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1、風力發(fā)電機設(shè)計中風輪與發(fā)電機的動力負荷匹配 概 述n在風力發(fā)電機組設(shè)計中，風輪與發(fā)電機的動力負荷匹配至關(guān)重要。匹配的好壞直接影響到風力發(fā)電機組的運行效率、功率輸出和全年發(fā)電量。 n1 n2 n2 風輪輸出 發(fā)電機輸入 風輪輸出 發(fā)電機輸入 風輪輸出 發(fā)電機輸入 轉(zhuǎn)速n1n2 負載高于動力：僅輸出n1時的功率；大風超越n2時，易發(fā)生飛車 負載功率高于動力功率：不發(fā)電 負載功率低于動力功率：僅在大風高轉(zhuǎn)速n2時發(fā)電 1、機組總體設(shè)計對風輪技術(shù)性能的要求n風力發(fā)電機組要求風輪動力輸出特性和發(fā)電機負載(發(fā)電機輸入軸功率）特性相擬合，如果風輪輸出和發(fā)電機輸入的轉(zhuǎn)速扭矩曲線不能擬合，其動力負載不匹配，會導

2、致風輪不能運行在最佳葉尖速比附近，風輪效率低，機組達不到額定輸出功率。為便于風輪動力和發(fā)電機負載的匹配設(shè)計，風輪設(shè)計須提供如下技術(shù)數(shù)據(jù)和參數(shù)：風能利用系數(shù)、推力系數(shù)、力矩系數(shù)以及風輪轉(zhuǎn)速、風輪軸功率、風輪軸扭矩、風輪推力在額定風速以下及額定風速附近的變化規(guī)律。 n 1.1 由于小型風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速控制比較粗放，在高于額定風速后需要采取措施對風輪轉(zhuǎn)速進行限制，防止飛車以及發(fā)電機過度超載。n 1.2 槳葉是風力發(fā)電機組中關(guān)鍵的動力部件，其氣動外形設(shè)計對風力發(fā)電機組動力性能和運行效率起著決定性的作用。n 1.3 槳葉氣動外形設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，選擇翼型，用優(yōu)化設(shè)計的方法給出槳葉剖面弦長、

3、相對厚度和扭角沿展向的變化。 n 1.4 目前用于槳葉的翼型：一類是航空翼型和它的修型；另一類是風力機翼型。水平軸風力機采用的航空翼型有NACA 系列、NASA LS系列和FX系列等，其相對厚度在12%28%范圍。NACA63-2系列翼型是目前水平軸風力機葉片使用較多的翼型。根據(jù)風力機性能的需要，風力機翼型一般要求在分離區(qū)內(nèi)有穩(wěn)定的最大升力系數(shù)、升阻比。專門的風力機翼型有美國NREL S系列、瑞典FFA-W系列、荷蘭DU系列。n NREL S系列翼型空氣動力特性較好。最大升力系數(shù)不高是為滿足定槳距失速槳葉控制功率輸出的需要；試驗結(jié)果表明NREL S系列翼型可減少葉片表面粗糙度對功率輸出的影響，

4、并在低風速和中等風速下，改善槳葉的空氣動力性能，使全年功率輸出增加。 2、風輪設(shè)計應(yīng)確定的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)n結(jié)構(gòu)型式；n調(diào)速方式 考慮機械變槳距、主動失速控制；n翼 型 優(yōu)先選擇風力機專用翼型；n額定風速；n風輪直徑及槳葉數(shù)目； n輪轂結(jié)構(gòu)及尺寸；n風輪實度；n空氣動力特性理論曲線（Cp、Cm、Ct）；n額定風速及以下風速的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率計算值； 3、風力機槳葉氣動外形的設(shè)計要領(lǐng) 一般在風力發(fā)電機槳葉約75% （r/R=0.75）展長的剖面附近是產(chǎn)生功率的中心區(qū)域，因此，翼型配置和氣動外形設(shè)計應(yīng)注意如下幾點：相對高的升阻比，以獲得最大的功率系數(shù)；限制其最大升力系數(shù)，以便于定槳距風輪可靠地進行失

5、速控制；表面粗糙度對翼型失速特性的影響小，以確保失速控制特性穩(wěn)定；足夠的相對厚度，以保證應(yīng)有的結(jié)構(gòu)強度和剛度。 n在風力發(fā)電機槳葉根部（r/R=0.30）和尖部（r/R=0.95）布置的翼型除了有好的空氣動力特性外，還要求從槳葉根部到尖部，其空氣動力特性是連續(xù)變化的。從結(jié)構(gòu)強度和剛度考慮，在根部配置的翼型厚度要大，具有高的最大升力系數(shù)；在尖部配置的翼型相對厚度要小，使其阻力系數(shù)最小，降低運行噪音。 4、槳葉及風輪設(shè)計范例n 4.1 總體設(shè)計要求n (1) 風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)型式：水平軸、上風向、三槳葉、主動失速變槳距、尾舵調(diào)向；n (2) 工作風速范圍：330m/s ； 安全風速： 60m/s ；

6、n (3) 額定風速： 11m/s ；額定功率：5kW； n (4) 優(yōu)先考慮風力機專用翼型 NREL S系列；n (5) 風輪額定運行狀態(tài)下Cp值不低于0.42，運行噪音不大于65分貝（在風力發(fā)電機下、下風向20m處檢測）； n (6) 提供Cp=f ()； Cm= f ( ) ； Ct= f ( )理論空氣動力特性曲線；n (7) 提供額定風速及額定風速以下的，尖速比6、7、8、9狀態(tài)下的風輪轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩理論計算的數(shù)據(jù)；n 4.2 技術(shù)設(shè)計成果n (1) 槳葉和風輪，見照片； n (2) 翼型：NREL S系列；n (3) 技術(shù)參數(shù)；n葉片數(shù)目：3 n風輪直徑：5.6mn旋轉(zhuǎn)方向（在上

7、風面對風輪）：順時針n風輪俯仰角： 0 n風輪錐角： 0n額定風速： 10 m/s左右n額定功率： 5 kW n葉片長度： 2.74 mn最大弦長： 0.4 mn (4) 風能利用系數(shù)、推力系數(shù)和力矩系數(shù)隨尖速比的變化： 0 2 4 6 8 10 12 14 160.00.10.20.30.4 0.5Cp 0 2 4 6 8 10 12 14 160.00.20.40.60.81.01.2 1.4Ct圖3 風能利用系數(shù)曲線 圖4 推力系數(shù)曲線 圖4 力矩系數(shù)曲線 n (5) 風輪在不同風速、不同尖速比運行狀態(tài)下的動力變化 n (6) 風輪動力隨風速在不同尖速比狀態(tài)下的功率變化規(guī)律。n根據(jù)計算數(shù)

8、據(jù)表畫出如圖所示的一族曲線。每條曲線反映了不同風速下風輪輸出功率隨尖速比值（風輪轉(zhuǎn)速）變化的規(guī)律。n如圖所示在每段風速的尖速比7和8附近，風輪的功率輸出值較高。分別把曲線族中的7和8連接成曲線，風輪按這兩條曲線運行必然是風輪動力輸出的最佳狀態(tài)?？煞Q它為風輪最佳輸出的目標功率曲線。 n運行轉(zhuǎn)速和功率的對應(yīng)關(guān)系，見數(shù)據(jù)表。 n運行轉(zhuǎn)速和功率的對應(yīng)關(guān)系，見數(shù)據(jù)表。 5、直驅(qū)永磁發(fā)電機的設(shè)計范例n 5.1 設(shè)計目標及主要設(shè)計參數(shù)n設(shè)計目標 把發(fā)電機的輸入軸功率及轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，從切入風速到額定風速，從發(fā)電轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速，與風輪輸出的目標功率曲線擬合。n發(fā)電機的主要設(shè)計參數(shù) 額定轉(zhuǎn)速：260 r/

9、min 額定功率： 5 kW 額定工作電壓： DC500V 起動阻力矩： 5 Nm 額定轉(zhuǎn)速時的空載電壓： DC600V 發(fā)電機的效率： 60%80% 5.2 永磁發(fā)電機的輸出特性 根據(jù)風輪動力特性設(shè)計制造的發(fā)電機在試驗臺上對其在不同轉(zhuǎn)速，不同工作電壓下的輸出功率和效率進行了測定，測定的數(shù)據(jù)及繪制的曲線如下： 6、風輪動力發(fā)電機負載匹配范例n依據(jù)D=5.6m三槳葉風輪的空氣動力特性做出了風輪在不同風速不同轉(zhuǎn)速（即不同的值）下的曲線族。然后將直驅(qū)三相交流永磁發(fā)電機經(jīng)臺架試驗檢測到的直流輸出電壓、電流、功率、效率數(shù)據(jù)也畫出曲線。從中找出不同風速，不同轉(zhuǎn)速下風輪輸出功率與發(fā)電機輸入功率之間的精確匹配

10、關(guān)系。 n 6.1風輪的動力n風輪輸出功率曲線圖顯示了=7和=8兩個運行狀態(tài)時的功率轉(zhuǎn)速變化曲線。把發(fā)電機的輸入功率跟蹤在這 兩條曲線附近及中間，就是風輪動力發(fā)電機負載的最佳匹配。從向發(fā)電機輸入機械功率到發(fā)電機輸出直流電功率有個轉(zhuǎn)換效率，多點檢測值的范圍是6080%，為簡化操作，令發(fā)電機的效率值為70%，依據(jù)風輪輸出目標功率曲線，計及效率值70%，分別畫出尖速比=7， =8兩條發(fā)電機輸出功率的目標曲線。n 6.2 發(fā)電機輸出功率目標曲線與發(fā)電機輸出特性如圖所示，發(fā)電機不同電壓下的輸出曲線族與發(fā)電機輸出功率目標曲線交匯出若干匹配點，列表如下： 發(fā)電機輸出與發(fā)電機輸出功率目標曲線的交點： 按上述諸點跟蹤轉(zhuǎn)速的變化調(diào)整發(fā)電機輸出的電壓、電流、功率即可實現(xiàn)與風輪動力的最優(yōu)化匹配。 5kW變槳距風力機丹麥運行檢測功率曲線圖（風輪直徑5.4m；塔桿15m；10.5m/s風速功率可達到6kW） 7、結(jié)束語n 5kW變槳距風力發(fā)電機與德國SMA并網(wǎng)逆變電源配套，均按上述方法和數(shù)據(jù)在SMA的運行程序中預先設(shè)定，并組成風電并網(wǎng)（AC220V）供電系統(tǒng)，在模擬試驗臺架上進行試驗，從120r/min 300r/min轉(zhuǎn)速進行多點檢測，檢測結(jié)果表明，方法正確，便于操作，數(shù)據(jù)準確，運行穩(wěn)定。n從銷往歐洲、澳洲和美洲的近百臺機組反饋的信息得知：機組運行平衡，發(fā)電量明顯高于同類機組，用戶普遍給予好評。