【正文】 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計 摘要 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 電氣 控制 技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。 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。 關(guān)鍵詞 ： 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 ； 風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)理論 ； 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng) ； 風(fēng)輪機的氣動特性 ； 變槳距控制系統(tǒng) 。 1 緒論 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 風(fēng)能屬于可再生能源，具有取之不盡、用 之不竭、無污染的特點。人類面臨的能源、環(huán)境兩大緊迫問題使風(fēng)能的利用日益受到重視。我國的風(fēng)能資源豐富，可利用的潛能很大，大力發(fā)展風(fēng)、水電是我國長期的能源政策。而其中風(fēng)電是可再生能源中最具發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)開發(fā)價值的能源方式。從 20 世紀 80 年代問世的現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組，只經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，世界上 已 有近 50 個國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場 (是前期總數(shù)的 3 倍 )， 2020 年底，風(fēng)電場總裝機容量約 31128 兆瓦 (是前期總數(shù)的 300 倍 )。 2020 年以來，全球風(fēng)電累計裝機容量年平均增長率為 %，新增裝機容量年平均增長率為 %，保持著世界增長最快能源的地位。 2020 年全球裝機容量達196630MW，新裝機容量 37642MW，比去年同期增長 %。 目前，德國、西班牙和意大利三國的風(fēng)電機組的裝機容量約占到歐洲總量的 65%。近年來，在歐洲大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。歐洲之外，發(fā)展風(fēng)電的主要國家有美國、中國、印度、加拿大和日本。迄今為止，世界上已有 82 個國家在積極開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)能資源。 海上風(fēng)力資源條件優(yōu)于陸地，將風(fēng)電場從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢。有人把風(fēng)電的 發(fā)展規(guī)劃為 3 步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng)電技術(shù)（未來發(fā)展方向）。 2020 年北美的裝機容量有顯著下降，美國年度裝機容量首度不及中國；多數(shù)西歐國家風(fēng)能發(fā)展處于飽和階段，但風(fēng)能產(chǎn)業(yè)在東歐國家得到顯著發(fā)展；非洲風(fēng)能發(fā)展主要集中在北非。 隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，單機容量為 3 6MW 的風(fēng)電機組已經(jīng)開始進行商業(yè)化運行。美國 7MW 風(fēng)電機組已經(jīng)研制成功，正在研制 10MW 機組；英國 10MW 機組也正在進行設(shè)計，挪威正在研制 14MW 的機組，歐盟正在考慮研制 20MW 的風(fēng)電機組，全球各主要風(fēng) 電機組制造廠家都在為未來更大規(guī)模的海上風(fēng)電場建設(shè)做前期開發(fā)。 世界上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 近年來，世界風(fēng)電發(fā)展持續(xù)升溫，速度加快。現(xiàn)主要以德國、西班牙、丹麥和美國的一些公司為代表，大規(guī)模地促進了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化和風(fēng)機設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過四、五年時間的整合，國際上風(fēng)機制造業(yè)大約有十幾家比較好的大企業(yè)。 2020 年底，全世界風(fēng)電是 3800 萬千瓦左右，而 2020 年一年就增加了 400 多萬千瓦，僅德國到 2020年底的裝機容量就有 1600 萬千瓦，其次是西班牙、美國、丹麥等國。國外風(fēng)電 的發(fā)展趨勢，一是發(fā)展速度加快，二是風(fēng)機 機組從小型化向大型化發(fā)展 ,海上風(fēng)電廠是下一步發(fā)展的主流。 全世界風(fēng)力發(fā)電總裝機容量 :1981 年為 105 萬 kW,1994 年為 350 萬 kW,1995 年達到 490 萬 kW,1996 年底為 607 萬 kW,1997 年升至 780 萬 kW,1998 年已達到 萬kW,2020 年 5 月已超過 1429 萬 kWa 德國風(fēng)力發(fā)電在裝機容量方面居于世界領(lǐng)先地位，2020 年 5 月已達到 4635 萬 kW。丹麥是開發(fā)風(fēng)電最早的國家，而且當前在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和生產(chǎn)方面等仍處于領(lǐng)先地位，全國裝機容量 148 萬 kW，占發(fā)電總裝機容量的 5%以上。國際上許多國 家都制定了新世紀的風(fēng)力發(fā)電計劃，歐洲風(fēng)能協(xié)會己制定出 2020年歐洲風(fēng)能裝機容量 lOSMW 的目標，并寫入了歐共體關(guān)于可再生能源的白皮書 。歐洲風(fēng)能委員會 CEWER)對 I99I 年歐洲風(fēng)能發(fā)展目標作了修改，新的 EWEA 目標是 :歐洲風(fēng)力發(fā)電機裝機容量到 2020 年約為 8000MW,2020 年為 100000MW。歐洲風(fēng)能協(xié)會和丹麥能源與發(fā)展論壇的研究報告表明 :在 20 年內(nèi)風(fēng)力發(fā)電可以滿足世界電力需求量的 10%。 我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 風(fēng)能資源作為一種可再生能源取之不盡，中國更是風(fēng)能大國，據(jù)統(tǒng)計中國風(fēng)能的技 術(shù)開發(fā)量可達 3 億千瓦 6 億千瓦，而且中國風(fēng)能資源分布集中，有利于大規(guī)模的開發(fā)和利用。據(jù)考察中國的風(fēng)能資源主要集中在兩個帶狀地區(qū)，一條是“三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶”即西北、華北和東北的草原和戈壁地帶；另一條是“沿海及其島嶼地豐富帶”，即東部和東南沿海及島嶼地帶。這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源并且在時間上冬春季風(fēng)大、降雨量少，夏季風(fēng)小、降雨量大，而風(fēng)電正好能夠彌補火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補性。 80 年代初， 200 千瓦風(fēng)機的研制開發(fā)工作開始實施。從 90 年代初期在山東容城建設(shè)了第一個商 業(yè)化風(fēng)力發(fā)電廠， 到 2020 年底，中國以約 萬千瓦的累積風(fēng)電裝機容量首次超越美國位居世界第一，較 2020 年同比大增 62%。按照國家電網(wǎng)此前出具的研究報告，到 2020 年，電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風(fēng)電上網(wǎng)的規(guī)模達 1 億千瓦，到 2020 年可達 億千瓦。 受國際風(fēng)電發(fā)展大型化趨勢的驅(qū)使，國內(nèi)風(fēng)電機組技術(shù)取得了不俗的成果。 2020 年，中國風(fēng)電場新安裝的 MW 級風(fēng)電機組（≥ 1MW）僅占當年新增裝機容量的 %。隨著國內(nèi)企業(yè) MW 級風(fēng)電機組產(chǎn)量的增加， 2020 年 MW 級風(fēng)電機組的裝機容量占到當年新增市場的 51%， 2020 年占到 %， 2020 年占到 %。 2020 年中國在多 MW 級（≥2MW）風(fēng)電機組研制方面取得新的成果，如金風(fēng)科技股份有限公司研制的 和3MW 的風(fēng)電機組已在風(fēng)電場投入試運行；華銳風(fēng)電科技股份有限公司研制的 3MW 海上風(fēng)電機組已在東海大橋海上風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電；由沈陽 工業(yè) 大學(xué)研制的 3MW 風(fēng)電機組也已經(jīng)成功下線。此外，中國華銳、金風(fēng)、東汽、海裝、湘電等企業(yè)已開始研制單機容量為 5MW 的風(fēng)電機組。中國開始全面邁進多 MW 級風(fēng)電機組研制的領(lǐng)域。 2020年，國際上公認中國很難建成自主化的海上風(fēng)電項目，然而，華銳風(fēng)電科技集團中標的上海東海大橋項目，用完全中國自主的技術(shù)和產(chǎn)品，用兩年的時間實現(xiàn)了裝機，并于 2020 年成功投產(chǎn)運營，令世界風(fēng)電行業(yè)震驚。 報告預(yù)測， 2020 年，中國風(fēng)電裝機量很可能達到 千兆瓦，在 2020 年達到 17千兆瓦， 2020 年達到 18 千兆瓦。按照這個增長速度，中國在 2020 年末風(fēng)電并網(wǎng)裝機達到 1 億千瓦的目標將提前一年實現(xiàn)。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。 論文主要內(nèi)容的 簡介 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。 2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 風(fēng)能具有一定的動能，通過風(fēng)輪機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電 的原理是利用風(fēng)帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn) ， 再 通 過增速 器 將旋轉(zhuǎn)的速度提 高 來促使發(fā)電機發(fā)電 的 。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù) ， 大約 3m/s 的 微風(fēng) 速度便可以開始發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡單 ，最簡單的風(fēng)力發(fā)電機可由葉片 和發(fā)電機兩部分構(gòu)成如圖 11 所示?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上 ， 將動能轉(zhuǎn)換成機械能 ， 從而推動 片 葉旋轉(zhuǎn) ， 如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機發(fā)出電來。 風(fēng)力發(fā)電的特點 （ 1）可再生的潔凈能源 風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源，不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火力發(fā)電所無法比擬的優(yōu)點。 （ 2）建設(shè)周期短 一個十兆瓦級的風(fēng)電場建設(shè)期不到一年。 （ 3）裝機規(guī)模靈活 可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一 臺投產(chǎn)一臺。 （ 4）可靠性高 把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機組可靠性從 80 年代的 50%提高到了 98%，高于火力發(fā)電且機組壽命可達 20 年。 （ 5）造價低 從國外建成的風(fēng)電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。我國由于中大型風(fēng)力發(fā)電機組全部從國外引進，造價和電價相對比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風(fēng)力發(fā)電的造價和電價都將低于火力發(fā)電。 （ 6）運行維護簡單 現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機的自動化水平很 高，完全可以在無人職守的情況下正常工作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。 （ 7）實際占地面積小 發(fā)電機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠 1%的土地，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。 （ 8）發(fā)電方式多樣化 風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實可行性。 （ 9）單機容量小 由于風(fēng)能密度低決定了單臺風(fēng)力發(fā)電機組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機組和核電機組無法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時無風(fēng)有時 又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實際問題。 風(fēng)資源及風(fēng)輪機 概述 風(fēng)資源概述 （ 1）風(fēng)的起源 風(fēng)的形成乃是空氣流動的結(jié)果。風(fēng)就是水平運動的空氣 ， 空氣運動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。大氣的流動也像水流一樣 ， 是從壓力高處往壓力低處流 ， 太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在 66． 5176。 的夾角 ， 因此對地球上不同地點太陽照射角度是不同的 ，而且對 同一地點一年中這個角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽輻射能 與該地點太陽照射角的正 弦成正比。 （ 2）風(fēng)的參數(shù) 風(fēng)向和風(fēng)速是兩個描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向 ， 如果風(fēng)是從 東 方吹來就稱為 東 風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。 風(fēng)速是指某一高度連續(xù) 10min 所測得各瞬時風(fēng)速的平均值。一般以草地上空 10m高 處 的 10min 內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。 風(fēng)玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。 （ 3）風(fēng)能的基本情況 [1] ○ 1 風(fēng)能的特點 風(fēng)能的特點主要有：能量密度低 、 不穩(wěn)定性 、 分布不均勻 、 可再生 、 須在有風(fēng)地帶 、 無污染 、 分布廣泛 、 可分散利用 、 另外不須能源運輸 、 可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。 ○ 2 風(fēng)能資源的估算 風(fēng)能的大小實際就是氣流流過的動能 ， 因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能 ， 即風(fēng)功率為 V??? (11) 式中 ? 為風(fēng)能 (w)； ? 為空氣密度 (kg/m )； v 為風(fēng)速 (m/s)。 由于風(fēng)速是一個隨機性很大的量 ， 必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況 ，一個地方風(fēng)能潛力的多少要視該地常年平均風(fēng)能密度的大小。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風(fēng)能密度 ， 這個值可以將風(fēng)能密度公式對時間積分后平均來求得。在風(fēng)速V 的概率分布 p(V)知道后 ， 平均風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得 30. 5 ( )V P V dV??? （ 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