《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動(dòng)力-負(fù)荷匹配28幀》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動(dòng)力-負(fù)荷匹配28幀（28頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動(dòng)力負(fù)荷匹配 概 述n在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動(dòng)力負(fù)荷匹配至關(guān)重要。匹配的好壞直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率、功率輸出和全年發(fā)電量。 n1 n2 n2 風(fēng)輪輸出 發(fā)電機(jī)輸入 風(fēng)輪輸出 發(fā)電機(jī)輸入 風(fēng)輪輸出 發(fā)電機(jī)輸入 轉(zhuǎn)速n1n2 負(fù)載高于動(dòng)力：僅輸出n1時(shí)的功率；大風(fēng)超越n2時(shí)，易發(fā)生飛車(chē) 負(fù)載功率高于動(dòng)力功率：不發(fā)電 負(fù)載功率低于動(dòng)力功率：僅在大風(fēng)高轉(zhuǎn)速n2時(shí)發(fā)電 1、機(jī)組總體設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)輪技術(shù)性能的要求n風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要求風(fēng)輪動(dòng)力輸出特性和發(fā)電機(jī)負(fù)載(發(fā)電機(jī)輸入軸功率）特性相擬合，如果風(fēng)輪輸出和發(fā)電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速扭矩曲線不能擬合，其動(dòng)力負(fù)載不匹配，會(huì)導(dǎo)
2、致風(fēng)輪不能運(yùn)行在最佳葉尖速比附近，風(fēng)輪效率低，機(jī)組達(dá)不到額定輸出功率。為便于風(fēng)輪動(dòng)力和發(fā)電機(jī)負(fù)載的匹配設(shè)計(jì)，風(fēng)輪設(shè)計(jì)須提供如下技術(shù)數(shù)據(jù)和參數(shù)：風(fēng)能利用系數(shù)、推力系數(shù)、力矩系數(shù)以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪軸功率、風(fēng)輪軸扭矩、風(fēng)輪推力在額定風(fēng)速以下及額定風(fēng)速附近的變化規(guī)律。 n 1.1 由于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制比較粗放，在高于額定風(fēng)速后需要采取措施對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，防止飛車(chē)以及發(fā)電機(jī)過(guò)度超載。n 1.2 槳葉是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵的動(dòng)力部件，其氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力性能和運(yùn)行效率起著決定性的作用。n 1.3 槳葉氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，選擇翼型，用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法給出槳葉剖面弦長(zhǎng)、
3、相對(duì)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(lèi)是航空翼型和它的修型；另一類(lèi)是風(fēng)力機(jī)翼型。水平軸風(fēng)力機(jī)采用的航空翼型有NACA 系列、NASA LS系列和FX系列等，其相對(duì)厚度在12%28%范圍。NACA63-2系列翼型是目前水平軸風(fēng)力機(jī)葉片使用較多的翼型。根據(jù)風(fēng)力機(jī)性能的需要，風(fēng)力機(jī)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(zhuān)門(mén)的風(fēng)力機(jī)翼型有美國(guó)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(dòng)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(yàn)結(jié)果表明NREL S系列翼型可減少葉片表面粗糙度對(duì)功率輸出的影響，
4、并在低風(fēng)速和中等風(fēng)速下，改善槳葉的空氣動(dòng)力性能，使全年功率輸出增加。 2、風(fēng)輪設(shè)計(jì)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(jī)械變槳距、主動(dòng)失速控制；n翼 型 優(yōu)先選擇風(fēng)力機(jī)專(zhuān)用翼型；n額定風(fēng)速；n風(fēng)輪直徑及槳葉數(shù)目； n輪轂結(jié)構(gòu)及尺寸；n風(fēng)輪實(shí)度；n空氣動(dòng)力特性理論曲線（Cp、Cm、Ct）；n額定風(fēng)速及以下風(fēng)速的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率計(jì)算值； 3、風(fēng)力機(jī)槳葉氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)要領(lǐng) 一般在風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉約75% （r/R=0.75）展長(zhǎng)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(dòng)外形設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：相對(duì)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(fēng)輪可靠地進(jìn)行失
5、速控制；表面粗糙度對(duì)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(duì)厚度，以保證應(yīng)有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。 n在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)力特性外，還要求從槳葉根部到尖部，其空氣動(dòng)力特性是連續(xù)變化的。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)厚度要小，使其阻力系數(shù)最小，降低運(yùn)行噪音。 4、槳葉及風(fēng)輪設(shè)計(jì)范例n 4.1 總體設(shè)計(jì)要求n (1) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式：水平軸、上風(fēng)向、三槳葉、主動(dòng)失速變槳距、尾舵調(diào)向；n (2) 工作風(fēng)速范圍：330m/s ； 安全風(fēng)速： 60m/s ；
6、n (3) 額定風(fēng)速： 11m/s ；額定功率：5kW； n (4) 優(yōu)先考慮風(fēng)力機(jī)專(zhuān)用翼型 NREL S系列；n (5) 風(fēng)輪額定運(yùn)行狀態(tài)下Cp值不低于0.42，運(yùn)行噪音不大于65分貝（在風(fēng)力發(fā)電機(jī)下、下風(fēng)向20m處檢測(cè)）； n (6) 提供Cp=f ()； Cm= f ( ) ； Ct= f ( )理論空氣動(dòng)力特性曲線；n (7) 提供額定風(fēng)速及額定風(fēng)速以下的，尖速比6、7、8、9狀態(tài)下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算的數(shù)據(jù)；n 4.2 技術(shù)設(shè)計(jì)成果n (1) 槳葉和風(fēng)輪，見(jiàn)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(fēng)輪直徑：5.6mn旋轉(zhuǎn)方向（在上
7、風(fēng)面對(duì)風(fēng)輪）：順時(shí)針n風(fēng)輪俯仰角： 0 n風(fēng)輪錐角： 0n額定風(fēng)速： 10 m/s左右n額定功率： 5 kW n葉片長(zhǎng)度： 2.74 mn最大弦長(zhǎng)： 0.4 mn (4) 風(fēng)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(fēng)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(fēng)輪在不同風(fēng)速、不同尖速比運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)力變化 n (6) 風(fēng)輪動(dòng)力隨風(fēng)速在不同尖速比狀態(tài)下的功率變化規(guī)律。n根據(jù)計(jì)算數(shù)
8、據(jù)表畫(huà)出如圖所示的一族曲線。每條曲線反映了不同風(fēng)速下風(fēng)輪輸出功率隨尖速比值（風(fēng)輪轉(zhuǎn)速）變化的規(guī)律。n如圖所示在每段風(fēng)速的尖速比7和8附近，風(fēng)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(fēng)輪按這兩條曲線運(yùn)行必然是風(fēng)輪動(dòng)力輸出的最佳狀態(tài)?？煞Q(chēng)它為風(fēng)輪最佳輸出的目標(biāo)功率曲線。 n運(yùn)行轉(zhuǎn)速和功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)數(shù)據(jù)表。 n運(yùn)行轉(zhuǎn)速和功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)數(shù)據(jù)表。 5、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)范例n 5.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及主要設(shè)計(jì)參數(shù)n設(shè)計(jì)目標(biāo) 把發(fā)電機(jī)的輸入軸功率及轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，從切入風(fēng)速到額定風(fēng)速，從發(fā)電轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速，與風(fēng)輪輸出的目標(biāo)功率曲線擬合。n發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)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(dòng)阻力矩： 5 Nm 額定轉(zhuǎn)速時(shí)的空載電壓： DC600V 發(fā)電機(jī)的效率： 60%80% 5.2 永磁發(fā)電機(jī)的輸出特性 根據(jù)風(fēng)輪動(dòng)力特性設(shè)計(jì)制造的發(fā)電機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)其在不同轉(zhuǎn)速，不同工作電壓下的輸出功率和效率進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定的數(shù)據(jù)及繪制的曲線如下： 6、風(fēng)輪動(dòng)力發(fā)電機(jī)負(fù)載匹配范例n依據(jù)D=5.6m三槳葉風(fēng)輪的空氣動(dòng)力特性做出了風(fēng)輪在不同風(fēng)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(jī)經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)到的直流輸出電壓、電流、功率、效率數(shù)據(jù)也畫(huà)出曲線。從中找出不同風(fēng)速，不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)輪輸出功率與發(fā)電機(jī)輸入功率之間的精確匹配
10、關(guān)系。 n 6.1風(fēng)輪的動(dòng)力n風(fēng)輪輸出功率曲線圖顯示了=7和=8兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的功率轉(zhuǎn)速變化曲線。把發(fā)電機(jī)的輸入功率跟蹤在這 兩條曲線附近及中間，就是風(fēng)輪動(dòng)力發(fā)電機(jī)負(fù)載的最佳匹配。從向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率到發(fā)電機(jī)輸出直流電功率有個(gè)轉(zhuǎn)換效率，多點(diǎn)檢測(cè)值的范圍是6080%，為簡(jiǎn)化操作，令發(fā)電機(jī)的效率值為70%，依據(jù)風(fēng)輪輸出目標(biāo)功率曲線，計(jì)及效率值70%，分別畫(huà)出尖速比=7， =8兩條發(fā)電機(jī)輸出功率的目標(biāo)曲線。n 6.2 發(fā)電機(jī)輸出功率目標(biāo)曲線與發(fā)電機(jī)輸出特性如圖所示，發(fā)電機(jī)不同電壓下的輸出曲線族與發(fā)電機(jī)輸出功率目標(biāo)曲線交匯出若干匹配點(diǎn)，列表如下： 發(fā)電機(jī)輸出與發(fā)電機(jī)輸出功率目標(biāo)曲線的交點(diǎn)： 按上述諸點(diǎn)跟蹤轉(zhuǎn)速的變化調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流、功率即可實(shí)現(xiàn)與風(fēng)輪動(dòng)力的最優(yōu)化匹配。 5kW變槳距風(fēng)力機(jī)丹麥運(yùn)行檢測(cè)功率曲線圖（風(fēng)輪直徑5.4m；塔桿15m；10.5m/s風(fēng)速功率可達(dá)到6kW） 7、結(jié)束語(yǔ)n 5kW變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)與德國(guó)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(yùn)行程序中預(yù)先設(shè)定，并組成風(fēng)電并網(wǎng)（AC220V）供電系統(tǒng)，在模擬試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，從120r/min 300r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，方法正確，便于操作，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定。n從銷(xiāo)往歐洲、澳洲和美洲的近百臺(tái)機(jī)組反饋的信息得知：機(jī)組運(yùn)行平衡，發(fā)電量明顯高于同類(lèi)機(jī)組，用戶普遍給予好評(píng)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的動(dòng)力-負(fù)荷匹配28幀
