风力发电机毕业设计正文

第二章 风力发电机的控制理论

2．1 引言

随着风力发电技术的不断成熟，风力发电机组的自动化程度的逐步提高，设计人们不仅满足于提高风力机运行的可靠性，而且开始追求高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线，变桨距控制型风力机的优越性显得更加突出。从今后的发展趋势来看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距控制技术。本章在对风力机桨叶进行空气动力学分析的基础上，探讨变桨距调节原理，为变桨距控制提供理论基础；并在此基础上，对风力发电机组变桨距电液比例控制系统的总体方案进行设计。

2．2 风力发电机组的组成

图2-1 风力发电机组的结构

风力发电机组是风力发电的主要装置。风力发电机组的样式虽然很多，但其原理和结构大同小异。本文以水平轴风力发电机组为例做介绍，它主要由以下几部分组成：风轮、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器（限速器）、调向器、停车制动器等，如图2-1所示。

（1） 风轮

风轮一般由2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。轮

毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件，同时轮毂也是控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）的所在。 （2）调速或限速装置

在很多情况下，要求不论风速如何变化风力机转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此目的而采用了调速或限速装置。调速或限速装置从原理上来看大致有三类：一类是使风轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。

（3）调向装置

调向装置的作用是在外界风向发生变化时能够使风轮对准风向，以尽可能高效的吸取能量。 （4）传动机构

传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。 （5）发电机

发电机将风轮传递来的机械能转化为电能。风力机常用的发电机有四种直流发电机，永磁发电机，同步交流发电机，异步交流发电机。

（6）塔架

风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。

对于变桨距控制风力机而言，除了上述各主要装置外，还有一个变桨距机构。变桨距机构一般可以分为两种：一种是电机执行机构，另一种是液压执行机构。液压执行机构通过液压系统推动桨叶转动，改变桨叶的桨距角，该类机构以其响应频率快、扭矩大、便于集中布置等优点目前占有主要的地位。此外电机变桨距执行机构是另一种重要方法，该机构利用电动机对桨叶进行控制，由于其结构紧凑可靠，不像液压变桨距机构那样结构相对复杂、存在非线性，但该机构动态特性相对较差、有较大的惯性，且电机本身如果连续频繁地调节桨叶，将产生过量的热负荷使电机损坏。

2．3 风力发电机组空气动力学理论

2．3．1 风力发电机组空气动力学理论基础 （1） 风能的计算

由流体力学知，在单位时间内气体的动能为：

mv2 E? （2－1）

2式中：m－单位时间内气体的质量，kg； ν－气体的速度，m/s。

设单位时间内，气体流过截面积为S的气体的体积为V，则

V?Sv （2－2）

该体积的空气质量为：

m??V??S v （2－3） 式中：ρ－空气密度，kg/m3。

单位时间通过该截面的气流动能可表示为：

X1360? Z1113 （2－4）

式（2－4）即为风能的表达式。

从风能的公式可以看出，风能的大小与气流密度ρ、通过截面面积S成正比，与气流速度ν的立方成正比。其中ρ和ν与地理位置、海拔、地形等因素有关。 （2） 贝兹理论

风力机的第一个气动理论由德国科学家贝兹（Betz）于1926年建立，Betz假设风轮是由无限多个叶片组成，风轮没有轮毂，气流通过风轮时没有阻力。此外，还假设气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度方向为轴向方向。

现分析气流通过上述理想风轮的情况，如图2-2所示。

图2-2 流过风轮的气流图

图中：ν1表示距离风力机一定距离的上游风速；ν表示通过风轮时的实际风速；ν2表示距离风轮远处的下游风速。

设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。假设空气是不可压缩的，由连续条件可得：

v S1v1?S?Sv （2－5） 2 2由于通过风轮后的气流动能会降低，ν

所以通过风轮的气流截2必然低于ν1，

面积从上游至下游是增加的，即S2>S1。

风作用在风轮上的力可由动量定理写出：

F??Sv(v1?v2) （2－6） 故风轮吸收的功率为：

P?Fv??Sv2(v1?v2) （2－7） 气流的动能转换为风轮的功率，从上游到下游的动能的变化为：

12 ?E??Sv(v12?v2) （2－8）

2令式（2－7）与式（2－8）相等可得：

v?(v1?v2)/2 （2－9） 将上式代入式（2－6）和式（2－7），可得作用在风轮上的力和提供的功率分别为：

12?S(v12?v2) （2－10） 212 P??S(v12?v2)(v1?v2) （2－11）

4对于给定的上游速度ν1，将P看成ν2的函数。写出以ν2为自变量的功率变

F?化关系，将式（2－11）微分得：

dP12??S(v12?2v1v2?3v2) （2－12） dv24令

dP?0，解得v2?v1/3，代入式（2－11）可得最大功率。最大的功率为： dv28?Sv3 1 （2－13） 27将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推出风力机的理论最大

Pmax?效率（理论上的风能利用系数）：

8?Sv13P16 ?max?max?27??0.593 （2－14）

1E?Sv13272上式就是有名的贝兹理论的极限值。。由此可知风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的

转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP<0.593。风力机实际的有用功率输出为：

1 Ps??Sv13CP （2－15）

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