【正文】 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì) 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(jī)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(chǎng)長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)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(jī)組的聲譽(yù)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng) ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對(duì)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(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)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(jī)的基礎(chǔ)理論 ； 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng) ； 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)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(shì) 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(diǎn)。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(jià)值的能源方式。從 20 世紀(jì) 80 年代問世的現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，只經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，世界上 已 有近 50 個(gè)國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng) (是前期總數(shù)的 3 倍 )， 2020 年底，風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)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(jì)裝機(jī)容量年平均增長率為 %，新增裝機(jī)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(jī)容量達(dá)196630MW，新裝機(jī)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(jī)組的裝機(jī)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(gè)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(chǎng)從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢(shì)。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(dāng)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(jī)容量有顯著下降，美國年度裝機(jī)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(jī)容量為 3 6MW 的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行。美國 7MW 風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)研制成功，正在研制 10MW 機(jī)組；英國 10MW 機(jī)組也正在進(jìn)行設(shè)計(jì)，挪威正在研制 14MW 的機(jī)組，歐盟正在考慮研制 20MW 的風(fēng)電機(jī)組，全球各主要風(fēng) 電機(jī)組制造廠家都在為未來更大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)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?，F(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(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化和風(fēng)機(jī)設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過四、五年時(shí)間的整合，國際上風(fēng)機(jī)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(jī)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(shì)，一是發(fā)展速度加快，二是風(fēng)機(jī) 機(jī)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(jī)容量 :1981 年為 105 萬 kW,1994 年為 350 萬 kW,1995 年達(dá)到 490 萬 kW,1996 年底為 607 萬 kW,1997 年升至 780 萬 kW,1998 年已達(dá)到 萬kW,2020 年 5 月已超過 1429 萬 kWa 德國風(fēng)力發(fā)電在裝機(jī)容量方面居于世界領(lǐng)先地位，2020 年 5 月已達(dá)到 4635 萬 kW。丹麥?zhǔn)情_發(fā)風(fēng)電最早的國家，而且當(dāng)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(jī)容量 148 萬 kW，占發(fā)電總裝機(jī)容量的 5%以上。國際上許多國 家都制定了新世紀(jì)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)己制定出 2020年歐洲風(fēng)能裝機(jī)容量 lOSMW 的目標(biāo)，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(huì) CEWER)對(duì) I99I 年歐洲風(fēng)能發(fā)展目標(biāo)作了修改，新的 EWEA 目標(biāo)是 :歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量到 2020 年約為 8000MW,2020 年為 100000MW。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和丹麥能源與發(fā)展論壇的研究報(bào)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(jì)中國風(fēng)能的技 術(shù)開發(fā)量可達(dá) 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(gè)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(shí)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(bǔ)火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補(bǔ)性。 80 年代初， 200 千瓦風(fēng)機(jī)的研制開發(fā)工作開始實(shí)施。從 90 年代初期在山東容城建設(shè)了第一個(gè)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(jī)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(bào)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(dá) 1 億千瓦，到 2020 年可達(dá) 億千瓦。 受國際風(fēng)電發(fā)展大型化趨勢(shì)的驅(qū)使，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)取得了不俗的成果。 2020 年，中國風(fēng)電場(chǎng)新安裝的 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組（≥ 1MW）僅占當(dāng)年新增裝機(jī)容量的 %。隨著國內(nèi)企業(yè) MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)量的增加， 2020 年 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量占到當(dāng)年新增市場(chǎng)的 51%， 2020 年占到 %， 2020 年占到 %。 2020 年中國在多 MW 級(jí)（≥2MW）風(fēng)電機(jī)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(jī)組已在風(fēng)電場(chǎng)投入試運(yùn)行；華銳風(fēng)電科技股份有限公司研制的 3MW 海上風(fēng)電機(jī)組已在東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電；由沈陽 工業(yè) 大學(xué)研制的 3MW 風(fēng)電機(jī)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(jī)容量為 5MW 的風(fēng)電機(jī)組。中國開始全面邁進(jìn)多 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組研制的領(lǐng)域。 2020年，國際上公認(rèn)中國很難建成自主化的海上風(fēng)電項(xiàng)目，然而，華銳風(fēng)電科技集團(tuán)中標(biāo)的上海東海大橋項(xiàng)目，用完全中國自主的技術(shù)和產(chǎn)品，用兩年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)，并于 2020 年成功投產(chǎn)運(yùn)營，令世界風(fēng)電行業(yè)震驚。 報(bào)告預(yù)測(cè)， 2020 年，中國風(fēng)電裝機(jī)量很可能達(dá)到 千兆瓦，在 2020 年達(dá)到 17千兆瓦， 2020 年達(dá)到 18 千兆瓦。按照這個(gè)增長速度，中國在 2020 年末風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到 1 億千瓦的目標(biāo)將提前一年實(shí)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(jī)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(chǎng)長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測(cè)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(jī)組的聲譽(yù)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng) ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對(duì)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(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)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(dòng)能，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電 的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)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(jī)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(jī)可由葉片 和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖 11 所示?？諝饬鲃?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上 ， 將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 ， 從而推動(dòng) 片 葉旋轉(zhuǎn) ， 如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) （ 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(diǎn)。 （ 2）建設(shè)周期短 一個(gè)十兆瓦級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期不到一年。 （ 3）裝機(jī)規(guī)模靈活 可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺(tái)資金就可以安裝一 臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)。 （ 4）可靠性高 把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從 80 年代的 50%提高到了 98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá) 20 年。 （ 5）造價(jià)低 從國外建成的風(fēng)電場(chǎng)看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時(shí)電價(jià)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(jī)組全部從國外引進(jìn)，造價(jià)和電價(jià)相對(duì)比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)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(jià)和電價(jià)都將低于火力發(fā)電。 （ 6）運(yùn)行維護(hù)簡單 現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)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(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問題。 （ 7）實(shí)際占地面積小 發(fā)電機(jī)組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠 1%的土地，其余場(chǎng)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(yùn)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(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行，因此對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。 （ 9）單機(jī)容量小 由于風(fēng)能密度低決定了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組無法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時(shí)無風(fēng)有時(shí) 又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實(shí)際問題。 風(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī) 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(dòng)的結(jié)果。風(fēng)就是水平運(yùn)動(dòng)的空氣 ， 空氣運(yùn)動(dòng)主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強(qiáng)度不同而形成的。大氣的流動(dòng)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(duì)地球上不同地點(diǎn)太陽照射角度是不同的 ，而且對(duì) 同一地點(diǎn)一年中這個(gè)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(diǎn)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(gè)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(dòng)的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過的距離。 風(fēng)速是指某一高度連續(xù) 10min 所測(cè)得各瞬時(shí)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(gè)給定地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當(dāng)?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(diǎn) 風(fēng)能的特點(diǎn)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(yùn)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(shí)際就是氣流流過的動(dòng)能 ， 因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時(shí)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(gè)隨機(jī)性很大的量 ， 必須通過一段時(shí)間的觀測(cè)來了解它的平均狀況 ，一個(gè)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(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)能密度 ， 這個(gè)值可以將風(fēng)能密度公式對(duì)時(shí)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(jī) 的 理論 [4] 風(fēng)輪機(jī)又稱 為 風(fēng) 車 ， 是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)