【正文】 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 引 言 隨著 世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。 可以說，對風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。 風(fēng)力發(fā)電起源于 20世紀(jì) 70 年代，技術(shù)成熟于 80年代，自 90 年代以來風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了大發(fā)展階段。隨著風(fēng)力發(fā)電容量的不斷增大，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。前人在風(fēng)輪機(jī)的空氣動力學(xué)原理和能量轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上 ,系統(tǒng)分析了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略，并對并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要控制是在起動時對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制和并網(wǎng)后對輸入功率的控制。通過變距控制可以根據(jù)風(fēng)速來調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機(jī)起動與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。但由于對運(yùn)行工況的認(rèn)識不足，對變 槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的要求，更達(dá)不到優(yōu)化功率曲線和穩(wěn)定功率輸出的要求。 本篇論文主要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略 ,在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真方面作了初步的探究和 研究 。 通過 控制系統(tǒng)保持了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行， 并 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定機(jī)組輸出功率和優(yōu)化功率曲線的控制 功能 。 利用 控制系統(tǒng)使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并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。 本篇論文主要是通過 PSCAD/EMTDC 仿真軟件，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風(fēng) 力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對自建的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型進(jìn)行仿真分析，利用運(yùn)行模塊進(jìn)行 EMTDC 模擬計(jì)算，驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的可用性，并且通過單曲線繪圖對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報(bào)告的模擬結(jié)果圖形。 本文在編寫過程中，受到栗文義老師的大力支持和精心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和 PSCAD/EMTDC 仿真等的相關(guān)知識對我們來講都是平時很少接觸XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 和涉及的，而且，這些學(xué)科中的很多東西都是較為前沿的。由于本人的理論水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所限、編寫時間倉促，書中錯 誤疏漏之處難免，敬請老師不咎指正。 田 敏 2020 年 6月 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 第一章 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(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 ， 拖動發(fā)電機(jī)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(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?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上 ， 將動能轉(zhuǎn)換成機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(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 個十兆 瓦級的風(fēng)電場建設(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(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)電場看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時電價(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)的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 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(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的結(jié)果。風(fēng)就是水平運(yùn)動的空氣 ， 空氣運(yùn)動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(diǎn)太陽照射角度是不同的 ，而且對 同一地點(diǎn)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(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(diǎn)一段時間內(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) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 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(jī)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(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)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 [5] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，主要優(yōu)點(diǎn)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(jī)械部件都在機(jī)艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、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(jī)的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 大中型風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙機(jī)座回轉(zhuǎn)體制動器等）組成的。 (1)機(jī)艙 機(jī)艙包 含 著風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機(jī) 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(jī)接受風(fēng)能的部件。 葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵的部件， 現(xiàn)代風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)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(qiáng)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(dá) 到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)。 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(qiáng)度合金鋼制成。 圖 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 （ 3）增速器 增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一。由于風(fēng)輪機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為實(shí)現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。 使用齒 輪箱可以將風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)在一起。 （ 5）制動器 制動器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。 （ 6）發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。 大型風(fēng)電機(jī)（ 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(jī)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(biāo)準(zhǔn)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有以下幾種： ① 直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。 ② 永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上?，F(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(jī)，可以做成多 對 極低轉(zhuǎn)速 的 ，特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 ③ 同步或異步交流發(fā)電機(jī)，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(jī)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(jī)塔載有機(jī)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(yùn)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： ○ 1 可變漿距 的 調(diào)速裝置； ○ 2 定漿距葉尖失速控制 的 調(diào)速裝置； ○ 3 離心飛球調(diào)速裝置； ○ 4 空氣動力調(diào)速裝置； ○ 5 扭頭、仰頭調(diào)速裝置。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 （ 9）調(diào)向（ 偏航） 裝置 調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時一直使風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向的裝 置。 借助電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)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(biāo)來感覺風(fēng)向。通常在風(fēng)改變其方向時 ， 風(fēng)電機(jī)一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。 （ 10）風(fēng)力發(fā)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng) [11] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的微機(jī)控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、發(fā)電機(jī)溫升、增速器溫升、機(jī)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(jī)再按設(shè)計(jì)程序給出各種指令實(shí)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(yùn)行中機(jī)組故障的自動停機(jī)、自動 電纜解繞、過振動停機(jī)、過大風(fēng)停機(jī)等的自動控制。自我故障診斷及微機(jī)終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機(jī)以指令，微機(jī)再執(zhí)行自動控制程序。風(fēng)電場的機(jī)組群可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機(jī)會在微機(jī)總站的微機(jī)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(jī)真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。 （ 11）電纜扭纜計(jì)數(shù)器 電纜 是 用來