风力机转速选择方法摘要：对风力机几种转速选择方法进行介绍 关键词：失速调节、桨距调节、变速1、失速调节失速调节的风力机通常几乎在恒定的速度下运行，因此叶片攻角 随风速的增加而增加，随着局部攻角的增加，叶片失速，引起升力系 数减少和阻力系数增加，最终导致切向载荷降低功率的减少取决于 桨距角、叶片的扭转角以及弦长分布和叶片上所使用的翼型如果现 场测试表明功率的大小不能得到充分的限制，则需要卸下叶片，改 变固定的桨距角设置在失速调节的风力机中，通常采用异步发电机， 其转速几乎不变且由发电机的扭矩特性确定，即输入发电机的轴扭矩 Mg是该轴转速n的函数根据扭矩特性可知，异步发电机既可以 作为电动机运行，也可以作为发电机运行电动机运行模式可以用来 启动风力机当发电机在发电的情况下，选择其符号为正值发电机 的转速将位于〃 0和nnom之间，而扭矩等于风轮叶片在发电机轴上产 生的扭矩M r没有轴扭矩时异步发电机的转速no为：n 60 f . / p此处f刁是电网频率，p是发电机的极对数对4极发电机而言， n是1500r/min，而对6极发电机而言，n是1000r/min由于发电 机的转速要高于风轮的转速，因此在发电机和风轮之间需要配置增速 齿轮箱。
风轮的转速3与发电机的转速n之间的关系式，可以用齿轮 箱的增速比r表示为3二n/r实际转速n和〃 0之间的相对差，称为滑差率SL=(n-%)/ n0, 对通常的失速调节的风力机而言，滑差率之值大约为1%~3%这意味 着，风轮的转速几乎是不变化的，因此，使用风轮作为飞轮来储存能 量，比如在阵风的情况下，其可能性非常小比如由于风中的湍流所 引起的风轮扭矩M的变化，将几乎立即转移到发电机扭矩M，然后 R G变成电功率PEL = M Z n/60 ⑴考虑风力机运行在较低的转速，并且风速增加的情况在这种情况下， 风轮叶片所产生的扭矩mr也增加，刚性风轮按照下面的方程加速：I de = M — M直到上升到一定程度是扭矩MG再次等于扭矩mr此处，I 代表风轮围绕其旋转轴的转动惯量，mr和MG分别是风轮和发电 机在风轮轴处得扭矩如果mr超过扭矩特性上的最大点，或者发电机从电网解列， 方程(2)的右端项Mr - MG总是正值，因此风轮将开始加速，在 这种情况下风轮的转速变得如此之高，存在崩溃的危险安全系统必 须探测到这一点并且保证将风轮停下来在失速调节型风力机中，叶 片的外侧通常在离心力作用下旋转90度，起到气动刹车作用从而限 制扭矩M。
可转动的叶尖作为气动刹车在离心力作用下转动2、桨距调节对桨距调节风力机而言，有可能主动调节整个叶片的桨距，从而 同时改变整个叶片上的攻角一种控制桨距角的方法如图所示在此处 桨距角通过放置在主轴里的活塞来改变活塞的位置由使用的液体压 力确定如果失去液体压力，弹簧将释放活塞，这样叶片前缘扭转向 上逆风这里应该提及的是，调节叶片桨距的方法不只是仅有这一种 每一个叶片都可以配置一个小的电动机，这样每一个叶片的桨距都可 以单独调节液压孔活塞空心主轴绸巨轴承通过放置在主轴里的活塞来改变叶片桨距的机理示意图桨距角已经调节的叶片可以发挥气动刹车的作用，因此，在桨距 调节型风力机中，无需像失速调节型风力机那样，在叶尖配置气动刹 车通过调节整个叶片的桨距角就有可能控制叶片的攻角，从而控 制功率输出通常情况下，通过调节叶片的前缘向上逆风以减少攻角 的方式来降低功率，即在攻角的表达式a=①-0中增加e，此处①是 入流角另一方面，人们也可以通过增加攻角的方式，即迫使叶片失 速来减少功率输出，这称为主动失速由于风的湍流特性，桨距调节 型风力机的瞬时功率输出经常超过额定功率，并且这些波动的时间度 量要小于调节叶片桨距角所需要的时间。
桨距调节型风力机在运行 时，随着风速增加由于叶片的桨距角逐渐调小，因此风力机得启动 过程更加平稳如果将一台桨距调节方式运行的风力机启动后的功率 输出时间历程与同一台以失速调节方式运行的风力机启动以后的功 率输出时间历程与同一台以失速调节方式运行的风力机启动以后的 功率输出时间历程进行对比，则可以看到，当该风力机作为失速调节 方式运行时的峰值更小因为湍流波动的时间度量要远远小于叶片节 距调节运动的时间度量，桨距调节方式运行的风力机的输出功率有时 能跟随桨距角固定的稳态功率曲线高风速时，桨距调节型风力机在 固定桨距角处得稳态功率曲线比失速调节型风力机的相应稳态功率 曲线具有更大的斜率dP/dv0，因此就是针对速度区间△ v0有更大的 变化A P=dP/dv0这就是为什么高风速时，失速调节型风力机的功率波动比桨距调节的 风力机的功率波动要小的原因然而，传统的桨距调节型风力机控制 器并不对风速进行响应而是直接对输出功率响应，见下式：JO KI（P - P ）带="^~Kk~此处KI是积分常数，KK是增益，它是在桨距角本身较大时减少变距 速率桨距角较大时对应高风速，此时载荷也非常大，因此对桨距角 非常敏感。
3、 变速功率系数Cp（O ,人）p是叶尖速比和桨距角的函数，在节距调节的风轮中通过使用变速，就有可能是风力机运行在最优点C p,max，此时桨距角为0 p,opt，叶尖速比为"optJ尊粮冲度玄尊圈1输出功率系数和尖速比的关系从图中可以看到此桨距角的情况下，当"接近于8是风力机运行的最为有效从该曲线中针对不同的风速，可以导出显示功率P是转速的函数的图形P = pv 3AC （入）人vo = 0~R考虑到功率是扭矩乘以角速度，即p = Mo将以上两式代入，得到:po2R3AC （x6p）/人3发电机要获得最大功率系数Cp,max=2 pO2R3 ACp心 G?,opt，\七应该使用该特征直到达到最大可允许叶尖速度这样Mopt（6p,opt，"opt）的条件是:）/ 入 3 = const .o 2使用异步发电机获得变速的一种方式是采用双亏感应发电机(DFIG)此时一种能有效控制发电机转子的设备与发电机相连接有了双馈感应发电机就可能实现变速运行，这样可以减少疲劳载荷， 提高电能质量，并且在低风速情况下，通过最优C p运行稍微多发电 当然也需要考虑控制系统和必须的变流器的额外投资参考文献[1] Martin O.L.Hansen[丹麦]《风力机空气动力学》 中国电力出版社2009年[2] 王海云等《风力发电基础》重庆大学出版社2010年。