风机基础理论介绍

风机基础理论简介
一、大型风电机组总体设计参数
风力发电机组是一个复杂机电系统，包含了叶片、风轮、发电机、齿轮箱、变距系统、控制系统以及塔架等子系统，风电机组总体设计是平衡各子系统相互关系的过程。

以风轮设计为例，设计包括了叶片数、对风方式、实度、锥角及仰角等参数选择，这些参数很难同时满足最优设计要求，需要权衡各参数的比重。

由于低成本和高可靠性是风电机组发展的主要研究热点，如何兼顾这些因素的关系并满足成本和可靠性的要求，是风电机组总体设计的关键。

总体参数设计在风电机组气动设计前须首先确定，主要涉及：风轮叶片数、风轮直径、设计风速、尖速比、翼型分布及其与气动性能的关系，
总体参数设计的基本要求是
发电成本最低、机组载荷最小，发电量最多且电品质最好。

随着风电机组单机功率的增大，系统布局设计逐渐成为风电机组设计重要方面。

系统布局设计是指气动设计方案，整机各部件、各子系统、附件和设备等的布置方案，结构承力件、传力路线的布局，以及对各部件和子系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。

设计出高水平的风力发电机组需要较高的系统工程设计技术和丰富的经验。

设计风速
设计风速是风轮叶片的重要设计参数，一般根据最低单位
功率成本确定设计风速。

如果年发电量最大，则发电成本最低，故合理的设计风速应可使机组产生最多的有效功。

风速分布函数
描述风速概率分布的有瑞利分布和威布尔分布函数等，一般采用威布尔(Weibull)分布函数。

威布尔(Weibull)函数的表达
式中，
c——标度参数，单位m/s；k——为形状参数；v——瞬时风速。

如果已知平均风速及其方差，可以使用经验公式来计算威布尔函数的参数c和k：
式中，。

式中的Gamma函数，也可以采用下面的经验公式计算：
风能平均功率
风能平均功率可采用下式描述：
如果用表示威布尔分布函数，则风能平均功率可以
表示为：
理论输出功率曲线
风电机组设计须给出功率输出特性曲线。

如果确定了风电机组的切入风速，额定风速和切出风速，可以用下述方程来计
算输出功率：
F 尖速比
尖速比是叶片叶尖线速度和额定风速之比，表示为：
尖速比是风电机组设计的一个重要设计参数，尖速比的高低影响着风轮风能利用系数的大小，，只有在特定尖速比条件下才能达到最高风能利用系数，此尖速比称之为最佳尖速比。

试验数据显示，叶片数越多，尖速比越小，对于三叶片风电机组，尖速比一般选在6——8范围时，风电机组具有较高的风能利用系数。

叶片数目
叶片数影响尖速比。

风电机组要求风轮旋转速度快，载荷轻，气动性能和结构性能好，叶片数较少的风轮容易满足这些要求。

目前对叶片数的一些争论集中在两叶片和三叶片上。

两叶片风轮由于叶片数目少，重量轻，风电机组成本较低，但是
因为两叶片尾流对塔架影响很大，特别是在大型风电机组中，由于风的剪切效应，两片叶片上的气动力会出现很大差距，成为塔架振动的强激励源。

三叶片风电机组是目前主流机型。

与两叶片相比，三叶片风电机组虽然多了一个叶片，增加了风轮重量，但是三叶片气动性能和结构性能较好。

而且从美学角度考虑，三叶片风电机组也要优于两叶片风电机组。

目前流行的三叶片风轮布局。

风轮直径
风轮直径的大小决定了捕获风能的多少。

对于大功率的风电机组，风轮直径可根据动量理论由下式进行估算
设风电机组整机效率92.5%，10m高处年平均风速5.8m/s，则可以根据经验公式大致得到
塔架参数
塔架是风电机组的支撑部件，占总成本的30%。

大型风电机组的塔架高度一般从成本考虑，塔架高度一般在70米左右，可以根据如下统计规律确定：
对于功率超过1.5MW的的机型，根据下式确定塔架高度：
塔架的直径主要受运输条件限制，一般要把直径限制在公路运输或者铁路运输标准允许的范围内，方便塔架运输。

一般而言，塔架直径不超过4m。

二、风电机组的系统总体布局
总体布局设计指气动设计方案，整机各部件、各子系统、附件和设备等的布置方案，结构承力件的布置、传力路线的分析，以及各部件和子系统的要求、组成、原理分析、结构形式、参数以及附件的选择等工作。

1 风轮气动布局设计
风电机组风轮的气动布局主要是指上风向布局或者是下
风向布局。

以风速的方向为参照，上风向布局是指风轮安装在塔架的前面；下风向布局是指风轮在塔架的后面。

目前上风向布局是主流。

上风向布局避免了塔架的塔影影响，风轮的气动性能较高，结构强度要求也较低，但是需要偏航系统实现风轮对风。

下风向布局，在大型风电机组组中很少见。

传力路线布局设计
传力路线布局主要是指传动系统的布置，传动系统可以分为机械传动系统和电气系统。

机械传动系统包括齿轮箱、刹车系统和偏航系统；电气系统包括发电机和逆变器等。

2 齿轮箱
风电机组需要齿轮箱把风轮的低转速变为发电机的高转速。

齿轮箱前端低速轴由风轮推动，输出端与发电机高速轴连接。

齿轮箱一般可以采用单级或多级正齿轮或行星齿轮。

相同增速比的情况下，行星齿轮箱效率比较高。

3 传动系统承受的载荷
齿轮箱要承受运行和故障时的载荷，载荷多在齿轮箱和发
电机之间发生。

运行载荷一般有：
有用转矩与相应产生的波动，取决于控制质量。

在一般控制时，波动是额定转矩的120%，而不会超出，在特殊情况时变距风电机组会超载50%。

制动载荷，当机械刹车布置在齿轮箱高速侧时，刹车过程与风电机组切出过程一致（对于失速控制风电机组）。

常产生的过载是由于产生了很高的刹车力矩，特别是刹车无摩擦片或硬性啮合或卡住。

并网产生的冲击载荷，特别是同步器不等于同步转速时冲击载荷更容易发生。

风轮静止维修或故障时，大风刹车产生的风轮力矩。

4 变距系统
风电机组的变距系统一般由液压伺服机构或电机伺服机
构组成，各叶片的伺服电机彼此独立，根据实际运行经验，风电机组运行过程中，即使只剩下一个叶片的变距系统正常工作，机组控制系统也应完成气动停机。

5 机械刹车系统
风电机组一般要有两套刹车设备，一套是运行刹车，另一套是紧急刹车。

运行刹车是指是正常运行情况下的反复
刹车，如风电机组在切出时，风轮从运行转速到静止的
过程。

紧急刹车一般只应用在非正常运行故障时，很少
使用。

6 偏航系统
偏航系统是风电机组实现风轮对风的关键部件。

偏航系统由机舱、承载齿圈、偏航电机及控制系统等组成，位于机舱底部和塔架连接处。

风轮轴承、齿轮箱、发电机、维护设备一起安装在机舱内，机舱焊接而成，在塔架顶端通过承载齿圈随风向旋转。

风轮偏航速度不能太高，尽管风向变化可能很快。

偏航速度会影响风电机组出力，同时还会出现叶片的疲劳载荷。

7 发电机
目前应用在风电机组上的发电机有同步发电机、异步发电机及双馈发电机，
双馈异步发电机是目前风电机组最常用的变速恒频发电机，其重要优点之一是可以使风轮在很大风速范围内按最佳尖速比运行，机组达到最大效率。

风电机组并网时，发电机定子三相直接与电网相连，转子绕组经循环变流器联入电网。

这种系统并网运行的特点是：
风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，循环变流器进行电压匹配、同步和相位控制，以便迅速的并网，并网时基本上没有电流冲击。

风轮的转速可随风速及负载的变化及时做出相应调整，使风轮始终以最佳尖速比运行，实现最大电能输出。

双馈发电机励磁可调量有三个，即励磁电流频率、幅值和相位。

调节励磁电流频率可保证发电机在变速运行时发出恒定频率的电流；改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功功率和无功功率的目的。

三、塔架的结构分析与设计
塔架是风力发电机组的支撑部分，不仅为风轮提供所需要的高度，还要承受风速产生的载荷。

塔架是风电机组总成本的重要组成部分，约占30%，选择高强度低成本的塔架是控制机组成本的主要途径之一。

现代大型风力发电机组通常采用锥筒式塔架，这类塔架安全性能好，运输和安装都很方便，成本也比较低，而且维修时比较方便、安全。

目前国际风电市场上，大型风力发电机组普遍采用了锥筒式塔架。

塔架既要满足高度、刚度及强度等要求，也要减轻重量、降低成本，目前大型风电机组多采用了“柔塔”或“甚柔塔”塔架。

就柔性塔而言，其一阶固有频率一般在风轮旋转频率的1～3 倍之间，所以还必须避免塔架与风轮发生共振。

基于塔架以上特点及性能要求，在对塔架进行设计时必须考虑的几点因
素有：塔架的静强度、屈曲、模态及疲劳等方面。

静强度
风电机组塔架不但承受风轮、机舱以及塔架自身的重量，还要承受风轮轴向力引起的弯矩，压力载荷和弯矩是塔架承受的主要静载荷。

塔架是整个风电机组最重要的承载部件，直接影响机组的工作性能和运行可靠性。

要确保风电机组的正常运行，提高机组可靠性，塔架必须首先满足抗压和抗弯强度。

疲劳强度
塔架除了承受静力载荷外，还要承受疲劳载荷。

风轮的周期性轴向力和阵风工况时的突变风轮轴向力是造成塔架疲劳的主要原因。

塔架的静力载荷比较容易确定，强度要求也容易满足，疲劳载荷则较难确定，而据统计疲劳载荷是造成塔架破坏的主要原因。

因此，对塔架进行疲劳分析非常重要。

完
2008-8-27。