【正文】 （12） 風(fēng)輪機的理論[4]風(fēng)輪機又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機垂直軸風(fēng)輪機和特殊風(fēng)輪機三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機。 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成 風(fēng)力發(fā)電機的分類[5]風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型（10kw以下）、中型（10—100kw）和大型（100kw以上）風(fēng)力發(fā)電機組。按主軸與地面相對位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風(fēng)輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風(fēng)輪動態(tài)特性的影響。它的主要機械部件都在機艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機效率低，需啟動設(shè)備，同時還有些技術(shù)問題尚待解決。在本文中以后不做特殊說明時所指的風(fēng)力發(fā)電機組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機組。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)大中型風(fēng)力發(fā)電機組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙機座回轉(zhuǎn)體制動器等）組成的。(1)機艙機艙包含著風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機等。 (2)風(fēng)輪葉片安裝在輪轂上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機接受風(fēng)能的部件。葉片是風(fēng)力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機上每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米葉片數(shù)通常為2枚或3枚，大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強化塑料（GRP）制造。葉片可分為變漿距和定漿距兩種葉片，其作用都是為了調(diào)速，當(dāng)風(fēng)力達到風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計的額定風(fēng)速時，在風(fēng)輪上就要采取措施，以保證風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率不會超過允許值。輪轂是連接葉片和主軸的零部件。輪轂一般由鑄鋼或鋼板焊接而成，其中不允許有夾渣、砂眼、裂紋等缺陷，并按槳葉可承受的最大離心力載荷來設(shè)計。主軸也稱低速軸，將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起，由于承受的扭矩較大，其轉(zhuǎn)速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高強度合金鋼制成。（3）增速器增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵部件之一。由于風(fēng)輪機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為實現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風(fēng)電機轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。（4）聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起。（5）制動器制動器是使風(fēng)力發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。（6）發(fā)電機發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。大型風(fēng)電機（100150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風(fēng)電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至13萬伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標準。風(fēng)力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有以下幾種：① 直流發(fā)電機，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機上。② 永磁發(fā)電機，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機上。現(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以做成多對極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機。③ 同步或異步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。 （7）塔架塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式，風(fēng)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。 （8）調(diào)速裝置風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時調(diào)速。目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種：可變漿距的調(diào)速裝置；定漿距葉尖失速控制的調(diào)速裝置；離心飛球調(diào)速裝置；空氣動力調(diào)速裝置；扭頭、仰頭調(diào)速裝置。（9）調(diào)向（偏航）裝置調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風(fēng)輪對準風(fēng)向的裝置。借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標來感覺風(fēng)向。通常在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。 （10）風(fēng)力發(fā)電機微機控制系統(tǒng)[11]風(fēng)力發(fā)電機的微機控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標、風(fēng)速計、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機電壓、頻率、電流、發(fā)電機溫升、增速器溫升、機艙振動、塔架振動、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸送給單片機再按設(shè)計程序給出各種指令實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、運行中機組故障的自動停機、自動電纜解繞、過振動停機、過大風(fēng)停機等的自動控制。自我故障診斷及微機終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機以指令，微機再執(zhí)行自動控制程序。風(fēng)電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。（11）電纜扭纜計數(shù)器電纜是用來將電流從風(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 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A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 。如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 (13)由流體力學(xué)可知氣流的動能為 (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。如果以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量，此時氣體所具有的動能為 (15)的單位是kg/m3；V的單位是m3；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 (16)式中 ——空氣當(dāng)時的密度風(fēng)輪所接受的功率為 (17)所以經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化 (18)式中 ——空氣質(zhì)量 (19) (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 (111) (112)風(fēng)速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對微分求最大值得 (113)令其等于0，求解方程得 (114) (115)16/27=0．593，稱作貝茨功率系數(shù) (116)而正是風(fēng)速為的風(fēng)能，故 (117)=0．593，說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率為風(fēng)吹過葉片掃掠面積的風(fēng)能的59．3％。％。通常風(fēng)輪機風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達不到59．3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、。 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)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)表示 (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 (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)和推力系數(shù)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。 (120) (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)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)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的差為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率用表示 (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（）則轉(zhuǎn)差率，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)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)。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KW；也有用視在功率表示的單位為KVA。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。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。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 (123)P為有功功率 KW，S為視在功率KVA，cos與負載性質(zhì)有關(guān)。發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速發(fā)電機在額定功率運行時的轉(zhuǎn)速用表示。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。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。發(fā)電機額定溫升發(fā)電機在額定功率輸出及額定負載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風(fēng)溫的差值。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 (124)式中 ——發(fā)電機的極對數(shù)；——同步轉(zhuǎn)速r/min。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、增速器的效率、發(fā)電機的效率、傳動系統(tǒng)效率等的積 (125)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]定槳距失速型機組控制