1、被動變槳控制技術在小型風力發(fā)電被動變槳控制技術在小型風力發(fā)電機組中的應用機組中的應用 浙江華鷹風電設備有限公司浙江華鷹風電設備有限公司總經理、電氣高級工程師：徐學根總經理、電氣高級工程師：徐學根2011.2.25 中國北京中國北京20112011年小型風力發(fā)電機國際論壇年小型風力發(fā)電機國際論壇一、國內小型風力發(fā)電機組當前的主要技術類型、特點和存在的問題一、國內小型風力發(fā)電機組當前的主要技術類型、特點和存在的問題 隨著近幾年世界范圍內對低碳經濟的重視，作為分布式供電系統(tǒng)重隨著近幾年世界范圍內對低碳經濟的重視，作為分布式供電系統(tǒng)重要組成部分的中小型風力發(fā)電機組得到了長足的發(fā)展，同時也存在一些要組成

2、部分的中小型風力發(fā)電機組得到了長足的發(fā)展，同時也存在一些技術和質量方面的問題。從目前國內主流的中小型風力發(fā)電機看，主要技術和質量方面的問題。從目前國內主流的中小型風力發(fā)電機看，主要技術類型有兩種：技術類型有兩種：1.上風向、帶尾舵、被動偏航限速；上風向、帶尾舵、被動偏航限速；2.上風向、無尾舵、上風向、無尾舵、風速風向儀對風、主動偏航限制。（如圖風速風向儀對風、主動偏航限制。（如圖1、圖、圖2） 圖圖1：上風向、帶尾舵、被動：上風向、帶尾舵、被動偏航限速。偏航限速。 圖圖2：上風向、無尾舵、風速風：上風向、無尾舵、風速風向儀對風、主動偏航限制。向儀對風、主動偏航限制。 這兩種類型的主要特點是：

3、這兩種類型的主要特點是：A.對風采用尾舵對風或采用風速風向儀自動對風，一般效對風采用尾舵對風或采用風速風向儀自動對風，一般效果較好。果較好。B.風力發(fā)電機結構簡單，發(fā)電機、機艙、輪轂設計簡單，風力發(fā)電機結構簡單，發(fā)電機、機艙、輪轂設計簡單，成本較成本較低。低。C.在大風中限速采用被動偏航或主動偏航控制。在大風中限速采用被動偏航或主動偏航控制。 同時這兩種類型的風力發(fā)電機在實同時這兩種類型的風力發(fā)電機在實際使用也存在明顯的不足，存在一些際使用也存在明顯的不足，存在一些由于控制技術方面存在的問題：由于控制技術方面存在的問題：1. 風機限速功能較差風機限速功能較差: 在大風中風機限速問題成為小型風力

4、發(fā)電機組運行安全性、在大風中風機限速問題成為小型風力發(fā)電機組運行安全性、可靠性的首要問題。上述的兩種風力機類型，是定槳矩類型，風可靠性的首要問題。上述的兩種風力機類型，是定槳矩類型，風輪隨著受風風力的加大而不斷增加轉速，發(fā)電機輸出電壓和功率輪隨著受風風力的加大而不斷增加轉速，發(fā)電機輸出電壓和功率以三次方的比例上升，第一種上風向帶尾舵被動偏航限速，可靠以三次方的比例上升，第一種上風向帶尾舵被動偏航限速，可靠性較差，常常在大風中無法有效偏航限速導致轉速失控、電壓上性較差，常常在大風中無法有效偏航限速導致轉速失控、電壓上升擊毀控制器，甚至風葉飛出、風機吹掉；第二種上風向無尾舵升擊毀控制器，甚至風葉飛

5、出、風機吹掉；第二種上風向無尾舵主動偏航限速，性能已優(yōu)于第一種類型，但它不停地測風速和風主動偏航限速，性能已優(yōu)于第一種類型，但它不停地測風速和風向，偏航回轉機構不停地工作，控制系統(tǒng)及偏航電機都靠電力驅向，偏航回轉機構不停地工作，控制系統(tǒng)及偏航電機都靠電力驅動，電的傳輸和儲存都存在問題，一旦偏航回轉機構失靈后果不動，電的傳輸和儲存都存在問題，一旦偏航回轉機構失靈后果不不堪設想，會出現(xiàn)在大風中偏航不靈敏、風輪轉速失控上升，嚴不堪設想，會出現(xiàn)在大風中偏航不靈敏、風輪轉速失控上升，嚴重時會風葉飛出、機組損毀重時會風葉飛出、機組損毀 。2. 剎車停機功能缺乏：剎車停機功能缺乏： 目前這兩種機型都缺乏必要

6、的剎車停機手段，采用的電磁制動是目前這兩種機型都缺乏必要的剎車停機手段，采用的電磁制動是控制器上人為地將發(fā)電機三相輸出短接，這種方式在風輪轉速較快控制器上人為地將發(fā)電機三相輸出短接，這種方式在風輪轉速較快的情況下會造成大電流沖擊燒壞發(fā)電機，同時對主軸、塔桿造成嚴的情況下會造成大電流沖擊燒壞發(fā)電機，同時對主軸、塔桿造成嚴重機械沖擊，這種方式應該淘汰。重機械沖擊，這種方式應該淘汰。 3. 后端配置偏大后端配置偏大 ： 由于對于風輪轉速缺乏有效的控制，為了避免對后端的控制器、由于對于風輪轉速缺乏有效的控制，為了避免對后端的控制器、逆變器系統(tǒng)造成損害，所以很多逆變系統(tǒng)生產廠家通過加大卸荷逆變器系統(tǒng)造成

7、損害，所以很多逆變系統(tǒng)生產廠家通過加大卸荷電阻功率，加大匹配功率，如電阻功率，加大匹配功率，如10kw風力發(fā)電機配風力發(fā)電機配20kw控制器、控制器、逆變器等系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了機組整體成本，削弱逆變器等系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了機組整體成本，削弱了市場競爭力。了市場競爭力。 因此現(xiàn)有的風力發(fā)電機組技術，由于是定槳矩設因此現(xiàn)有的風力發(fā)電機組技術，由于是定槳矩設計，偏航限速控制，存在問題突出表現(xiàn)在低風速計，偏航限速控制，存在問題突出表現(xiàn)在低風速下啟動困難，高風速下限速困難，且無有效停車下啟動困難，高風速下限速困難，且無有效停車機構，在國內國際市場應用上也出現(xiàn)一定的負面機構，在國內國

8、際市場應用上也出現(xiàn)一定的負面影響，影響了中國小型風力發(fā)電機行業(yè)的發(fā)展和影響，影響了中國小型風力發(fā)電機行業(yè)的發(fā)展和國際市場競爭力。國際市場競爭力。二、變槳矩技術在中小型風力發(fā)電機組中應用的必要性和緊迫性二、變槳矩技術在中小型風力發(fā)電機組中應用的必要性和緊迫性 我國現(xiàn)有小型風力發(fā)電機組存在的問題，都是與它的主要結構定槳矩分不開的，如果能把定槳矩改為變槳矩，把偏航限速、卸荷限速這種“從后控制”方式改為控制風輪轉速“從頭控制”方式，將徹底解決這些存在的問題。因此在目前大多數(shù)廠家還在沿用以往帶尾舵限速和定槳偏航風機的情況下，推廣使用變槳矩風機，對現(xiàn)有風力發(fā)電機升級換代，提升國內小型風力發(fā)電機品質和技術水

9、平，具有十分重要的必要性和緊迫性。變槳矩指在葉片根部加裝變槳軸承，葉片可以沿自身的軸線旋轉，改變風輪的槳矩角，進而改變攻角。（如上圖）變槳矩技術的原理與優(yōu)勢變槳矩技術的原理與優(yōu)勢變槳矩與變槳矩風機的比較優(yōu)勢變槳矩與變槳矩風機的比較優(yōu)勢 定槳矩是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳矩角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化，故減速比一定，啟動風速高，限速困難，輸出功率不穩(wěn)定。（如圖三） 變槳矩調節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳矩角可以隨風速的大小而進行自動調節(jié)，因而盡可能多地吸收風能轉化為電能，同時在高風速能有效控制轉速，保持功率穩(wěn)定輸出，缺點是機構和制作工藝相對復雜。（如圖四） 三、下風向被

10、動變槳技術原理、機組特點及優(yōu)勢三、下風向被動變槳技術原理、機組特點及優(yōu)勢 把變槳矩控制技術應用到小型風力發(fā)把變槳矩控制技術應用到小型風力發(fā)電機組中，首先考慮的是成本問題，采用電機組中，首先考慮的是成本問題，采用類似大風機電子主動變槳控制技術應用到類似大風機電子主動變槳控制技術應用到50kw以下的機型中是不現(xiàn)實的，因此我們以下的機型中是不現(xiàn)實的，因此我們采用的下風向被動變槳技術，解決了這一采用的下風向被動變槳技術，解決了這一技術與成本難題。技術與成本難題。下風向被動變槳風力發(fā)電機組原理簡介下風向被動變槳風力發(fā)電機組原理簡介 通過風力發(fā)電機風輪旋轉時離心錘所產生的離心力，來控制調節(jié)風葉的槳矩角，使

11、風輪在低風速時處于正的啟動角度可以產生一個較大的啟動力矩；接近額定風速時保持在最佳迎風角位置，達到最佳尖速比，獲得大的風能利用系數(shù)；當超過額定風速時，風葉槳矩角在離心力的作用下趨向負角，對風輪限速從而始終將風力發(fā)電機轉速控制在額定轉速以內，限制發(fā)電機輸出電壓過大達到功率平穩(wěn)輸出；還可以通過剎車裝置在遇強風或臺風時，對風機進行人工或自動停機保護。風機變槳技術原理 機組特點：機組特點： 1 1、下風向設計、下風向設計a.下風向設計就是風輪相對風向處在塔桿的下側，通過風輪自身承受的風壓來自動對風，解決風機的對風問題。b.不需要其他對風裝置，省去尾舵、偏航等機構，外形更緊湊美觀。2 2、采用被動變槳技

12、術、采用被動變槳技術當風速改變時，通過風機自身的離心裝置和復位裝置自動去改變槳葉的槳矩角；相對主動電子變槳省去控制器、風速風向儀、plc偏航等巨額成本。3 3、與下風向風力發(fā)電機有機結合、與下風向風力發(fā)電機有機結合因為有了變槳技術，所以不需要限速機構，如偏航齒輪或尾舵；正因為可以去掉龐大的尾舵限速機構，可以設計成下風向結構。 機組特點：機組特點： 4、.主機與塔桿之間采用減震裝置，避免風機運轉過程中振動造成的機械損害，可以有效消除“塔影”效應。5、.剎車機構：主動變槳柔性剎車停機，通過塔桿底部的停車機構將風葉槳矩角調整到一定的負角，通過持續(xù)的風壓產生反轉力矩，從而達到風速停機。機組特點：機組特

13、點： 6、功率輸出明顯優(yōu)于定槳矩風機備注備注:上圖為上圖為10KW變槳風機在變槳風機在25m/s風速以下輸出功率曲線風速以下輸出功率曲線機組特點：機組特點： 6、功率輸出明顯優(yōu)于定槳矩風機備注備注:上圖為上圖為10KW定槳風機在定槳風機在16m/s風速以下輸出功率曲線風速以下輸出功率曲線機組特點：機組特點： 7、變槳風機在各級年平均風速下發(fā)電量圖表備注備注:上圖為變槳風機在正常運行狀態(tài)下采集的發(fā)電數(shù)據(jù)上圖為變槳風機在正常運行狀態(tài)下采集的發(fā)電數(shù)據(jù)機組特點：機組特點： 7、變槳風機在各級年平均風速下發(fā)電量曲線圖備注備注:曲線圖表所用數(shù)據(jù)來自變槳風機在正常運行狀態(tài)下采集形成曲線圖表所用數(shù)據(jù)來自變槳風

14、機在正常運行狀態(tài)下采集形成四、工程應用案例與發(fā)展前景四、工程應用案例與發(fā)展前景 一）工程應用案例一）工程應用案例 1.海濱公園海濱公園2KW離網(wǎng)供電運行離網(wǎng)供電運行 2.上海滴水湖生態(tài)園上海滴水湖生態(tài)園2KW離網(wǎng)運行工離網(wǎng)運行工程案例（世界自然基金會河口管理綜程案例（世界自然基金會河口管理綜合項目點）合項目點）一）工程應用案例一）工程應用案例 5.愛爾蘭愛爾蘭5KW并網(wǎng)運行并網(wǎng)運行 6.泰國泰國5KW并網(wǎng)運行并網(wǎng)運行四、工程應用案例與發(fā)展前景四、工程應用案例與發(fā)展前景 一）工程應用案例一）工程應用案例 7.10KW移動基站風光互補供電運行移動基站風光互補供電運行 8. 10KW上海世博會離網(wǎng)運行工程案例上海世博會離網(wǎng)運行工程案例 四、工程應用案例與發(fā)展前景四、工程應用案例與發(fā)展前景 一）工程應用案例一）工程應用案例 9. 30KW加拿大并網(wǎng)運行工程案例加拿大并網(wǎng)運行工程案例 10.30KW意大利并網(wǎng)運行工程案例意大利并網(wǎng)運行工程案例 四、工程應用案例與發(fā)展前景四、工程應用案例與發(fā)展前景 一）工程應用案例一）工程應用案例 9. 10.30KW “973風電風電”項項目在海水淡化供電運用目在海水淡化供電運用四、工程應用案例與發(fā)展前景四、工程應用案例與發(fā)展前景 10.30KW “973風電風電”項目在油田供電運用項目在