【正文】 夠接受多少風(fēng)電，即所謂的穿透功率極限問題，這個問題不解決，人們在觀 念上對風(fēng)電的抵觸和阻礙也不會消失； （ b） 由于風(fēng)電場的處理是大幅度頻繁波動的，為了保證整個系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)運行，需要增加系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和調(diào)頻機組容量，其后果是增加了系統(tǒng)的運行成本，如果增加的這部分成本大于風(fēng)電節(jié)陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 2 省的燃料成本，對系統(tǒng)而言就是虧本的，這是哪個電力系統(tǒng)都不愿接受的，因此需要研究風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行方式。 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 先前的風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電時有時無，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒有實際應(yīng)用價值的。一陣狂風(fēng)吹來，風(fēng)輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)就會被吹跨。為了解決這些問題，現(xiàn)代風(fēng)機增加了齒輪箱、 偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。 齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（ 600kW 的風(fēng)機通常為 27r/min）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速（通常為 1500 r/min）。同時也使得發(fā)電機易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。要知道， 600kW 的風(fēng)機機艙總重 20多噸，使這樣一個系統(tǒng)隨時對準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。 風(fēng)機是有許多轉(zhuǎn)動部件的。業(yè)已說明，機艙在水平面旋轉(zhuǎn)，隨時跟風(fēng)。風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動力。在變槳矩風(fēng)機，組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn)，以便適應(yīng)不同的風(fēng) 況。在停機時，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機、剎車等狀態(tài)下使用。 控制系統(tǒng)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的神經(jīng)中樞?，F(xiàn)代風(fēng)機是無人值守的。就 600kW 風(fēng)機而言，一般在 4m/s 左右的風(fēng)速自動啟動，在 14m/s 左右發(fā)出額定功率。然后，隨著風(fēng)速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風(fēng)速達(dá)到 25m/s 時自動停機?，F(xiàn)代風(fēng)機的存活風(fēng)速為 6070m/s，也就是說在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機也不會被吹壞。要知道，通常所說的 12 級颶風(fēng)，其風(fēng)速范圍也僅為 。風(fēng)機的控制系統(tǒng)，要在這樣 惡劣的條件下，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報警，必要時自動停機。 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機械。在理論上，最好的風(fēng)輪約 60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪效率可達(dá) 40%。在風(fēng)力發(fā)電機組輸出達(dá)到額定功率之前，其功率與風(fēng)速的立方成正比。 風(fēng)力發(fā)電的突出優(yōu)點是：環(huán)境效益好，不排放任何有害氣體和廢氣物。風(fēng)電場雖然占了大片土地，但是風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)使用面積很 小，不影響農(nóng)田和牧場的正常生產(chǎn)。到風(fēng)的地方往往是荒灘或山地，建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場的同時也開發(fā)了旅游資源 。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 3 控 制 系 統(tǒng)油 泵風(fēng) 速測 量馬 達(dá)變 速 機 構(gòu)發(fā) 電 機油 泵 油 泵 油 泵變 壓 器 電 網(wǎng)勵 磁變 槳 機 構(gòu)圖 11 新型風(fēng)力發(fā)電的原理圖 我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 [1] 目前我國的風(fēng)電事業(yè)發(fā)展較快，無論技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)均取得長足進(jìn)步，全國風(fēng)電裝機到 2021 年底為 萬 kW, 2021 年為 萬 kW, 2021 年底達(dá)到了 萬 kW。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，市場規(guī)模不斷擴大，風(fēng)力發(fā)電的成本效益也逐漸改善。設(shè)備的國產(chǎn)化率有了明顯提高。風(fēng) 電的優(yōu)越性愈來愈多地受到人們的認(rèn)識與重視。但也應(yīng)該看到，風(fēng)電在我國的電力裝機容量中所占比重較小。發(fā)展的實踐證明，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還面臨一系列障礙和問題，其中既有政策問題，也有技術(shù)問題 。既有機制問題，也有認(rèn)識問題。因此，研究分析風(fēng)電發(fā)展存在的問題和影響因素，提出相應(yīng)的措施和對策，是促進(jìn)我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一項緊迫任務(wù)。 當(dāng)前我國建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場的主要投資是風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備，占總投資的 80%以上。19971998 年，我國風(fēng)電場投產(chǎn) 209 臺機組，合計容量 114200kW 全部為進(jìn)口，設(shè)備價格高，風(fēng)電場單位 kW 造價約 80009000 元，其中機組占投資的 7580%，只有逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，才能把風(fēng)電場造價和運行成本降下來。此外，由于運行的大容量風(fēng)力發(fā)電機由國外進(jìn)口，而國外風(fēng)力發(fā)電組的容量、規(guī)格更新很快，我國進(jìn)口的許多型號的風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)品不再生產(chǎn)，所以風(fēng)電場設(shè)備的更換、維護(hù)也是一個問題。在今后我國風(fēng)力發(fā)電機的制造和維護(hù)必將成為一種新興的產(chǎn)業(yè)，成為世界主要風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造國。風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，也勢必拉動復(fù)合材料行業(yè)、發(fā)電機行業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國風(fēng)電場年利用小時數(shù)一般為 2700 小時 。一些地方達(dá)到 3200 小時，因 而風(fēng)電成本為 0. 450. 70陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 4 元 /kWh，在現(xiàn)階段仍需國家政策給予扶持。隨著對能源需求和環(huán)保法規(guī)執(zhí)法力度不斷加大，而風(fēng)電技術(shù)是一門不斷發(fā)展和完善中的多學(xué)科的高新技術(shù)，為降低造價，在提高單機容量，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝，以及減輕部件重量上，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，它的優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)性必將日益發(fā)揮出來。 大型風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電是世界風(fēng)能利用的主要形式，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的功能是將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)換成機械能，再將機械能轉(zhuǎn)換為電能，輸送到電網(wǎng)中。對并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的基本要求是在當(dāng)?shù)仫L(fēng)況、氣候、和電網(wǎng)條件下能夠長期安全 運行，取得最大的年發(fā)電量和最低的成本。目前大中型風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電，已經(jīng)成為我國風(fēng)能利用的主要形式，隨著并網(wǎng)機組需求持續(xù)增長，生產(chǎn)量上升，機組更新?lián)Q代，單機容量提高，機組性能優(yōu)化，故障降低，生產(chǎn)成本下降，風(fēng)電已經(jīng)接近與常規(guī)能源競爭的能力。 選題背景 自工業(yè)化革命以來，人類社會的生產(chǎn)力水平達(dá)到了空前的高度，但與此同時對能源的不合理利用，對環(huán)境的破壞也達(dá)到了空前的規(guī)模和程度，已經(jīng)直接危及到了人類自身的生存：溫室氣體過度排放造成南極臭氧空洞越來越大，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站泄漏的事故影響至今。西方國家甚至出現(xiàn) 了以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源為施政綱領(lǐng)的綠黨， 2021年之夏的北京奧運會以倡導(dǎo)綠色奧運而被永載史冊。毋庸置疑，用風(fēng)能、太陽能和生物能等形式的可再生清潔能源代替以化石燃料為代表的常規(guī)能源，為子孫后代留下一片碧水藍(lán)天，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和人類的可持續(xù)發(fā)展，已是世界各國的共識。 隨著環(huán)保問題的日益突出，能源供應(yīng)的漸趨緊張，風(fēng)力 發(fā)電 作為一種清潔的可再生能源的 發(fā)電 方式，已越來越受到世界各國人民的歡迎和重視。同時，風(fēng)力 發(fā)電 又是新能源 發(fā)電 技術(shù)中最成熟和最具規(guī)模開發(fā)條件的 發(fā)電 方式之一。因此，近幾年來，我國的風(fēng)力 發(fā)電 事業(yè)得到了很快的發(fā)展。本課題以目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較普遍使用的 MW 級風(fēng)力發(fā)電機為研究對象，主要研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機并網(wǎng)方案和風(fēng)電場集中并網(wǎng)方案。各設(shè)計一套論證充分的并網(wǎng)方案，最后在通過實踐驗證其可行性。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 5 2 風(fēng)力發(fā)電概述 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)備 [2] 風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機 風(fēng)力機多種多樣，但歸納起來可分為兩類 :水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機。水平軸風(fēng)力機可分為升力型和阻力型，它的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行，升力型旋轉(zhuǎn)速度快，阻力型旋轉(zhuǎn)速度慢。垂直軸風(fēng)力機在風(fēng)向改變時無需對風(fēng)，相對于水平軸風(fēng)力機是一大優(yōu)點，但其尖速比較低，提供的功率輸出較低。 （ 1） 風(fēng)力機的主要部件 水平軸風(fēng)力機主要由風(fēng)輪、塔架及對風(fēng)裝置組成。水平軸風(fēng)力機的風(fēng)輪由 2 或 3 個葉片組成。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，葉片受到離心力和氣動力的作用，當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機的設(shè)計風(fēng)速時，需對風(fēng)輪進(jìn)行控制。 塔架用 來將風(fēng)輪支撐起來，它主要承受兩個載荷 :一個是風(fēng)力機的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使塔架向風(fēng)的下游方向彎曲；大型風(fēng)力機的塔架基本上是錐形圓柱鋼塔架。 水平軸風(fēng)力機為了得到最高的風(fēng)能利用效率，應(yīng)使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準(zhǔn)風(fēng)向，因此需要對風(fēng)裝置。大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機采用專門設(shè)計的風(fēng)向傳感器與伺服電機相結(jié)合的傳動機構(gòu)來實現(xiàn)對風(fēng)。 （ 2）風(fēng)力機的功率 風(fēng)力機的風(fēng)輪從空氣中吸收能量，風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率可用下面公式表示： 321 vACP p ?? （ 21） 2RA ?? （ 22） 式中 ： P 為風(fēng)輪輸出的功率， kW； pC 為風(fēng)輪的功率系數(shù)； A 為風(fēng)輪掃過的面積； ? 為空氣密度， 3m/kg ； v 為場地 風(fēng)速， m/s； R 為風(fēng)輪半徑， m。 當(dāng)風(fēng)速增加一倍時，風(fēng)輪從氣流中吸收的能量增加八倍，所以在確定風(fēng)力機的安裝位置和選擇風(fēng)力機的型號時，都必須考慮這個因素。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的同步發(fā)電機 同步發(fā)電機的基本類型分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機的突出優(yōu)點是 :電樞繞組輸出的交流電不必要通過運動的滑環(huán)和電刷，而是直接由固定的電樞繞組引線電纜送往負(fù)荷，所以其機械強度和絕緣條件都比較好，因而提高了電樞繞組的安全性和可靠性。這種同步發(fā)電機的磁極上繞有 勵磁繞組，而產(chǎn)生發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 6 轉(zhuǎn)磁場的勵磁電流經(jīng)電刷和滑環(huán)引入勵磁繞組。由此可知，旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機的磁場所需勵磁電壓較低，勵磁電流也比較小，因此集電環(huán)和電刷的工作較為可靠且壽命很長，現(xiàn)在大多數(shù)交流同步發(fā)電機均采用這種方式。 將同步發(fā)電機應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電上有兩種機械聯(lián)接方式 :一種是通過變速齒輪箱，做成高速同步發(fā)電機；另一種是取消變速齒輪箱，把風(fēng)輪軸與發(fā)電機直聯(lián)，并把發(fā)電機做成低速同步發(fā)電機。無論采用哪種機械聯(lián)接方式，若發(fā)電機定子出線端直接接入工頻電網(wǎng)，則需要一套穩(wěn)速裝置。 調(diào)速系統(tǒng)是用來控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速及有功功 率的，勵磁系統(tǒng)是調(diào)控同步發(fā)電機的電壓及無功功率的，下圖中 n， U， P 分別代表風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機的電壓、輸出功率。同步發(fā)電機并網(wǎng)后，必須對發(fā)電機的電壓、頻率及輸出功率進(jìn)行有效控制，否則會發(fā)生失步現(xiàn)象。 風(fēng) 力 機升 速 齒輪 箱同 步 發(fā)電 機調(diào) 速系 統(tǒng)勵 磁系 統(tǒng)風(fēng)n UP?? ??電網(wǎng)圖 21 同步發(fā)電系統(tǒng)原理圖 同步發(fā)電機的頻率調(diào)整有兩種情況 :一是負(fù)荷變化前后發(fā)電機穩(wěn)定頻率的差值與額定頻率比值的穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率；二是發(fā)電機負(fù)荷突變時的瞬間頻率調(diào)整率與負(fù)荷變化前頻率的差值，再與額定頻率比值的瞬態(tài)頻率調(diào)整率。 穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率 = %100*01f ff ? （ 23） 瞬態(tài)頻率調(diào)整率 = %100*03f ff ? （ 24） 式中 ： 0f 為負(fù)荷變化前的頻率； 1f 為負(fù)荷變化后的穩(wěn)態(tài)頻率最大值； f 為額定頻率； 3f 為負(fù)荷突變時的瞬時 頻率最大值 。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的偏航裝置 偏航裝置一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航計數(shù)器、偏航液壓回850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 7 路和紐纜保護(hù)裝置等幾個部分組成。其中，解纜和紐纜是風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的主要功能。偏航系統(tǒng)的偏航動作會導(dǎo)致機艙和塔架之間的連接電纜發(fā)生紐絞，所以在偏航系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置與方向有關(guān)的計數(shù)裝置或類似的程序?qū)﹄娎|的紐絞程度進(jìn)行檢測。對于主動偏航系統(tǒng)來說，檢測裝置或程序應(yīng)在電纜達(dá)到規(guī)定的紐絞角度之前發(fā)出解纜信號。偏航系統(tǒng)的解纜一般分為初級解纜和終極解纜，初級解纜是在一定的條件下進(jìn)行的，它與偏航 圈數(shù)和風(fēng)速相關(guān)。終極解纜一旦被觸發(fā)，則風(fēng)力發(fā)電機將緊急停機。 偏航裝置是水平軸式風(fēng)力發(fā)電機組必不可少的組成部分。偏航裝置的主要作用有兩個：其一是與風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電效率 。其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行。風(fēng)力發(fā)電機組的偏航裝置一般分為主動偏航裝置和被動偏航裝置。被動偏航是指依靠風(fēng)力通過相關(guān)機構(gòu)完成機組風(fēng)輪對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向三種。主動偏航是指采用電力或液壓拖動來完成對風(fēng)動作 的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式，對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組通常采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制和安全保護(hù)裝置 [3] 控制和安全保護(hù)裝置是風(fēng)力發(fā)電機組安全運行的大腦指揮中心，控制裝置保障了機組的安全運行?？刂蒲b置由微機控制器、顯示運行控制器、并網(wǎng)控制器、發(fā)電機功率控制器、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控器、控制輸出驅(qū)動電路模版等器件組成?？刂蒲b置可以控制的功能和參數(shù)包括功率極限、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)載的連接、起動及停機過程、電網(wǎng)或數(shù)據(jù)丟失的停機、機艙對風(fēng)、運行時電量和溫度參數(shù)的限制。安全保護(hù)裝 置由大風(fēng)保護(hù)、電壓保護(hù)、電流保護(hù)、參數(shù)越限保護(hù)、抗干擾保護(hù)、機組接地保護(hù)等器件組成。 我國風(fēng)電場運行的機組部分為定漿距失速型機組，所謂失速型風(fēng)力發(fā)電機組就是當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機額定風(fēng)速時，為確保風(fēng)力發(fā)電機組功率輸出不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機過載，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。所以，定漿距失速型風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的控制原則是功率控制由葉片的失速特性來完成。對于變漿距風(fēng)力發(fā)電機控制原則與定漿距風(fēng)力發(fā)電機不同，即功率調(diào)節(jié)方式不同，它采用變漿距方式來改變風(fēng)輪捕捉得能 量，從而使風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率發(fā)生變化，最終達(dá)到限制功率輸出的目的。風(fēng)力發(fā)電機組的運行是一