WO2010072112A1 - 风力发电机组、风力发电系统及其运行控制方法 - Google Patents

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WO2010072112A1
WO2010072112A1 PCT/CN2009/075146 CN2009075146W WO2010072112A1 WO 2010072112 A1 WO2010072112 A1 WO 2010072112A1 CN 2009075146 W CN2009075146 W CN 2009075146W WO 2010072112 A1 WO2010072112 A1 WO 2010072112A1
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wind
blade
wind speed
generator
power
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PCT/CN2009/075146
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吴佳梁
李成峰
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三一电气有限责任公司
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0236—Adjusting aerodynamic properties of the blades by changing the active surface of the wind engaging parts, e.g. reefing or furling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
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    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2240/20—Rotors
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    • F05B2240/2021—Rotors with adjustable area of intercepted fluid by means of telescoping blades
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/103—Purpose of the control system to affect the output of the engine
    • F05B2270/1033—Power (if explicitly mentioned)
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • Wind turbine Wind turbine, wind power generation system and operation control method thereof
  • the invention relates to the field of wind power generators, and in particular to a wind power generator set, a wind power generation system and an operation control method thereof.
  • Wind power is currently the largest and fastest growing renewable energy source. With the accelerated growth of wind energy utilization, the scale of wind turbines (hereinafter referred to as wind turbines) has also increased. Currently, the global average installed capacity has reached 2MW.
  • the rated wind speed of such a megawatt wind turbine is usually set at 12-14m/s, while the annual wind speed of the second and third wind farms, which account for the vast majority of domestic wind farms, accounts for only 7%-10% of the rated wind speed.
  • the present invention provides a wind power generator set, which can increase the maximum annual power generation of a wind farm and optimize the output power quality of the wind farm.
  • the present invention also provides a wind power generation system and an operation control method thereof. .
  • the present invention provides a wind power generator comprising a wind wheel, a main shaft and a generator, the wind wheel comprising a blade and a hub, the blade root of the blade being fixed on the hub, the wheel
  • the hub is connected to one end of the main shaft, and the other end of the main shaft is connected to the generator through a power transmission system, the blade is a telescopic structure, and the blade is stretched in a preset low wind speed range, at a preset high wind speed The blade is contracted within the range; a pitching system is disposed between the blade and the hub such that the blade is rotatable about an axis.
  • the blade is a spoiler-increasing airfoil.
  • the blade includes a fixed blade, a telescopic blade and a linear motion driving mechanism for driving the telescopic blade; the linear motion driving mechanism is assembled at one end in the inner cavity of the fixed blade, and the other end is coupled to the telescopic Blade connection.
  • the blade further includes a supporting mechanism and a movable sliding plate; the supporting mechanism is fixed in the inner cavity of the fixed blade; the sliding plate is mounted on the supporting mechanism; one end of the sliding plate and the straight line The motion driving mechanism is connected, and the other end is connected to the telescopic blade.
  • the linear motion driving mechanism is one of a cylinder, a cylinder or an electric push rod.
  • the wind turbine has a rated wind speed of 6 - 1 Om/s.
  • the wind power generation system includes a plurality of the above-described wind power generators, a converter that rectifies and frequency-converts the generator output power, and a transformer that boosts the generator output power to the grid transmission voltage.
  • auxiliary power generating devices are further included for adjusting the generator output power.
  • the auxiliary power generating device is a diesel engine.
  • the wind power generation system operation control method provided by the invention comprises the following steps:
  • the blade When the current wind speed of the wind farm is greater than the rated wind speed and less than the cut wind speed, the blade is contracted and pitched; when the current wind speed of the wind farm is less than the cut-in wind speed or greater than the cut-out wind speed, the blade feathers and shrinks to the shortest, and the grid-connected power generation is stopped.
  • the method comprises the following steps:
  • the auxiliary power generating device When the current wind speed of the wind farm is greater than the cut-in wind speed and less than the rated wind speed, the auxiliary power generating device is turned on; when the current wind speed of the wind farm is less than the cut-in wind speed or greater than the cut-out wind speed, the auxiliary power generating device is turned off.
  • the invention can increase the maximum annual power generation of the wind farm and optimize the output power quality of the wind farm, specifically: adopting a telescopic blade structure, correspondingly reducing the rated wind speed and rated work of the wind turbine
  • the set value allows the fan to work in the rated power generation state for most of the year, increasing the full-time power generation time of the year; combining the telescopic blade structure with the pitch system to adjust the output power and optimize the output power quality of the wind farm , its regulation range is large and flexible.
  • the spoiler-increasing airfoil design is adopted to increase the wind energy utilization coefficient and increase the annual power generation of the fan.
  • the output power of the wind farm is stabilized at the designed output power value, and the wind power is connected in an unlimited amount.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the composition of a wind turbine generator and a wind power generation system according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a working principle diagram of the wind turbine blade of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic structural view of a preferred embodiment of the wind turbine blade of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a flow chart of a preferred embodiment of the wind power generation system operation control method of the present invention.
  • the basic idea of the present invention is that the wind turbine adopts a telescopic blade structure to reduce the rated wind speed and rated power of the wind turbine; the telescopic blade structure and the pitch system are combined to adjust the output power.
  • FIG. 1 is a block diagram of a preferred embodiment of a wind turbine generator and a wind power generation system according to the present invention.
  • the wind power generator set 1 of the present invention comprises:
  • the wind wheel 11 is configured to convert wind energy into mechanical energy; the wind wheel 11 includes a blade 111 and a hub 112. The blade root of the blade 111 is fixed on the hub 112. The hub 112 is connected to the main end of the main shaft 12, and the other end of the main shaft 12 passes.
  • a drive train (such as gearbox 13) is coupled to generator 14. among them,
  • the blade 111 is a telescopic structure: the blade is stretched in a preset low wind speed range to improve wind energy capture and reduce the wind wheel starting torque; the blade is contracted within a preset high wind speed range to adjust the fan output power.
  • the high wind speed is greater than 12 m/s
  • the low wind speed is less than 7 m/s; of course, depending on the wind speed distribution of the wind farm, the high wind speed and the low wind speed can also be set to other values, and will not be described again here.
  • the blade 111 is a wing-lift spoiler, similar to the shape of large aircraft wing, to increase the power coefficient C p value, increased annual power generation turbine.
  • a pitching system (not shown) is disposed between each of the blades 111 and the hub 112 such that the blades 111 are rotatable about the shaft or adjust the pitch.
  • the variable pitch system consists of a variable pitch bearing, a driving mechanism, a prime mover and The composition of the accessories, the specific structure can adopt the prior art scheme, such as the variable pitch system disclosed in "Wind Energy Technology” (Tony Burton et al., Wu Xin et al., Science Press, September 2007).
  • the key component in the variable pitch system is a variable pitch bearing, similar to the slewing bearing of the crane, between the single blade 111 and the hub 112; the inner and outer rings of the variable pitch bearing are respectively bolted and The hub 112 is coupled to the blades 111 such that the blades 111 can be pitched relative to their axes.
  • the main shaft 12 is used for transmitting torque from the wind wheel 11 to other components of the power train, and also supports the wind wheel 11; generally, the main shaft 12 is connected to the hub 112 by a flange, and is connected to the gear box 13 by a shrink disk. . At the same time, the main shaft 12 is supported by the bearing, and the load is transmitted to the machine to grab the bottom plate (not shown).
  • the gear box 13 is used to raise the rotational speed of the wind wheel 11 on the high speed shaft side to the rotational speed suitable for the generator 14.
  • the gearbox 13 can be a parallel shaft or a planetary type to meet the requirements of light weight, high efficiency, large carrying capacity, low noise, and small starting torque.
  • the gear box 13 is not required, and the rotor of the hub 112 and the generator 14 is connected by the low speed shaft.
  • the generator 14 which is placed at the rear of the gearbox 13 and on the extension of the bottom plate, is connected to the output shaft of the gearbox 13 via a high speed shaft and an elastic coupling.
  • the hub 112 and the rotor of the generator 14 are connected by a low speed shaft.
  • an induction motor is often used in a fixed speed unit; in a variable speed unit, the generator 14 is not directly connected to the grid, so a synchronous motor can be used.
  • Mechanical brake system (not shown) for stopping and braking, especially when the aerodynamic brake system fails.
  • the mechanical brake system can be of the disc type and the clutch type, and will not be described here.
  • the yaw system (not shown) is used to achieve wind turbine ventilation, that is, to keep the wind forward and wind away from the wind; or to unwind the cable when it is over-twisted.
  • the yaw system may be of two types: active yaw or free yaw; the former may be driven by a motor and the latter by aerodynamic drive.
  • the yaw system includes at least a yaw bearing to carry the weight of the main components in the wind turbine 1 and to transmit pneumatic thrust to the tower.
  • the yaw bearing contains a ring gear, and the pinion gear in the yaw drive mechanism meshes with it to drive the cabin floor to swing.
  • the machine is grabbed (not shown), including the machine grabbing the bottom plate and the machine grabbing the cover; the former is used to install the structural parts of the gear box 13, the generator 14, the yaw bearing, etc., and the latter is used to protect the mechanical and electrical parts on the bottom plate. Affected by sunlight, rain, ice and snow.
  • the top of the tower is connected to the fixed ring of the yaw bearing, and the bottom of the tower is fixed to the foundation. It is used to raise the main components of the wind turbine 1 to a certain height. This is because the wind speed increases with height and the turbulence phenomenon decreases.
  • the controller (not shown) is used for the control of the transition process of the wind turbine 1 from one operating state to another, including standby, starting, generating operation, shutdown, and shutdown.
  • the telescopic structural design of the blades 111 of the wind turbine 1 is critical, as further described below.
  • the wind wheel 11 can be regarded as an engine of a fan, and increasing the length of the blade 111 can increase the swept area of the wind wheel 11, thereby increasing the output power of the fan.
  • P is the rated power
  • C p is the wind turbine utilization coefficient
  • ? is the air density
  • / 2 is the transmission efficiency
  • the generator efficiency is the wind turbine diameter
  • the diameter of the wind turbine mainly depends on the rated power of the fan and the rated wind speed; thus, as long as the rated power of the fan and the rated wind speed are determined, the diameter of the wind wheel can be calculated.
  • FIG. 2 is a working principle diagram of the wind turbine blade of FIG. 1.
  • / is the outer circle radius of the rotor blade
  • r and r are the maximum outer circle radius and the minimum outer circle radius when the wind wheel blade is extended respectively
  • / is the inner circle radius of the wind wheel blade
  • / ⁇ / ⁇ is the maximum inner circle radius when the wind turbine blade is extended and the minimum inner circle radius when the wind turbine blade is extended
  • r m is the radius of the wind turbine blade expansion center.
  • the relevant parameters of the rotor blade can be designed according to formula (1) and formula (2).
  • the present invention advances the rated wind speed to 6-10 m/s, and correspondingly reduces the set value of the rated power P of the fan, so that the proportion of the time of full-power generation of the fan can be increased to more than 60%, thereby greatly Reduce fan output power fluctuations and improve wind power quality.
  • r m After determining the rated power P of the fan, according to the wind energy utilization formula, combined with the fan design experience, determine r m , rr / ⁇ mecanic _ / ⁇ beide _ to determine the main parameters of the wind wheel 11;
  • the rated wind speed, rated power and main structural parameters of the blade can be further determined according to the calculation method of the fan design standard, and the main components of the main shaft 12, the gear box 13, the generator 14 and so on can be further determined.
  • the design of the turbulent flow increase of the large passenger aircraft wing is used to transplant it into the wind turbine blade structure, and the wind energy utilization coefficient C p value is increased, and the fan's annual power generation is increased.
  • the blade structure can be specifically designed in various forms to ensure that the blade 111 is flexible and reliable, and the reliability is high. The following is an example of the telescopic blade.
  • FIG. 3 is a structural schematic view of a preferred embodiment of the wind turbine blade of FIG. 1 .
  • the blade 111 includes a fixed blade 1111, a telescopic blade 1115, and a linear motion driving mechanism 1112 for driving the telescopic blade 1115.
  • the linear motion driving mechanism 1112 may be one of a rainbow rainbow, a gas rainbow or an electric push rod, one end of which is It is hinged or otherwise fitted in the inner cavity of the fixed vane 1111, and the other end is connected to the telescopic vane 1115; when the linear motion driving mechanism 1112 is actuated, the total length of the vane 111 is changed.
  • the blade 111 preferably includes a supporting mechanism 1113, a movable sliding plate 1114, wherein: the supporting mechanism 1113 is fixed in the inner cavity of the fixed blade 1111; the sliding plate 1114 is mounted on the supporting mechanism 1113; one end of the sliding plate 1114 It is connected to the linear motion drive mechanism 1112, and the other end is connected to the telescopic blade 1115.
  • the telescopic blade 111 can retract or extend the telescopic blade 1115 in the inner cavity of the fixed blade 1111 according to the wind speed, thereby adjusting the diameter of the wind wheel 11, and thereby adjusting the rotational speed of the wind wheel to improve the power generation efficiency.
  • the telescopic blade structure and the pitch system are combined to adjust the output power and optimize the output power quality of the wind farm.
  • the control range is large and the mode is flexible.
  • the telescopic blade has a complicated structure and an increased manufacturing cost compared with the conventional blade, the fan rated power value is lowered, and when the wind speed exceeds the rated wind speed, the wind sweeping area can be reduced by the shrinking blade, thereby greatly reducing the fan.
  • the pneumatic bearing, the mechanical transmission system of the fan and the corresponding structure of the generator system can be reduced in size, and the overall manufacturing cost of the fan is reduced.
  • the wind turbine output power is connected to the grid to constitute a wind power generation system, which will be described below.
  • the wind power generation system includes a plurality of wind power generator sets 1, a converter 2, a transformer 3 (without loss of generality, FIG. 1 shows only one set of components), wherein: the converter 2 is used for a generator 14 output The alternating current is rectified and frequency-converted to the frequency of the grid 4; the transformer 3 is used to boost the voltage of the alternating current output by the generator 14 to the grid 4 transmission voltage.
  • the wind farm is regarded as an independent power generation unit, equipped with a number of auxiliary power generation devices 5 (such as diesel generators, etc.) as an adjustment tool for the output power of the generator 14; when the wind speed is lower than the rated wind speed value, according to the output With constant power requirements, several auxiliary power generation devices are turned on, so that the total output power of the wind farm reaches the designed power generation value; thus, the number of hours of full-power power generation of the wind farm can be increased, the output power fluctuation of the wind farm can be reduced, and the wind power can be improved. Quality, the purpose of achieving unlimited wind power integration.
  • auxiliary power generation devices 5 such as diesel generators, etc.
  • FIG. 4 there is shown a flow chart of a preferred embodiment of the wind power generation system operation control method of the present invention.
  • the wind speed sensor is used to detect the wind speed; since the wind speed is a slow variable, the accuracy of the wind speed sensor need not be too high, as long as the control requirements are met.
  • step S403 If yes, go to step S403;
  • step S406 If no, go to step S406;
  • the blades When the current wind speed of the wind farm is greater than the cut-in wind speed and less than the rated wind speed, the blades extend to the maximum length to increase the sweeping area and reduce the starting torque of the wind turbine, that is, the wind turbine can operate at a very low speed.
  • the wind farm Since the wind speed of the wind farm does not reach the rated wind speed, the wind farm is under-power generating; at this time, according to the constant output power of the wind farm, several auxiliary power generating devices are turned on, so that the total output power of the wind farm reaches the designed rated power.
  • the auxiliary power generating device In the case where the auxiliary power generating device has been turned on, the auxiliary power generating device should be stopped to generate power at this time.
  • the blades are feathered and contracted to the shortest, stopping grid-connected power generation.
  • the wind farm can run in the state of design output power for most of the whole year (up to 90% of the whole year), and the full-scale power generation hour is equivalent to the whole year.
  • the number is increased by 1-2 times; thus, the output power is relatively stable, the impact on the main power grid is reduced, the output quality of the wind power is close to that of the thermal power, and the wind power is connected to the grid in an unlimited amount.

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Description

风力发电机组、 风力发电系统及其运行控制方法
本申请要求于 2008 年 12 月 22 日提交中国专利局、 申请号为 200810207838.2、 发明名称为"风力发电机组、 风力发电系统及其运行控制方 法"的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及风力发电机领域， 具体来说是一种风力发电机组、风力发电系 统及其运行控制方法。
背景技术
风力发电是当前规模最大、发展最快的可再生能源。 随着风能利用增长速 度的加快， 风力发电机组（以下筒称风机）的单机规模也不断增大， 目前全球 平均装机单机容量已到 2MW。
这种兆瓦级风机的额定风速通常设定在 12-14m/s ,而占国内风电场绝大多 数的二、 三类风电场全年风速在额定风速以上的比率仅占 7%-10% , 这使得风 机全年超过 90%的时间工作在欠功率发电状态； 即使是优质风电场，风机全年 折合满功率发电亦不足 2000小时， 也就是说风电场平均发电负荷不到设计装 机容量的 1/4, 造成风机发电能力的极大浪费。
由于风速风向的不稳定性，风机输出功率波动性，每个风电场即一个独立 的发电厂， 其输出电量随风速大幅波动； 这将对主干电网产生冲击， 使电网电 力设施和用电器受到极大危害、 因而造成风电无法大规模并网。从电网和用户 的角度， 被称作绿色能源和黄金电力的风电却变成了垃圾电。
由此可见， 风力发电这一当前规模最大、发展最快的可再生能源在现阶段 存在极大技术发展瓶颈，有必要设计一种基于风电场的全新风力发电机组， 实 现风电场最大年发电量和最优发电质量的目标。
发明内容
有鉴于此， 本发明提供一种基于风力发电机组， 可提高风电场最大年发电 量， 并优化风电场输出电力质量； 在此基础上， 本发明还提供一种风力发电系 统及其运行控制方法。
为解决以上技术问题， 本发明提供的风力发电机组， 包括风轮、 主轴及发 电机， 所述风轮包括叶片与轮毂， 所述叶片的叶根固定在所述轮毂上， 所述轮 毂与所述主轴的一端连接， 所述主轴的另一端通过传动系与所述发电机连接 , 所述叶片为伸缩式结构， 在预设低风速范围内所述叶片伸展，在预设高风速范 围内所述叶片收缩； 所述叶片与所述轮毂之间设置变浆距系统，使得所述叶片 可绕轴旋转。
优选地， 所述叶片为扰流增升翼形。
优选地， 所述叶片包括固定叶片、伸缩叶片和用于驱动所述伸缩叶片的直 线运动驱动机构； 所述直线运动驱动机构一端装配在所述固定叶片的内腔中， 另一端与所述伸缩叶片连接。
优选地， 所述叶片还包括支撑机构、 可移动的滑板； 所述支撑机构固定在 所述固定叶片的内腔中； 所述支撑机构上安装所述滑板； 所述滑板的一端与所 述直线运动驱动机构连接， 另一端与所述伸缩叶片连接。
优选地， 所述直线运动驱动机构为油缸、 气缸或电动推杆之一。
优选地， 所述风力发电机组的额定风速为 6- 1 Om/s。
本发明提供的风力发电系统， 包括若干上述的风力发电机组、将所述发电 机输出功率整流和变频的变换器、以及将所述发电机输出功率增压到电网传输 电压的变压器。
优选地， 还包括若干辅助发电装置， 用于调节所述发电机输出功率。 优选地， 所述辅助发电装置为柴油机。
本发明提供的风力发电系统运行控制方法， 包括以下步骤：
在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时，将叶片伸展到最大长 度；
在风电场当前风速大于额定风速且小于切出风速时， 收缩叶片并变桨； 在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时，叶片顺桨并收缩到最 短， 停止并网发电。
优选地， 包括以下步骤：
在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时， 开启辅助发电装置； 在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时， 关闭辅助发电装置。 与现有技术相比， 本发明可提高风电场最大年发电量， 并优化风电场输出 电力质量， 具体而言： 采用伸缩式叶片结构， 相应降低风机额定风速和额定功 率设定值，使风机在全年大部分时间内工作在额定发电状态，增加全年满功率 发电时间； 伸缩式叶片结构和变桨距系统相结合， 调节输出功率， 优化风电场 输出电力质量， 其调控范围大、 方式灵活。 进一步地， 采用扰流增升式翼型设 计， 提高风能利用系数， 增加风机全年发电功率。 更进一步地， 以辅助发电设 备作为适当补充，使风电场输出功率稳定在设计输出功率值， 实现风电无限量 并网之目的。
附图说明
图 1是本发明风力发电机组、 风力发电系统一较优实施例的组成框图； 图 2是图 1所述风轮叶片的工作原理图；
图 3是图 1所述风轮叶片一较优实施例的结构示意图；
图 4是本发明风力发电系统运行控制方法一较优实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的基本构思是，风力发电机组采用伸缩式叶片结构，相应降低风机 额定风速和额定功率设定值； 伸缩式叶片结构和变桨距系统相结合，调节输出 功率。
下面结合附图与实施例具体说明。
请参考图 1 , 该图是本发明风力发电机组、 风力发电系统一较优实施例的 组成框图。 本发明所述的风力发电机组 1 , 包括：
风轮 11 , 用于将风能转换为机械能； 所述风轮 11包括叶片 111与轮毂 112, 叶片 111的叶根固定在轮毂 112上， 轮毂 112与主轴 12—端连接， 主轴 12的另一 端通过传动系 （如齿轮箱 13 ) 与发电机 14连接。 其中，
所述叶片 111为伸缩式结构： 在预设低风速范围内伸展叶片， 以提高风能 捕捉， 降低风轮启动力矩； 在预设高风速范围内收缩叶片， 以调节风机输出功 率。 一般地， 高风速为风速大于 12m/s, 低风速为风速小于 7m/s; 当然， 根据 风电场的风速分布情况， 也可将高风速、 低风速设定为其它数值， 在此不再赘 述。 优选地， 叶片 111为扰流增升翼形， 类似于大型客机机翼的形状， 以提高 风能利用系数 Cp值， 增加风机全年发电功率。
所述每个叶片 111与轮毂 112之间设置变浆距系统（图未示）， 使得叶片 111 可绕轴旋转或调节浆距。 所述变浆距系统由变浆距轴承、 驱动机构、 原动机及 附件组成， 其具体结构可采用现有技术方案， 例如《风能技术》（Tony Burton 等著， 武鑫等译， 科学出版社， 2007年 9月）中所公开的变浆距系统。 其中， 所 述变浆距系统中的关键部件为变浆距轴承， 类似于起重机的回转支撑，介于单 个叶片 111与轮毂 112之间； 该变浆距轴承的内、 外圈分别用螺栓与轮毂 112和 叶片 111连接， 使得叶片 111可以相对于其轴线变浆距。
主轴 12, 用于从风轮 11传递扭矩到传动系的其它零部件上， 同时还支撑着 风轮 11 ; 一般地， 主轴 12采用法兰盘与轮毂 112连接， 用收缩盘与齿轮箱 13连 接。 同时， 主轴 12被轴承支撑， 将载荷传递到机抢底板上（图未示）。
齿轮箱 13 ,用于将风轮 11旋转速度在高速轴侧提高到与发电机 14相适用的 转速。 一般地， 齿轮箱 13可采用平行轴式或行星式， 以满足重量轻、 效率高、 承载能力大、 噪声小、 起动力矩小等要求。 当然， 若风力发电机组 1为直驱式 机组时， 则无需齿轮箱 13 , 改由低速轴连接轮毂 112和发电机 14的转子。
发电机 14, 安置在齿轮箱 13后部、 机抢底板的延伸段上， 通过高速轴及弹 性联轴器与齿轮箱 13输出轴相连。 对于直驱式机组， 由低速轴连接轮毂 112和 发电机 14的转子。 一般地， 在定速机组中多采用感应电机； 在变速机组中， 发 电机 14不是直接连接电网， 因此可使用同步电机。
机械制动系统（图未示）， 用于停机和制动， 特别是在空气动力制动系统 失效时的制动。 一般地， 机械制动系统可采用圆盘式和离合器式类型， 在此不 再赘述。
偏航系统（图未示）， 用于实现风机对风， 即保持风机正向迎风和背离风 向； 或者， 在电缆过度扭缆时解缆。 所述偏航系统可采用主动偏航或自由偏航 两种类型； 前者可用电机驱动， 后者利用空气动力驱动。 所述偏航系统中至少 包含偏航轴承， 以承载风力发电机组 1中的主要部件重量， 并传递气动推力到 塔架。 其中， 偏航轴承中含有齿圈， 偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合， 驱动 机舱底板摆动。
机抢（图未示）， 包括机抢底板和机抢盖； 前者用于安装齿轮箱 13、 发电 机 14、偏航轴承等部分的结构件，后者用于保护底板上机械和电气零件免受阳 光、 雨水、 冰雪等影响。
塔架及基础（图未示）， 塔顶与偏航轴承的固定圈连接， 塔底与基础固接， 用于将风力发电机组 1的主要部件升高到一定高度。这是由于风速随高度增加， 湍流现象减少。
控制器（图未示）， 用于风力发电机组 1由一种运行状态到另一种运行状态 的转换过渡过程控制， 包括待机、 启动、 发电运行、 停机、 故障停机等状态的 控制。
为实现本发明之目的，风力发电机组 1叶片 111的伸缩式结构设计为关键， 以下进一步说明。
众所周知， 在风力发电系统中， 风轮 11可视作风机的发动机， 增大叶片 111长度即可增加风轮 11的扫风面积，从而提高风机的输出功率。假定 P为额 定功率， Cp为风轮利用系数， ?为空气密度， 为额定风速， 、 ；/2分别为传 动效率、 发电机效率， )为风轮直径， 有：
Figure imgf000007_0001
由公式（1 )可见， 风轮直径主要取决于风机额定功率、 额定风速； 由此， 只要确定风机额定功率、 额定风速， 就可以计算出风轮直径。
请参见图 2, 该图是图 1所述风轮叶片的工作原理图。 图中， /„,为风轮叶 片外圆半径， r 和 r 分别为风轮叶片伸展时最大外圆半径和收缩时最小 外圆半径； /„为风轮叶片内圆半径， /^皿和/^ 分别为风轮叶片伸展时最大 内圆半径和收缩时最小内圆半径， rm为风轮叶片伸缩中心半径。 以上变量存在 以下关系：
2 2 ( 2 )
由此，确定风机额定功率 P、额定风速 V后， 就可根据公式（ 1 )、公式（ 2 ) 设计风轮叶片的有关参数。
由于当前兆瓦级风机的额定风速在 12-14m/s ,导致风机全年 90%的时间都 工作在欠功率发电的状态， 输出功率波动很大。 因此， 本发明将额定风速提前 至 6-10m/s之间， 相应的将风机额定功率 P的设定值降低， 则风机全年满功率 发电的时间比例最高可升至 60%以上，从而大大减少风机输出功率波动，提高 风电品质。
确定风机额定功率 P之后， 根据风能利用率公式， 并结合风机设计经验， 依次确定 rm、 r r /·„_ /·„_ 即确定风轮 11的主要参数； 由风 机的额定风速、额定功率和叶片的主要结构参数，按照风机设计标准的计算方 法， 可进一步确定风机主轴 12、 齿轮箱 13、 发电机 14等主要部件的选型， 至 此完成发电厂型风机主要参数的设计工作。
特别地，采用伸缩式叶片结构的同时，借鉴大型客机机翼的扰流增升设计， 将其移植到风轮叶片结构中， 提高风能利用系数 Cp值， 增加风机全年发电功 所述伸缩式叶片结构可具体设计为多种形式， 以保证叶片 111伸缩灵活、 可靠性高为准， 以下为伸缩式叶片的一实例。
请参见图 3 , 该图是图 1所述风轮叶片一较优实施例的结构示意图。所述叶 片 111包括固定叶片 1111、 伸缩叶片 1115和用于驱动伸缩叶片 1115的直线运动 驱动机构 1112; 所述直线运动驱动机构 1112可为油虹、 气虹或电动推杆之一， 其一端以铰接或其它方式装配在在固定叶片 1111的内腔中，另一端与伸缩叶片 1115连接； 直线运动驱动机构 1112动作时， 使得叶片 111的总长度改变。
如图 3所示， 所述叶片 111优选地包括支撑机构 1113、 可移动的滑板 1114, 其中： 支撑机构 1113固定在固定叶片 1111的内腔中； 支撑机构 1113上安装滑板 1114; 滑板 1114的一端与直线运动驱动机构 1112连接， 另一端与伸缩叶片 1115 连接。
该伸缩式叶片 111 , 可根据风速大小将伸缩叶片 1115在固定叶片 1111的内 腔中收回或伸出， 从而实现风轮 11直径的调节， 并由此调整风轮转速， 提高发 电效率。 该伸缩式叶片结构和变桨距系统相结合， 调节输出功率， 优化风电场 输出电力质量， 其调控范围大、 方式灵活。
此外， 尽管伸缩式叶片与传统叶片相比结构复杂、 制造成本增加； 但由于 风机额定功率设定值降低，且在风速超过额定风速时可通过收缩叶片减少扫风 面积， 由此大大降低风机的气动承载， 风机的机械传动系统和发电机系统相应 结构的设计尺寸可减小， 风机综合制造成本下降。
在上述风力发电机组 1的基础上， 对风机输出电力进行并网， 构成风力发 电系统， 以下进行说明。
如图 1所示， 所述风力发电系统包括若干风力发电机组 1、 变换器 2、 变压 器 3 (不失一般性， 图 1仅示出一组部件）， 其中： 变换器 2用于将发电机 14输出 的交流电经整流、 变频到电网 4的频率； 变压器 3用于将发电机 14输出的交流电 的电压增压至电网 4传输电压。
特别地， 将风电场视为一个独立发电单元， 配备若干辅助发电装置 5 (例 如柴油发电机等）， 以此作为发电机 14输出功率的调节工具； 当风速低于额定 风速值时， 根据输出功率恒定的要求， 开启若干台辅助发电装置， 使风电场输 出功率总量达到其设计发电功率值； 由此， 可提高风电场全年满功率发电小时 数， 减少风电场输出功率波动， 改善风电品质， 实现风电无限量并网之目的。
以下对本发明风力发电系统运行控制方法进行说明。
请参见图 4, 该图是本发明风力发电系统运行控制方法一较优实施例的流 程图。
5401、 获取风电场的当前风速。
一般采用风速传感器检测风速大小； 由于风速为緩变量， 风速传感器精度 要求无需太高， 只要满足控制要求即可。
5402、 判断当前风速是否大于切入风速且小于切出风速，
若是， 进入步骤 S403;
若否， 进入步骤 S408。
5403、 判断当前风速是否小于额定风速，
若是， 进入步骤 S404;
若否， 进入步骤 S406;
S404、 将叶片伸展到最大长度。
当风电场当前风速大于切入风速、且小于额定风速时， 叶片伸展到最大长 度， 以增大扫风面积， 降低了风轮启动力矩， 即风机在很低的转速下即可运行 发电。
5405、 开启辅助发电装置， 并返回步骤 401。
由于风电场风速未达到额定风速， 风电场为欠功率发电； 此时， 根据风电 场输出功率恒定的要求， 开启若干台辅助发电装置，使风电场输出功率总量达 到设计额定功率。
5406、 收缩叶片并变桨。
由于风电场当前风速大于额定风速且小于切出风速，通过收缩叶片并结合 变桨， 以保证发电机输出功率维持在额定功率。
5407、 关闭辅助发电装置， 并返回步骤 401。
在已开启辅助发电装置的情况下， 此时应使辅助发电装置停止发电。
5408、 叶片顺桨并收缩到最短， 停止并网发电。
在风电场当前风速小于切入风速、 或大于切出风速时， 都不能正常发电； 此时， 应将风轮叶片顺桨并收缩到最短， 同时停止并网发电； 由于风电场全年 出现此种情况的时间不足 10%, 显然， 在此种条件下不必开启辅助发电装置进 行功率补偿。
采用上述风机设计方案及削峰填谷的调控手段，可使风电场全年绝大部分 时间（最高可超过全年时间的 90% )运行在设计输出功率的状态， 全年折合满 功率发电小时数提高 1-2倍； 由此保证输出功率较为平稳， 减少对主干电网的 冲击， 使风电输出品质接近火电的水平， 实现风电无限量并网。
以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出的是， 上述优选实施方式 不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为 准。 对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明的精神和范围内， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

权 利 要 求
1、 一种风力发电机组， 包括风轮、 主轴及发电机， 所述风轮包括叶片与 轮毂， 所述叶片的叶根固定在所述轮毂上， 所述轮毂与所述主轴的一端连接， 所述主轴的另一端通过传动系与所述发电机连接， 其特征在于， 所述叶片为伸 缩式结构， 在预设低风速范围内所述叶片伸展，在预设高风速范围内所述叶片 收缩； 所述叶片与所述轮毂之间设置变浆距系统， 使得所述叶片可绕轴旋转。
2、 如权利要求 1所述的风力发电机组， 其特征在于， 所述叶片为扰流增升 翼形。
3、 如权利要求 1所述的风力发电机组， 其特征在于， 所述叶片包括固定叶 片、伸缩叶片和用于驱动所述伸缩叶片的直线运动驱动机构； 所述直线运动驱 动机构一端装配在所述固定叶片的内腔中， 另一端与所述伸缩叶片连接。
4、 如权利要求 3所述的风力发电机组， 其特征在于， 所述叶片还包括支撑 机构、 可移动的滑板； 所述支撑机构固定在所述固定叶片的内腔中； 所述支撑 机构上安装所述滑板； 所述滑板的一端与所述直线运动驱动机构连接， 另一端 与所述伸缩叶片连接。
5、 如权利要求 3所述的风力发电机组， 其特征在于， 所述直线运动驱动机 构为油紅、 气紅或电动推杆之一。
6、 如权利要求 1所述的风力发电机组， 其特征在于， 所述风力发电机组的 额定风速为 6-10m/s。
7、 一种风力发电系统， 其特征在于， 包括若干如权利要求 1-6任一项所述 的风力发电机组、将所述发电机输出功率整流和变频的变换器、 以及将所述发 电机输出功率增压到电网传输电压的变压器。
8、 如权利要求 7所述的风力发电系统， 其特征在于， 还包括若干辅助发电 装置， 用于调节所述发电机输出功率。
9、 如权利要求 8所述的风力发电系统， 其特征在于， 所述辅助发电装置为 柴油机。
10、 一种如权利要求 7所述的风力发电系统运行控制方法， 其特征在于， 包括以下步骤：
在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时，将叶片伸展到最大长 度；
在风电场当前风速大于额定风速且小于切出风速时， 收缩叶片并变桨； 在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时，叶片顺桨并收缩到最 短， 停止并网发电。
11、如权利要求 10所述的风力发电系统运行控制方法， 所述风力发电系统 还包括若干辅助发电装置， 用于调节所述发电机输出功率， 其特征在于， 包括 以下步骤：
在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时， 开启辅助发电装置； 在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时， 关闭辅助发电装置。
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