨叶。桨叶 绕水平轴 OX在 OAB面内旋转，桨杆 用轴承安装在水平轴上，可以自如转 动，支杆 r固接在桨杆 A处，端部是垂 块 G，垂块所在平面 OAG与风轮旋转 平面（ OAB）之间的夹角为 。当风 轮旋转时垂块的离心力可分解为：沿 ABG面的切向分力 F和平行于桨杆 的轴向分力 Fc。切向分力 F使桨叶 绕桨杆轴线转动，加大迎角而进入失 速状态。 图 26 扭转桨叶的力矩大小与桨叶对桨轴的转动惯量、垂块的 质量、垂块质心距桨轴的距离、 角、风轮角速度有关。 图 27是一种典型的飞杆变桨距机构。它包括启动弹簧 1，同 步拉杆 2，调速弹簧 3，导向体 4，风轮毂 5，叶片法兰 6，飞 杆 7，叶片轴 8，同步盘 9。叶片安装在叶片法兰上，受飞杆 离心惯性力的作用，叶片法兰，叶片将绕叶片轴转动，通过 改变桨距角调节风力机转速和功率。 图 27 结构中设置启动弹簧的目的是使桨叶在静止待机时具有较大 的安装桨距角，在风速小于 3m/s之前风轮即可起动。 7.2.4风压变桨距机构 利用风速风压的变化，在风速风压超过某限定值时，桨叶 绕自身桨轴转动，并随风压不同而偏转不同的桨距角。为 此，桨叶的机械转轴应安排在桨叶受到风压时能够产生顺风 向转动的力矩。 如 28图所示， 桨叶气动压力和风压 中心距机械转轴的距离决定了桨叶 的偏转力矩。 自如转动的桨叶通过 同步曲柄连杆机构与调速弹簧安装 在一起就构成了气压变桨距控制机 构。在额定风速下，计算出桨叶偏 转力矩，设计调速弹簧的工作压力 使其通过曲柄连杆机构与桨叶偏转 力矩相平衡。 图 28 当风速增大，风压在桨叶上所产生的偏转力矩大于调速弹 簧预先设置的工作压力，桨叶向顺桨方向转过一定的角度 即减小迎角使风轮转速降低。当风速减小时，桨叶被弹回 原角度，保持正常的转速和功率输出。 作用在每只桨叶上的空气动力合力可以粗略的按下式计算： 式中 CL 升力系数； S 桨叶面积（ m2）； 空气质量密度 =0.125kgS2/m4 风轮角速度 rad/s V 风速（ m/s） rL 风压中心与风轮旋转轴的距离，近似算法 R 风轮半径 r0 风轮空环半径（ r0通常取 0.2R） 风压中心到桨叶前缘的距离，据翼型参数确定，可近似的取 0.33C；如果设定了桨轴到前缘的距离，两距离之差乘以 F桨叶 即可计算出额定风速、额定转速时的偏转力矩，进而计算出 大于额定风速时的偏转力矩及桨距角的变化值。 22 00 L R +R r +rr= 3