b第二章定桨恒速风力发电机组的控制解析
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40o
-30o
-20o -10o 0o Cl min -0.2
10o
iM20
o
30o
i
•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前 缘位置）、表面粗糙度等都会影响升 力系数与阻力系数。 •对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流， 造成阻力增加，
5、旋转桨叶的气动力
风向
i
安装角（桨距角、节距角）： 回转平面与桨叶截面弦长的夹角
Cp
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 13° 15°
额定风速 恒定功率
切出风速 切入风速
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
3、桨叶的几何参数与空气动力特性
1、桨叶的翼型
0 零升力角
升力角 风向
弦长
v
i 功角
l
攻角：来流方向与弦线的夹角i 零升力角：弦线与零升力线夹角θ 升力角：来流方向与零升力线夹角θ0
图2-1 桨叶的失速原理
1. 风力机能量转换过程
气流动能为
E
1 2 m 空气质量，v 气流速度 mv 2
1 Sv 3 2
密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv
则单位时间内气流所具有的动能为 E
Sv1
Sv
Sv2
理想风轮与贝兹（Betz）理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： E Sv (v12 v2 ) 令两式相等，得 v
一、叶轮结构 二、桨叶的失速调节原理 三、叶尖扰流器 四、双速发电机 五、功率输出 六、桨距角与额定转速的设定对功率输出的影响
一、叶轮结构
定桨恒速风力发电机组的主要结构特点：桨叶与轮毂 的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不 能随之变化。 这一特点给定桨恒速风力发电机组提出了几个必须解 决的问题: 一是当风速高于叶轮的设计点风速即额定风速时，桨 叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力 发电机组上所有材料的物理性能是有限度的，桨叶的这 一特性被称为自动失速性能； 二是运行中的风力发电机组在电网突然失电或其他紧 急情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机 组能够在大风情况下安全停机。
Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算 的原始依据。
4、升力和阻力的变化曲线
•升力系数与阻力系数是随攻角变化的
0.8 0.6 0.4 0.2
Cl
Cd
•升力系数随攻角的增加而增加，使得 桨叶的升力增加，但当增加到某个角 度后升力开始下降；阻力系数开始上 升。出现最大升力的点叫失速点。
Pmax 16 0.593 E 27
2、风力机的主要特性系数
1、风能利用系数 C P： 1 3 P 风力机的实际功率 S 2 v1 SC P 其中CP为风能利用系数，它小于0.593 2、叶尖速比 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比
2Rn v
二、桨叶的失速调节原理
当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲 而使气流加速，压力较低；
凹面较平缓而使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升 力。
二、桨叶的失速调节原理
桨叶的失速性能是指它在最大升力系数Clmax附近的性能。 一方面，当桨叶的安装角β不变，随着风速增加攻角i增大时，升力系数Cl线 性增大；在接近Clmax时，增大变缓；达到Clmax后开始减小。 另一方面，阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，这 是由于气流在叶片上的分离区随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流 动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升 力减小，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，如图2-1所示。
风电机组检测与控制
• 张兰红 • 盐城工学院 电气工程学院
第二章
定桨恒速风力发电机组的控制
第一节 第二节 第三节
第四节
定桨恒速风力发电机组的工作原理 定桨恒速风力发电机组的监测与运行控制 定桨恒速风力发电机组的发电过程控制
定桨恒速风力发电机组的制动与保护系统
第一节 定桨恒速风力发电机组的工作原理
-u
I
倾斜角
v
dD气流阻力 运动旋转方向 I
dL气流升力
dF气流W产生的气动力
I
相对 w 速度
u R 2Rn
1 Cl w2 dS 2 1 dD Cd w 2 dS 2 dL
v1 v 2 2
1 2 S (v12 v2 )( v1 v2 ) 4
2
经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令
dP 0 得 dv2
1 v2 ，代入后得到的最大理想功率为 v1 3
Pmax
8 Sv13 27
与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：
max
一、叶轮结构
早期定桨恒速风力发电机组的叶轮并不具备制动能力，脱网时 完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械制动装置通过摩擦制动， 即通过摩擦力做功耗尽风力发电机组的旋转动能来实现制动。 这对于数十千瓦的机组来说问题不大，但对于大型风力发电机 组如果只采用摩擦制动，就会短时间在局部位置上产生巨大的热量 ，对机组的安全性和传动系统的结构强度产生严重的影响。 1956年，丹麦工程师Johannes Juul针对定桨恒速风力发电机发 明了紧急叶尖气动刹车。当风力机超速时，通过离心力的作用将叶 尖气动阻尼板释放。为控制风力机转速提供了新的技术方案。 20 世纪 80 年代，桨叶开发商以此为基础完成了叶尖扰流器的设 计，并成功地应用在失速性桨叶上，解决了在高风速情况下的安全 停机问题，使定桨恒速风力发电机组在相当长的时期内占据了主导 地位，直到推出兆瓦级变速恒频风力发电机组。
3、桨叶的几何参数与空气动力特性
2、桨叶上的气动力
F 1 Cr Sv 2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2
Fl
A C 压力中心
1 Cl Sv 2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 2
1wk.baidu.comCd Sv 2 2
B
Fd
v
i
阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数
-30o
-20o -10o 0o Cl min -0.2
10o
iM20
o
30o
i
•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前 缘位置）、表面粗糙度等都会影响升 力系数与阻力系数。 •对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流， 造成阻力增加，
5、旋转桨叶的气动力
风向
i
安装角（桨距角、节距角）： 回转平面与桨叶截面弦长的夹角
Cp
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 13° 15°
额定风速 恒定功率
切出风速 切入风速
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
3、桨叶的几何参数与空气动力特性
1、桨叶的翼型
0 零升力角
升力角 风向
弦长
v
i 功角
l
攻角：来流方向与弦线的夹角i 零升力角：弦线与零升力线夹角θ 升力角：来流方向与零升力线夹角θ0
图2-1 桨叶的失速原理
1. 风力机能量转换过程
气流动能为
E
1 2 m 空气质量，v 气流速度 mv 2
1 Sv 3 2
密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv
则单位时间内气流所具有的动能为 E
Sv1
Sv
Sv2
理想风轮与贝兹（Betz）理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： E Sv (v12 v2 ) 令两式相等，得 v
一、叶轮结构 二、桨叶的失速调节原理 三、叶尖扰流器 四、双速发电机 五、功率输出 六、桨距角与额定转速的设定对功率输出的影响
一、叶轮结构
定桨恒速风力发电机组的主要结构特点：桨叶与轮毂 的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不 能随之变化。 这一特点给定桨恒速风力发电机组提出了几个必须解 决的问题: 一是当风速高于叶轮的设计点风速即额定风速时，桨 叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力 发电机组上所有材料的物理性能是有限度的，桨叶的这 一特性被称为自动失速性能； 二是运行中的风力发电机组在电网突然失电或其他紧 急情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机 组能够在大风情况下安全停机。
Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算 的原始依据。
4、升力和阻力的变化曲线
•升力系数与阻力系数是随攻角变化的
0.8 0.6 0.4 0.2
Cl
Cd
•升力系数随攻角的增加而增加，使得 桨叶的升力增加，但当增加到某个角 度后升力开始下降；阻力系数开始上 升。出现最大升力的点叫失速点。
Pmax 16 0.593 E 27
2、风力机的主要特性系数
1、风能利用系数 C P： 1 3 P 风力机的实际功率 S 2 v1 SC P 其中CP为风能利用系数，它小于0.593 2、叶尖速比 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比
2Rn v
二、桨叶的失速调节原理
当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲 而使气流加速，压力较低；
凹面较平缓而使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升 力。
二、桨叶的失速调节原理
桨叶的失速性能是指它在最大升力系数Clmax附近的性能。 一方面，当桨叶的安装角β不变，随着风速增加攻角i增大时，升力系数Cl线 性增大；在接近Clmax时，增大变缓；达到Clmax后开始减小。 另一方面，阻力系数Cd初期不断增大；在升力开始减小时，Cd继续增大，这 是由于气流在叶片上的分离区随攻角的增大而增大，分离区形成大的涡流，流 动失去翼型效应，与未分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升 力减小，造成叶片失速，从而限制了功率的增加，如图2-1所示。
风电机组检测与控制
• 张兰红 • 盐城工学院 电气工程学院
第二章
定桨恒速风力发电机组的控制
第一节 第二节 第三节
第四节
定桨恒速风力发电机组的工作原理 定桨恒速风力发电机组的监测与运行控制 定桨恒速风力发电机组的发电过程控制
定桨恒速风力发电机组的制动与保护系统
第一节 定桨恒速风力发电机组的工作原理
-u
I
倾斜角
v
dD气流阻力 运动旋转方向 I
dL气流升力
dF气流W产生的气动力
I
相对 w 速度
u R 2Rn
1 Cl w2 dS 2 1 dD Cd w 2 dS 2 dL
v1 v 2 2
1 2 S (v12 v2 )( v1 v2 ) 4
2
经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令
dP 0 得 dv2
1 v2 ，代入后得到的最大理想功率为 v1 3
Pmax
8 Sv13 27
与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：
max
一、叶轮结构
早期定桨恒速风力发电机组的叶轮并不具备制动能力，脱网时 完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械制动装置通过摩擦制动， 即通过摩擦力做功耗尽风力发电机组的旋转动能来实现制动。 这对于数十千瓦的机组来说问题不大，但对于大型风力发电机 组如果只采用摩擦制动，就会短时间在局部位置上产生巨大的热量 ，对机组的安全性和传动系统的结构强度产生严重的影响。 1956年，丹麦工程师Johannes Juul针对定桨恒速风力发电机发 明了紧急叶尖气动刹车。当风力机超速时，通过离心力的作用将叶 尖气动阻尼板释放。为控制风力机转速提供了新的技术方案。 20 世纪 80 年代，桨叶开发商以此为基础完成了叶尖扰流器的设 计，并成功地应用在失速性桨叶上，解决了在高风速情况下的安全 停机问题，使定桨恒速风力发电机组在相当长的时期内占据了主导 地位，直到推出兆瓦级变速恒频风力发电机组。
3、桨叶的几何参数与空气动力特性
2、桨叶上的气动力
F 1 Cr Sv 2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2
Fl
A C 压力中心
1 Cl Sv 2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 2
1wk.baidu.comCd Sv 2 2
B
Fd
v
i
阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数