【正文】 晚，大體分為三個(gè)階段。 第一階段是 1986～ 1990年我國并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目的探索和示范階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模小，單機(jī)容量小，最大單機(jī) 200KW，總裝機(jī)容量 KW。 第二階段是 1991～ 1995 年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。共建 5 個(gè)風(fēng)電場，安裝風(fēng)機(jī) 131臺，裝機(jī)容量 KW，最大單機(jī) 500KW。 第三階段是 1996年后擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量 KW，最大單機(jī)容量達(dá)到 1300KW。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在向大型化方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！ 風(fēng)力發(fā)電的原理和特點(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電。 [3] 風(fēng)力發(fā)電 有如下 特點(diǎn) （ 1） 可再生，且清潔無污染。 （ 2） 風(fēng)速隨時(shí)變化，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。 （ 3） 風(fēng)電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。 風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(dú)立運(yùn)行的供 電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。 本論文討論的是前者，即獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)的解決方案。 論文系統(tǒng)概述 該獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下 1— 1所示： 圖 11 獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其具體運(yùn)行狀況為： （ 1） 風(fēng)力吹動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。 （ 2） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過連接的齒輪變速箱來提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，該軸與發(fā)電機(jī)相連。 （ 3） 轉(zhuǎn)軸帶動 單 相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，開始發(fā)電。（此時(shí)發(fā)出的是 頻 率和幅值都不穩(wěn) 定的交流電） 。 （ 4） 引出的 單 相交流電通過整流器變成穩(wěn)定的直流電。 （ 5） ，直流電經(jīng)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電； ，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。 （ 6） 直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I 第二章 風(fēng)力機(jī)原理及其結(jié)構(gòu) 風(fēng)力機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類： ① 水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行； ② 垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向。本系統(tǒng)中采用的是水平軸風(fēng)力機(jī)。 風(fēng)力機(jī)的氣動原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組主要利用氣動升力的風(fēng)輪。氣動升力是由飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種力，如圖 21。 圖 21氣動升力圖 從圖可以看出，機(jī)翼翼型運(yùn)動的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在其下表面形成高壓區(qū)，產(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時(shí)也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動。 風(fēng)力機(jī)的主要部件 水平軸風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、塔架、對風(fēng)裝置、齒輪箱組成，整體結(jié)構(gòu)如圖 2— 2所示： （ 1） 風(fēng)輪：由 1~3個(gè)葉片組成，這是吸收風(fēng)能的主要部件。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片受到離心力和氣動力的作 用，離心湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) II 力對葉片是一個(gè)拉力，而氣動力使葉片彎曲。當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，為防止葉片損壞，需對風(fēng)輪進(jìn)行控制，控制風(fēng)輪有三種方法： a，使風(fēng)輪偏離主方向； b，改變?nèi)~片角度；利用擾流器，產(chǎn)生阻力，以降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。 （ 2） 塔架：為了讓風(fēng)輪能在較高的風(fēng)速中運(yùn)行，需要塔架把風(fēng)輪支撐起來。這時(shí)塔架需要承受兩個(gè)主要的載荷：一個(gè)是風(fēng)力機(jī)的重力，向下壓在塔架上；另一個(gè)是阻力，使 圖 22 風(fēng)力主要部結(jié)構(gòu)圖 塔架向風(fēng)的下游方向彎曲。選擇塔架時(shí)要必須考慮其成本，根據(jù)實(shí)際情況而定。 （ 3） 對風(fēng)裝置：自然界的風(fēng)向及風(fēng)速一直變 化，為了得到較高的風(fēng)能利用率，應(yīng)使風(fēng)能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準(zhǔn)風(fēng)向?yàn)榇诵枰獙︼L(fēng)裝置。本論文只介紹小型風(fēng)力機(jī)的對風(fēng)裝置，如圖 2— 4所示，利用尾舵控制對風(fēng)。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風(fēng)輪總朝向風(fēng)吹來的方向。 圖 24對風(fēng)裝置 （ 4） 齒輪箱 由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小經(jīng)常變化著，這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。所以，在帶動發(fā)電機(jī)之前，還必須附加一個(gè)齒輪箱，再加一個(gè)調(diào)速裝置使得轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后在連接到發(fā)電機(jī)上。齒輪箱的主要作用是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)，通過齒輪副的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在裝機(jī)是 應(yīng)使其與輪轂相連。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置配合葉尖制動裝置實(shí)現(xiàn)湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) III 聯(lián)合制動。 風(fēng)力機(jī)的功率 風(fēng)的動能和風(fēng)速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風(fēng)輪功率的計(jì)算。風(fēng)力與速度平方成正比，所以風(fēng)的功率與風(fēng)度的三次方成正比。如果風(fēng)速增加一倍，風(fēng)的功率便會增加 8倍。 風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下： 3pP C A v?? (2— 1) 2AR?? (2— 2) 式中： P為輸出功率， pC 為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)， ρ 為空氣密度， R為風(fēng)輪半徑， v為風(fēng)速。 眾所周知，如果接近風(fēng)力機(jī)的空氣全部動能都被風(fēng)力機(jī)全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機(jī)的效率總是小于 1。 第三章 電氣設(shè)計(jì)部分 發(fā)電機(jī) 在本論文討論的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，采用的是硅整流自勵(lì) 單 相交流發(fā)電機(jī)。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 發(fā)電機(jī) 結(jié)構(gòu)、工作原理及電路圖 本論 文提出的系統(tǒng)采用蓄電池組為勵(lì)磁功供電，并在蓄電池組合勵(lì)磁繞組之間串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。其電路圖如圖 3— 1所示。發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心和 定子繞組組成，定子繞組為 單 相， Y型連接，放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組（即勵(lì)磁繞組）和轉(zhuǎn)子軸組成，轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或形，一般都用爪形磁極，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵(lì)磁電流。 圖 31 串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，與風(fēng)力機(jī) 相連的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓也會產(chǎn)生波動，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì)磁磁場的變化，這樣又造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)的出口電壓的波動范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動得不到控制，在向負(fù)載供電的情況下，將會影湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) V 響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設(shè)備。此外獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶有蓄電池組，電壓的波動會導(dǎo)致蓄電池組的過充電，從而降低蓄電池組的使用壽命。 為了消除發(fā)電機(jī)輸出端電壓的波動，該硅整流交流發(fā)電機(jī)配有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，如圖所示，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由 電壓繼電器 V電流繼電器 I逆流繼電器 I2及其所控制的動斷觸電 V I1和動合觸電 I2 以及電阻 R2等組成。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)能自動調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流（即勵(lì)磁磁通）的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機(jī)端電壓的影響。 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)端電壓低于額定值時(shí)，電壓繼電器 V1 不動作，其動斷觸點(diǎn) V1閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機(jī)端電壓高于額定電壓時(shí)，動斷觸電 V1 斷開，勵(lì)磁回路中被 串入了電阻 R2，勵(lì)磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機(jī)輸出端電壓隨之下降；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至額定值時(shí)，觸點(diǎn) V1重新閉合，發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常勵(lì)磁狀態(tài)。電壓繼電器工作時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3— 2所示。 圖 32發(fā)電機(jī)端電壓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān) 系 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) VI 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)用戶投入的負(fù)載過多時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)載電流過大超過額定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，會對發(fā)電機(jī)的使用壽命有較大的影響，甚至損壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。電流繼電器 I1的動斷觸點(diǎn) I1串接在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁 回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電器的繞組；當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流低于額定值時(shí)，繼電器不工作，動斷觸點(diǎn) I1閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動斷觸點(diǎn) I1斷開，電阻 R2被串入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出端的電壓，并減小了負(fù)載電流。電流繼電器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3— 3所示。 圖 33發(fā)電機(jī)負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，蓄電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，及蓄電池組由充電運(yùn)行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)，這不僅會消耗蓄電池組所儲電能，還可能燒毀勵(lì)磁繞組，因此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器 I2。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，逆流繼電器的電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動合觸點(diǎn) I2閉合；當(dāng)風(fēng)速太低，發(fā)電機(jī)端電壓低于蓄電池組電壓時(shí)，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機(jī)電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電流所產(chǎn)生的總磁場的吸力減弱，是的動合觸點(diǎn) I2斷開，從而斷開了蓄電湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) VII 池想發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電的回路。 采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流 發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變化自動調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對蓄電池組過充電，延長蓄電池組的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動斷、動合觸點(diǎn)動作頻繁，需對出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚怼６矣迷摻涣靼l(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時(shí)才能對蓄電池組充電。 整流部分 由于自然界風(fēng)力的不穩(wěn)定性，交流發(fā)電機(jī)輸出的是不穩(wěn)定的交流電，頻率和幅值都在不斷地變化，而用戶需要的是正常頻率（即 50HZ）的穩(wěn)定交流電，因此必須進(jìn)行 AC— DC— AC變換，即 先經(jīng)過整流變成直流電，之后在經(jīng)過你變電路將之變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電。如果電能足夠充足的話或者空載時(shí)還可以將多余的直流電儲存在蓄電池組內(nèi)。 電路圖和工作原理 目前在所有的整流電路中采用最廣泛的是 單 相橋式全 波 整流電路，本系統(tǒng)亦采用了 該 整流電路。 單相橋式整流電路由 4 個(gè)二極管接成橋式電路， RL 為負(fù)載電阻。圖511所示為單相橋式整流電路的 畫法。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) VIII 圖 511 單相橋式整流電路 下面按圖 511所示電路進(jìn)行分析。 在 U2的正半周，其極性為上（ +）下（ ），即 a點(diǎn) 的點(diǎn)位高于b點(diǎn)時(shí)， D D3導(dǎo)通， D D4截止，電流由 a經(jīng) D1→ R1→ D3→ b形成通路，如圖中實(shí)線箭頭所示。此時(shí)，電源電壓全部加在負(fù)載電阻 RL上，得到一個(gè)半波電壓； D2和 D4則承受反向電壓。 在 u2的負(fù)半周，其極性與上述相反，即 b點(diǎn)的電壓高于 a點(diǎn)時(shí)， DD4 導(dǎo)通， D D3截止，電流由 b 經(jīng) D2→ RL→ D4→形成通路，如圖中虛線箭頭所示。同樣，在負(fù)載電阻 RL上也得到一個(gè)半波電壓； D1和 D3則承受反向電壓。 有上述可見，盡管 u2的方向是交變的，通過負(fù)載 RL的電流 io及其兩端電壓 uo的方向都不變，因此 在負(fù)載上得到大小變化而方向不變的脈動湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) IX 直流電流和電壓， uo、 io及二極管承受的電壓 uD的波形如圖 512（ b）、（ d）所示。 下面討論單相橋式整流電路的定量關(guān)系及元件選擇。 負(fù)載上得到的脈動直流電壓，常用一個(gè)周期的平均值來說明它的大小。負(fù)載所得脈動直流電壓的平均值是 2220 in21 UUttdUU o ??? ? ???? ? 上式表示整流電壓平均值與整流變壓器二次側(cè)交流電壓有效值之間的關(guān)系，即整流電壓的平均值是交流電壓有效值的 。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) X 圖 512 單相橋式 整流電路電壓與電流的波形 負(fù)載電流的平均值 是 LOLOo RURUI ?? 每個(gè)周期中， D D3串聯(lián)與 D D4串聯(lián)各輪流導(dǎo)電半周，所以每個(gè)湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) XI 二極管中流出的平均電流只有負(fù)載電流的一半，如圖 512（ c）所示，即 LOD RUII ?? 由圖 512（ d）可以看出，二極管截止時(shí)承受的最高反向電壓就是變壓