风力发电机组按功率调节可分为扭头调速、叶尖扰流器气动调速和变桨距调速三种方式。
(1)扭头调速
扭头调速是当风速超过额定风速时,风轮对着风向扭转一定角度,使叶片接受风能的面积减小,从而使风轮转速保持在一定转速范围内的一种调速方式。当风速达到切出风速时,风轮叶片旋转平面与风向一致,顺桨停机。扭头调速常用在微、小型风力发电机组上。
(2)叶尖扰流器气动调速
叶尖扰流器气动调速也称叶尖失速调速,这种调速方式都是定桨距风力发电机组采用。所谓定桨距是指叶片按一定迎角固定在轮毂上。叶片尖端有一段叶片可以转动角度,当风速大于额定风速时这段叶片在液压油缸的驱动下转动一定角度使这段叶片失速,对整个叶片转动产生阻力、使风轮保持在一定转速范围内。当风速达到切出风速时,调向系统将风轮顺桨停机。
定桨距叶尖失速功率调节,常用在600kW以下的水平轴风力发电机组中。
早期的定桨距叶尖失速调节风力发电机功率的装置只能在一定范围内调节风轮转速,不具备制动能力,当风力发电机脱网时要靠高速轴上的机械制动来刹车停机。在20世纪80年代之后,将叶尖扰流器成功地用在叶尖失效调节风力发电机组的功率上,并能达到制动风轮的目的。(www.daowen.com)
定桨距叶尖扰流调节功率的叶片是以一定叶片迎角将叶片固定在轮毂上,因而在低风速时叶片接受风能的效率低,换言之,发电机的输出功率小。为了弥补定桨距在低风速的功率损失,通常采用双速异步发电机,例如4/6极异步发电机,在低风速时由6极输出,达到额定风速时切断6极输出接入4极输出电能。如600kW定桨距叶尖扰流器调节功率的水平轴风力发电机组采用4/6极异步发电机,6极时输出150kW,4极时输出600kW;750kW的4/6极异步发电机,6极时输出200kW,4极时输出750kW。
(3)变桨距功率调节,亦称风力发电机变桨距调速
变桨距功率调节是根据不同风速来改变叶片迎角以满足风力发电机组获得足够的功率的过程。它是在轮毂内安装了可以转动叶片改变迎角的液压驱动或齿轮驱动装置及叶片转动的角度传感器。当风速变化时,计算机发出指令让驱动叶片转动改变迎角的机构去转动叶片,使叶片达到最佳迎角以使风轮获得最佳功率。当风速大于额定风速时,叶片转动机构转动叶片以减小迎角,从而减小叶片接受风能的面积,保持风力发电机组有较为稳定的功率输出。
当风速达到切出风速时,叶片转动机构将叶片转动到顺桨位置,叶片失速,没有升力,只有阻力,风力发电机停止运行。
变桨距功率调节有液压连杆驱动和齿轮驱动两种方式。
变桨距功率调节结构复杂,尤其随着风力发电机组功率不断增加,直接驱动几吨重的叶片惯性体转动以满足风速变化是很困难的。变桨距功率调节与定桨距叶尖失速功率调节相比制造成本较高,但变桨距功率调节可以达到低风速获得较好的功率以及额定风速以上的风速获得稳定的功率输出的效果。
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