小型風力發(fā)電機的轉速與功率控制.ppt

小型風力發(fā)電機的轉 速與功率的控制 7.小型風力發(fā)電機的轉速與功率的 控制 可歸納為四種方式： 1.定槳距失速； 2.定槳距阻尼板； 3.定槳距風輪偏側 ； 4.變槳距 ： a.利用 離心慣性力 ； b.利用風壓變槳距。 在現(xiàn)有產(chǎn)品中采用 風輪偏側 和 機械離心變槳 兩種方式比較 普遍。 7.1風輪偏側式控制機構 風輪偏側有 側向偏轉 和 上仰 兩 種運動方式。圖 18畫出了風向偏 折后風速矢量的變化。當風輪偏 離風向 1角度時 ,吹向風輪的風 速 降低為 V1=V*cos1,風輪轉 速 降低比例為 cos1/1，而 功 率 減小的比例是 cos31/1。因 此當風速高于額定風速時，要使 風力機的轉速與功率維持不變， 必須使風輪偏側一定的角度。 圖 18 偏側角度的理論計算值如下表： 7.1.1風輪偏轉，尾舵調向，彈簧復位的限速 機構 風輪偏側常采用 偏置風 輪 的結構。如圖 19所示， 塔頂回轉中心與風輪軸軸 線偏置一個距離 e，當風 壓施加到風輪上會產(chǎn)生繞 回轉中心轉動的力矩，此 力矩稱為氣動力矩。它的 大小與 風壓大小 和 偏置距 離 有關。 圖 19 風力發(fā)電機正常運行俯視圖 為使風力發(fā)電機在額定風速及低于額定風速時風輪保持正 對風向，則應把彈簧的拉力調節(jié)到能夠與風輪的氣動力矩 相平衡。 平衡方程： M=M氣動 M彈簧 M摩擦 =0 式中 M氣動 風壓作用于風輪對回轉中心的力矩； M彈簧 彈簧回復力矩， M彈簧 =PL ； P 彈簧拉力； L 彈力作用于回轉中心的力臂； M摩擦 機頭回轉摩擦力矩； 7.1.2風輪偏置、尾舵調向并重力蓄能復位的 限速機構 圖 20畫出了重力蓄能復位限速機構的工作原理圖。在 o-x、 o-y、 oz坐標系中， ox與風輪軸重合， oy與風輪盤面平行， z為 垂直坐標軸。圖中 AB為豎銷， 為后傾角， 為左傾角， 角 是復位機構設置的初始安裝角。當 ， 確定之后， 即確 定， 角是尾舵的自由穩(wěn)定位置，及尾舵重力矩在垂直于豎軸 的平面上的分力距為零的狀態(tài)。如圖 20所示，當把尾舵擺動一 個角度，尾舵在抬高的同時產(chǎn)生了重力矩的切向分力矩，并且 隨擺角的增大而加大，當尾桿從初始 轉至 90 時復位力矩最 大，在工程實踐中對尾舵的復位力矩有一個簡便的算法，如圖 示，設置 角和 角之后，豎軸 AB與 oz形成夾角 和方位 角 ，當 ，復位力矩為零，當 時，復位力矩最 大，復位力矩來自尾舵的重力鉅，可以寫出如下計算式： oj oj oj oj o0=j o90=jj 式中： G 尾舵重力 L 尾舵重心點到豎銷距離 豎銷軸線與垂直線的夾角 復位機構在擺動平面內(nèi)的方位角（以尾舵復位力矩為 零時尾桿所在位置為零度） 在額定風速時，在方位角 時，尾舵產(chǎn)生的復位力矩和額風 速時下風輪的氣動偏轉力矩以及回轉重心的摩擦力矩要達到 平衡，此時 角和 角要協(xié)調好。在超過額定風速時，風輪 的氣動偏轉力矩較大，尾舵的復位力矩要與其平衡，此時尾 舵的復位力矩主要取決于 角的大小、尾舵的重力和尾舵重 心到豎銷的距離。 M G L s i n s i n= 鬃 ?復 位 j o o 圖 20 尾舵由尾桿和舵板組成 。 尾桿和舵板固定在一起 ， 尾桿 前端與回轉體之間用豎銷鉸鏈 ， 如圖 21所示 。 相對于風 力發(fā)電機 ， 風輪為前 ， 尾舵為后 ， 以俯視分左右 ， 偏置的 回轉中心在左側 ， 豎銷設置成后傾角 ， 左傾角 。 如圖 所示尾舵的重力矩施加到豎銷上將產(chǎn)生繞豎銷的轉矩 ， 轉 矩的大小取決尾舵的重力矩和 、 角的大小 。 在正常運 行狀態(tài) （ 尾舵順風 ， 風輪正對風向 ） ， 于豎銷左側設限位 擋塊 ， 為重力復位限速機構設置了初始方位角 調整尾舵重 力矩 ， ， 角使其產(chǎn)生的復位力矩與額定風速下風輪的 氣動偏轉力矩 ， 回轉重心的摩擦力矩相平衡 。 當超過額定 風速 ， 風輪在增大的風力作用下 ， 克服了尾舵在方位角 時 的復位力矩 ， 向一側轉動 ， 偏離了風向 ， 釋放風能 ， 限制 了風輪轉速的增長 。 當風速降低時 ， 尾舵的復位力矩大于 風輪的氣動力矩 ， 將風輪反彈回正對風位置 。 o o 尾銷傾斜 回轉中心偏置 圖 21 7.1.3風輪偏置、尾舵調向、活絡舵板限速機 構 與 7.1.2所述的結構不同之處在于 尾桿與回轉體固定 ，在尾 桿末端安裝 可以調節(jié)傾角的舵軸 ， 舵板與舵軸 之間為可以轉 動的 鉸鏈連接 ， 舵板 以本身的重力 保持下垂狀態(tài) 。如圖 22所 示。從俯視圖可以看到風輪與尾桿軸線不平行，尾桿向左后 方有約 10 夾角。設置這個角度是為了在額定風速下尾舵產(chǎn) 生的調向力矩與風輪的氣動偏轉力矩相平衡，使風力發(fā)電機 能輸出額定功率。當風速再增大時風輪的氣動偏轉力矩大于 尾舵的調向力矩，風輪開始偏側。通過調節(jié)舵板的重量和舵 軸的傾角可以改變風輪偏側的起始風速和不同風速下風輪偏 側的角度。 圖 22 7.1.4尾舵調向、電動舵輪偏航限速機構 如圖 23所示， 正常 運行 狀態(tài)由 尾舵調向 使 風輪正對風向。當 超過 額定功率 時超限而分流 的電能輸入到電動舵 輪， 電動舵輪旋轉 產(chǎn)生 拉力使風輪偏側風向， 限制了風力機的輸出功 率。 圖 23 1風輪， 2發(fā)電機， 3尾桿， 4舵板， 5舵輪 7.2機械離心變槳距機構 7.2.1槳葉離心力螺旋槽變槳距機構 如圖 24所示。風輪旋轉時， 槳 葉 連同 帶有螺旋槽的槳桿 在離心 力的作用下，克服調速彈簧的彈 力向外周甩出，在甩出的同時 沿 螺旋槽轉動改變槳距 。改變調速 彈簧的工作 壓力 可以調整 額定轉 速 ，改變調速彈簧的 剛度 可以調 整 轉速和槳距角的對應關系 。在 機構中設置 同步機構 ，可以使各 槳葉的槳距角的變化保持一致。 圖 24 7.2.2離心飛桿彈（柔）性變槳距機構 按空氣動力優(yōu)化設計制作的槳 葉，其質心不在槳葉軸上，于風 輪旋轉平面之外安裝一個 飛桿 （或重塊） 在槳桿上，槳桿做成 彈性構件固定到輪轂上，如圖 25 所示。當風輪旋轉時位于旋轉平 面之外的質量（含槳葉和飛桿等 ）在離心力的作用下，會使槳葉 繞槳桿偏轉，直至進入盤面內(nèi)。 圖 25 1.輪轂 2.彈性槳桿 3.滑塊 4.飛桿 5.葉片 槳葉偏轉的力矩： 式中 I為槳葉對槳軸的轉動慣量（ kg m s2）； 1為槳葉質心所在平面與風輪旋轉平面之間的夾角； m為飛桿質量（ m=G/g， G為重量 kg， g為 9.8m/s2）； r為飛桿質心到槳軸的垂直距離（ m） 2為飛桿質心所在平面與風輪旋轉面之間的夾角； 為風輪旋轉角速度（ rad/s） 改變飛桿的質量、質心與槳桿距離和夾角 2可以調節(jié)機 構對槳葉的偏轉力矩。調整彈性槳桿的扭轉應力及應變轉角 可以滿足變槳距控制風輪的要求。實際運行結果表明采用這 種機構機組運行非常平穩(wěn)，特別適合于負向主動失速控制。 7.2.3離心飛桿機械變槳距機構 這種結構的工作原理如圖 26所示，受 力分析運動圖僅畫出一個槳葉。槳葉 繞水平軸 OX在 OAB面內(nèi)旋轉，槳桿 用軸承安裝在水平軸上，可以自如轉 動，支桿 r固接在槳桿 A處，端部是垂 塊 G，垂塊所在平面 OAG與風輪旋轉 平面（ OAB）之間的夾角為 。當風 輪旋轉時垂塊的離心力可分解為：沿 ABG面的切向分力 F和平行于槳桿 的軸向分力 Fc。切向分力 F使槳葉 繞槳桿軸線轉動，加大迎角而進入失 速狀態(tài)。 圖 26 扭轉槳葉的力矩大小與槳葉對槳軸的轉動慣量、垂塊的 質量、垂塊質心距槳軸的距離、 角、風輪角速度有關。 圖 27是一種典型的飛桿變槳距機構。它包括啟動彈簧 1，同 步拉桿 2，調速彈簧 3，導向體 4，風輪轂 5，葉片法蘭 6，飛 桿 7，葉片軸 8，同步盤 9。葉片安裝在葉片法蘭上，受飛桿 離心慣性力的作用，葉片法蘭，葉片將繞葉片軸轉動，通過 改變槳距角調節(jié)風力機轉速和功率。 圖 27 結構中設置啟動彈簧的目的是使槳葉在靜止待機時具有較大 的安裝槳距角，在風速小于 3m/s之前風輪即可起動。 7.2.4風壓變槳距機構 利用風速風壓的變化，在風速風壓超過某限定值時，槳葉 繞自身槳軸轉動，并隨風壓不同而偏轉不同的槳距角。為 此，槳葉的機械轉軸應安排在槳葉受到風壓時能夠產(chǎn)生順風 向轉動的力矩。 如 28圖所示， 槳葉氣動壓力和風壓 中心距機械轉軸的距離決定了槳葉 的偏轉力矩。 自如轉動的槳葉通過 同步曲柄連桿機構與調速彈簧安裝 在一起就構成了氣壓變槳距控制機 構。在額定風速下，計算出槳葉偏 轉力矩，設計調速彈簧的工作壓力 使其通過曲柄連桿機構與槳葉偏轉 力矩相平衡。 圖 28 當風速增大，風壓在槳葉上所產(chǎn)生的偏轉力矩大于調速彈 簧預先設置的工作壓力，槳葉向順槳方向轉過一定的角度 即減小迎角使風輪轉速降低。當風速減小時，槳葉被彈回 原角度，保持正常的轉速和功率輸出。 作用在每只槳葉上的空氣動力合力可以粗略的按下式計算： 式中 CL 升力系數(shù)； S 槳葉面積（ m2）； 空氣質量密度 =0.125kgS2/m4 風輪角速度 rad/s V 風速（ m/s） rL 風壓中心與風輪旋轉軸的距離，近似算法 R 風輪半徑 r0 風輪空環(huán)半徑（ r0通常取 0.2R） 風壓中心到槳葉前緣的距離，據(jù)翼型參數(shù)確定，可近似的取 0.33C；如果設定了槳軸到前緣的距離，兩距離之差乘以 F槳葉 即可計算出額定風速、額定轉速時的偏轉力矩，進而計算出 大于額定風速時的偏轉力矩及槳距角的變化值。 22 00 L R +R r +rr= 3