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●改变桨叶节距角的设定，也显著影响额定功率的输出。 ●无论从实际测量还是理论计算所得的功率曲线都可以说明，定桨距风 力发电机组在额定风速以下运行时，在低风速区，不同的节距角所对应 的功率曲线几乎是重合的。但在高风速区，节距角的变化对其最大输出 功率（额定功率点）的影响是十分明显的。 ●根据定桨距风力机的特点，应当尽量提高低风速时的功率系数和 考虑高风速时的失速性能。 中国电力科学研究院
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目前所有的定桨距风力发电机组均采用了叶尖扰流器的设计。叶 尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作 用。在风轮旋转时，作用在叶尖扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖 扰流器力图脱离桨叶主体转动到制动位置；而液压力的释放，不论是 由于控制系统是正常指令，还是液压系统的故障引起，都将导致扰流 器展开从而使风轮停止运行。因此，空气动力刹车是一种失效保护装 置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。
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3．自起动的条件
正常起动前lOmin，风力发电机组控制系统对电网、风况和机组的状态 进行检测。这些状态必需满足以下条件：
(1)电网
1)连续lOmin电网没有出现过电压、低电压； 2)电网电压0.1s内跌落值均小于设定值； 3)电网频率在设定范围之内； 4)没有出现三相不平衡等现象。
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2．风力发电机组的自起动
●风力发电机组的自起动是指风轮在自然风速的作用下，不依靠其他 外力的协助，将发电机拖动到额定转速。 ●早期的定桨距风力发电机纽不具有自起动能力，风轮的起动是在发 电机的协助下完成的，这时发电机作电动机运行，通常称为电动机起 动(Motor start)。 ●由于桨叶气动性能的不断改进，目前绝大多数风力发电机组的风轮具 有良好的自起动性能。一般在风速v> 4m／s的条件下，即可自起动到发 电机的额定转速。
(5)制动解除
1）当自起动的条件满足时，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨 叶液压缸，扰流器被收回与桨叶主体合为一体。 2）控制器收到叶尖扰流器已回收的反馈信号后，压力油的另一路进入机械 盘式制动器液压缸，松开盘式制动器。
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4.2 定桨距风力发电机组的基本控制要求
4.2.1 控制系统的基本功能
并网运行的风力发电机组的控制系统必须具备以下功能： (1)根据风速信号自动进入起动状态或从电网切出。 (2)根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。 (3)根据风向信号自动对风。 (4)根据功率因素自动投入（或切出）相应的补偿电容。 (5)当发电机脱网时，能确保机组安全停机。 (6)在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行监测 和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，并能够 根据记录的数据生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。 (7)对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信的功能。
P(W)
6000
9m/s
4000
7m/s
2000
5m/s 3m/s
0 100
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200
300
400
500
600
n(r/min)
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? 低风速运行时的效率问题 ? 发电机低负荷时的效率问题
目前用于风力发电机组的发电机已能设计得非常理想: 在P>30%额定功率范围内，均有高于90%的效率 但当功率P<25%额定功率时，效率仍然会急剧下降。 为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机，分别设 计成4极和6极。一般6极发电机额定功率设计成4极发电机的1/50～1/4 ● 600kW定桨距风力发电机组一般设计成6极150kW和4极600kW; ● 750kW风力发电机组设计成6极200kW和4极750kW； ● 1000kW风力发电机组设计成6极200kW和4极1000kW。
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为了解决这一问题，近年来定桨距风力发电机组制造商又研制了主动 失速型定桨距风力发电机组。采取主动失速的风力机开机时，将桨叶节距 推进到可获得最大功率位置，当风力发电机组超过额定功率后，桨叶节距 主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围 内的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。 中国电力科学研究院
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这样，当风力发电机组在低风速段进行时，不仅桨叶具有较高的气动效 率，发电机的效率也能保持在较高水平，从而使定桨距风力发电机组与变桨 距风力发电机组在进入额定功率前的功率曲线差异不大。
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当桨叶的安装角β不变，随 着风速增加攻角i增大，升力系 数Cf线性增大；在接近Clmax 时，增加变缓，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，升力减少，造成叶片 失速，从而限制了功率的增加.
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7．节距角与额定转速的设定对功率输出的影响
●对同样直径的风轮驱动的风力发 电机组，其发电机额定转速可以有 很大变化，而额定转速较低的发电 机在低风速时具有较高的功率系 数；额定转速较高的发电机在高风 速时具有较高的功率系数，这就是 采用双速发电机的根据。 ●需说明的是，额定转速并不是按在额 定风速时具有最大的功率系数设定的。 ●定桨距风力发电机组早在风速达到 额定值以前就已开始失速了，到额定 点时的功率系数已相当小。
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定桨距风力发电机组必须解决的两个问题：
一是当风速高于风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; 二是运行中的风力发电机组在突然失去电网（突甩负载）的 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。
解决上述问题的两项关键技术：
● 20世纪70年代桨叶制造商首先用玻璃钢复合材料研制成功了 失速性能良好的风力机桨叶，解决了定桨距风力发电机组在大风 时的功率控制问题。 ● 20世纪80年代又将叶尖扰流器成功地应用在风力电机组上，解 决了在突甩负载情况下的安全停机问题。
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2.桨叶的失速调节原理
当桨叶的安装角β不变，随着风速增加攻角i增大，升力系数Cf线性 增大；在接近Clmax时，增加变缓，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，升力减少，造成叶片失速，从而限制了功率的增加. 中国电力科学研究院
4．空气动力刹车
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0.5 0.45 0.4 0.35
C p
5. 双速发电机
0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 10 12 14

12000
11m/s
10000
8000
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失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因而根部叶面 先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速的部 分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减 少，未失速部分仍有功率增加。从而使输入功率保持在额定功率附近。
风力发电机组控制技术
王生铁
2012年10月12日
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第四章 典型风力发电机组控制系统 结构
4.1 定桨距风力发电机组的特点
4.1.1 定桨距风力发电机组的结构特点 1.风轮结构
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2)风况
连续lOmin风速在风力发电机组运行风速的范围内(3. Om/s <v<25m／s)。
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