【正文】 將電流從風(fēng)電機運載到塔下 的重要裝置 。但是當(dāng)風(fēng)電機偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時間時 ， 電纜將越來越扭曲 ，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障 。因此風(fēng) 力發(fā)電機配備有電纜扭曲計數(shù)器 ， 用于提 醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。風(fēng) 力發(fā) 電機還會配備有拉動開關(guān)在電纜扭曲太厲害時被激發(fā) ，斷開裝置或剎車停機，然后解纜 。 風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)理論 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 貝茨 (Betz)理論 世界上第一個關(guān)于風(fēng)輪機風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較完整的理論是 1919年由 A178。貝茨 (Betz)建立的。貝茨理論的建立依據(jù)的假設(shè)條件是假定風(fēng)輪是理想的，能全部接受風(fēng)能并且沒有輪轂，葉片是無限多 ， 對 氣流沒有任何阻力。而空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的 (或稱 為是平行風(fēng)輪軸線的 )，滿足以上條件的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。 如圖 13 所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機械能，則有 21VV ， 21SS 。 如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (13) 由流體力學(xué)可知氣流的動能為 mvT? (14) 設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過載面積為 s 的氣體的體積為 V，則 svV? 。 如果以 ? 表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量 svm ?? ，此時氣體所具有的動能為 321 svT ?? (15) ? 的單位是 kg/m3； V的單位是 m3； v 的單位是 m/s； T 的單位是 W。 從風(fēng)能公式可以看出風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度成正比，其中 ? 和 v 隨地理位置、海拔、地形等因素而變。 風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF ???? ? (16) 式中 ?—— 空氣當(dāng)時的密度 風(fēng)輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (17) 所以經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT ????? ? (18) 式中 sv? —— 空氣質(zhì)量 TP ?? (19) XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 2 21 vvv ??? (110) 因此 ， 風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力 F 和風(fēng)輪輸出的功率 P 分別為 )(21 2221 vvsF ?? ? (111) ))((41212221 vvvvsP ??? ? (112) 風(fēng)速 1V 是給定的， P 的大小取決于 2V ， P 是 2V 的函數(shù)，對 P 微分求最大值得 )32(41 2221212 vvvvsdvdP ??? ? (113) 令其等于 0，求解方程得 12 31vv ? (114) 3131m a x 271621278 svsvP ?? ??? (115) 16/27=0． 593， PC 稱作貝茨功率系數(shù) PCsvP 31m a x 21 ?? (116) 而 3121 sv?正是風(fēng)速為 1V 的風(fēng)能 T ，故 pTCP ?max (117) PC =0． 593，說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 maxP 為風(fēng)吹過葉片掃掠面積 S 的風(fēng)能的 59． 3％。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 ％。通常風(fēng)輪機風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到 59． 3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取 。 風(fēng)力發(fā)電機特性系數(shù) 貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機的能量轉(zhuǎn)換與控制時有幾個特性系數(shù)具有特別重要的意義。 （ 1）風(fēng)能利用系數(shù) PC 風(fēng)輪機從自然風(fēng)能中吸到能量的大小和程度可以用風(fēng)能利用率系數(shù) PC 表示 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 SvPCp 3121 ?? (118) （ 2）葉尖速比 ? 為了表示風(fēng)輪在不同的 風(fēng)速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量稱為葉尖速比 ? vwRvRn ?? ?? 2 (119) 低速風(fēng)輪 ? 取較小值；高速風(fēng)輪 ? 取較大值。 （ 3）轉(zhuǎn)矩系數(shù) TC 和推力系數(shù) FC 為了便于把氣流作用下的風(fēng)輪機 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進行比較常以 ? 為變量作成轉(zhuǎn)矩和推力的變化曲線 ， 因此轉(zhuǎn)矩和推力也要無因次化。 SRvTSRvTCT 22221 ?? ?? (120) SvFSvFCF 22221 ?? ?? (121) 異步發(fā)電機基本原理 （ 1） 異步發(fā)電機基本原理 發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的零部件， 是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 發(fā)XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 電機的性能 好壞直接影響整機效率和可靠性。 使用異步機作為風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單成本低并網(wǎng)控制容易 ， 缺點是要從電網(wǎng)吸收無功功率以提供自身的勵磁。這一缺點可以通過在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來改善。 由于風(fēng)電場的特殊性 ， 它的并網(wǎng)和解列 的 操作十分頻繁 ， 而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點 ， 現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。本論文的研究對象中使用也是異步發(fā)電機 ， 下面我們對異步機做以下的簡單介紹。 異步電機一般稱感應(yīng)電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。異步機作為電動機應(yīng)用非常廣泛異步機作 為發(fā)電機的情況則比較少。但由于異步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網(wǎng)簡單等特點在大中型風(fēng)力發(fā)電機組中得到廣泛應(yīng)用。 異步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。異步機的定子與同步機基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。 異步機是利用電磁感應(yīng)原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進行能量轉(zhuǎn)換。通常異步機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或 略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 sn 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 之間的差為轉(zhuǎn)差 ， 轉(zhuǎn)差n 與同步轉(zhuǎn)速 sn 的比值稱為轉(zhuǎn)差率用 S 表示 ? ? ss nnnS /?? (122) 轉(zhuǎn)差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變量。 若電機用原動機驅(qū)動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（ snn）則轉(zhuǎn)差率 S0 ，此時電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。此時轉(zhuǎn)子從原動機吸收機械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀態(tài)。 （ 2）異步風(fēng)力發(fā)電機的參數(shù) ○ 1 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn) 速是風(fēng)輪在額定風(fēng)速時的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。 ○ 2 發(fā)電機額定功率 發(fā)電機的額定功率是發(fā)電機在額定功率因數(shù)下連續(xù)運行而輸出的功率它是由用戶提出或由不同的使用目的而確定的。它是風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。單位為XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。 ○ 3 發(fā)電機是交流還是直流 微小型風(fēng)力發(fā)電機常用直流發(fā)電機中、大型風(fēng)力發(fā)電機常用交流發(fā)電機。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。交流發(fā)電機分同 步和異步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機也稱感應(yīng)交流發(fā)電機。永磁交流發(fā)電機等。 ○ 4 發(fā)電機額定電壓 發(fā)電機額定運行時 電壓為 定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓 ， 單位為 V。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機在額定運行時其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 SP/cos ?? (123) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。 ○ 6 發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 發(fā)電 機在額定功率運行時的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。國外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 8 發(fā)電機額定勵磁電流 發(fā)電機在額定運行時的勵磁電流。 ○ 9 發(fā)電機額定溫升 發(fā)電機在額定功率輸出及額定負(fù)載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風(fēng)溫的差值。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對于額定頻率為 f 的交 流發(fā)電機其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (124) 式中 p—— 發(fā)電機的極對數(shù) ； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。 ○11 風(fēng)力發(fā)電機的全效率 風(fēng)力發(fā)電機的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率 1? 、增速器的效率 2? 、發(fā)電機的效率 3? 、傳動系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 第二章 風(fēng)力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風(fēng)電場長期安全可靠運行的重大問題。在實際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機組控制與檢測系統(tǒng)中 ,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上 的要求是不困難的。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機組的聲譽。有的風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強 ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有的作用。因此對于一個風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說 ,系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)真加以考慮 ,必須引起足夠的重視。 我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng) ,使之恢復(fù)正常工作。 風(fēng)力發(fā)電機組的基本控制要求 風(fēng)力發(fā)電機組運行的控制要求 (1)控制思想 [3] ○ 1 定槳距失速型機組控制 風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機組額定風(fēng)速以上時，為確保風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組過載，通過空氣動力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機組的功率輸出。 ○ 2 變槳距失速型機組控制 風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機組額定風(fēng)速以上時，為確保風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組過載，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動力學(xué)的失速特性，使葉片吸收風(fēng) 功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機組的功率輸出。 ○ 3 控制功能和控制參數(shù) 節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪 轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)荷的連接、起動和停機過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時的停機、扭 纜 的 限制、機艙對風(fēng)、運行時電量和溫度的限制。 ○ 4 保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設(shè)計 自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗時。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達(dá)到XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 控制目標(biāo)方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。 (2)自動運動的控制要求 ○ 1 開機并網(wǎng)控制 :當(dāng)風(fēng)速 10 分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機組起動→軟切入狀態(tài)→機組并入電網(wǎng)。 ○ 2 小 風(fēng) 和逆功率脫網(wǎng) :機組在待風(fēng)狀態(tài)→ 10 分平均風(fēng)速小于脫網(wǎng)風(fēng)速→脫網(wǎng)→風(fēng)速再次上升→風(fēng)機旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。 ○ 3 普通故障脫網(wǎng)停機 :參數(shù)越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機械閘→計算機自行恢復(fù)。 ○ 4 緊急故障脫網(wǎng)停機 :緊急故障 (飛車、超速、負(fù)荷丟失等 )→緊急停機→偏航控制（ 90 度）→脫網(wǎng)→機械剎車 。 ○ 5 安全鏈動作停機：電控制系統(tǒng)軟保護控制失敗→硬性停機→停機。 ○ 6 大風(fēng)脫網(wǎng)控制： 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機械閘→安全停機→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動對風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運動。 ○ 7 對風(fēng)控制：機組在工作風(fēng)區(qū)→根據(jù)機艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。 ○