风电基础知识(5)

考虑对NACA翼型升力曲线和阻力曲线的影响。随着 雷诺数的增加： ——升力曲线斜率，最大升力系数与失速攻角均增加； ——最小阻力系数减小； ——升阻比增加。

叶片外形

叶片外形

叶尖正常运行位置

叶尖刹车位置

风轮几何参数
? 叶片数 ? 直径

? 轮毂中心高
? 扫掠面积 ? 锥角

? 仰角
? 偏航角 ? 实度

风轮物理参数
? 风轮转速Ω
? 尖速比

?R ?? V1
， P ? ?M 1 3 ? AV1 2 M CM ? 1 ? AV 2 2

? 风能利用系数 Cp ?

P

? 扭矩M

风轮几何参数
100

风轮直径D/m

60

20

H ? 0.8 ? 1.2 D

塔架高度H/m

风轮物理参数
0.6 0.5 0.4

CP

0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 8 10 12 14

?

塔架的刚度
? B 叶片数， P 叶轮转动频率
? 刚性塔： ft ? BP （叶片通过频率） ? 柔性塔：1P ? ft ? BP ? 甚柔塔： f t ? 1P

金风产品的配套叶片
600KW 功率控制 重量 重心位置（距法兰端 面）（mm） 失速 2000 （3％） 5800 （50） 750KW 失速 3200 7850 1.2MW 变桨 4700 9150

挥舞频率
摆振频率

1.75
3.05

1.60
2.85

1.32
2.25

由 中航（保定）惠腾风电设备有限公司制造

风电机组可靠性运行
结构动力分析

风力发电机组共振图

风机分类
按风力机用途可分为风力提水机组和风力发电机组。

风力提水机组

风力发电机组

按风力机风轮转轴相对地面的位置可分为垂直轴风力机和 水平轴风力机。

垂直轴风力机

水平轴风力机

水平轴风力发电机类型
水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：

?定桨距失速型风力发电机组 ?变桨距失速型风力发电机组 ?变桨变速恒频型风力发电机组

水平风力发电机 比较
定桨定速vs.变桨变速 风力发电机组输出功率的比较

风机控制基本概念

比如，控制 系统可能执 行风速测量、 检验系统元 件的安全性、 释放刹车盘、 完成桨矩设 置、关闭接 触器、并网 发电机等

风机控制
控制系统可以控制的功能和参数包括 – – – – – – – – – (1) 机组的启动和关机程序； (2) 电气负

载的连接和发电机的软并网控制； (3) 大、小发电机的自动切换； (4) 补偿电容器的分组投入和切换； (5) 变桨距风力机的功率调节和功率限制； (6) 风轮转速； (7) 偏航迎风； (8) 扭缆限制； (9) 电网失效或负载丢失时的关机等。

风机控制
对风力发电机组运行参数和状态的检测和监控 – (1) 风速和风向； – (2) 风轮或发电机转速； – (3) 电参数，包括电网电压和频率，发电机输出 电流、功率和功率因数； – (4) 温度，包括发电机绕组和轴承温度，齿轮箱 油温，控制柜温度和外部环境温度； – (5) 制动设备状况； – (6) 电缆缠绕； – (7) 机械零部件故障； – (8) 电网失效等。

风机控制
动力传递
转轮惯量 驱动链惯量

电力扭矩

空气动力扭矩

主轴

刹车扭矩

风机控制
结构动态

结构 运动

结构 动力
轴转速 电机转子转速 驱动链动态 轮毂扭矩 电机发应 电机动态

风 变桨 执行

空气动力

执行器 动态

变桨命令

控制动态

测量功率

功率变送 器动态

图：风机动态响应与相应控制

风机控制
控制步骤

期望输出 控制器 功率放大器 执行器 被控对象

实际输出

传感器

风机设计
风机设计 的主要模型
控制模型

风模型： 湍流风模型 瞬态风模型

空气动力学模型： 动量原理＋叶素理论＋ Prandtl叶尖损失模型 尾流模型 动态失速模型

风力发电机 仿真计算模型

传动系统 动力学模型

风机设计概念及工程设计
水平轴风机 不同转轮系统 及 其主要子系统的工程设计方法
子系统 概念 叶片的数量（1，2，3）、叶 －聚酯玻璃纤维材料 片的刚性（柔的或刚的） －环氧玻璃纤维材料 －环氧碳纤维材料 －环氧木纤维材料 跷跷板或刚性轮毂 叶片桨距控制 功率控制系统 失速控制（定桨或主动失速 控制） 极限风速下，刹车型和定位， 冗余型（如：各叶片可 分别顺桨） 底板安装式，紧凑或集成式 焊接或铸造 全叶片或部分叶片变桨距控制 －电机驱动或液压驱动或齿形带驱动 －被动的 通过离心力 和/或 空气动力 －空气动力学刹车及机械刹车 －偏航（对于小叶轮） 不同的叶轮轴承和齿轮箱的布置方式 工程设计

叶轮

安全系统 传动系统和机舱支撑 结构

定速或变速（传统高速电机） 电气系统 低速电机 无齿轮箱（直驱） 主动或被动偏航 刚性的 柔性的

－定速：感应或同步电机直接与电网连接 －变速：在感应或同步电机与电网之间加变频系统
－多极感应或同步励磁电机 －永磁电机

偏航系统 塔架

钢结构 加强混凝土结构

设计驱动因素
部件重量

设计驱动模型

运行因素

准稳定/额定载荷

波动和疲劳载荷

弯矩

推力

扭矩

运行 灵活性

结构 柔

性

自重

空气动 力

尖速

功率 速度控 制 功率控 制

系统 适应性

风机模拟软件的相互关系

风机设计涉及的知识
对设计工具的要求 （Design tool requirement)

风机与其他设备的不同

Garrad Hassan Bladed 模型

Garrad Hassan Bladed 模型

Bladed 的结构动力分析



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