【正文】 XX 本科畢業(yè)設計說明書 1 引 言 隨著 世界工業(yè)化進程的不斷加快，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、災害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。 可以說，對風力發(fā)電的研究和進行這方面的畢業(yè)設計對我們從事風力發(fā)電事業(yè)的同學是有著十分重大的理論和現(xiàn)實意義的，也是十分有必要的。 風力發(fā)電起源于 20世紀 70 年代，技術(shù)成熟于 80年代，自 90 年代以來風力發(fā)電進入了大發(fā)展階段。隨著風力發(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。前人在風輪機的空氣動力學原理和能量轉(zhuǎn)換原理的基礎上 ,系統(tǒng)分析了定槳距風力發(fā)電機組、變槳距風力發(fā)電機組、變速風力發(fā)電機組的基本控制要求和控制策略，并對并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的變槳距控制技術(shù)進行了一定的研究。變槳距風力發(fā)電機組的主要控制是在起動時對風輪轉(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)風速來調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機起動與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。但由于對運行工況的認識不足，對變 槳距控制系統(tǒng)的設計不能滿足風力發(fā)電機組正常運行的要求，更達不到優(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力發(fā)電機組的基本控制要求和控制策略 ,在變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)仿真方面作了初步的探究和 研究 。 通過 控制系統(tǒng)保持了風力發(fā)電機組的安全可靠運行， 并 實現(xiàn)了穩(wěn)定機組輸出功率和優(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系統(tǒng)使之恢復正常工作。 本篇論文主要是通過 PSCAD/EMTDC 仿真軟件，建立風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風 力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對自建的風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型進行仿真分析，利用運行模塊進行 EMTDC 模擬計算，驗證風力發(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)果進行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報告的模擬結(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，在此表示衷心的感謝。 風力發(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)設計說明書 2 和涉及的，而且，這些學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踐經(jīng)驗所限、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)設計說明書 3 第一章 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 風力發(fā)電的基本原理 風力發(fā)電的基本原理 風能具有一定的動能，通過風輪機將風能轉(zhuǎn)化為機械能 ， 拖動發(fā)電機發(fā)電。 風力發(fā)電 的原理是利用風帶動風車葉片旋轉(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)目前的風車技術(shù) ， 大約 3m/s 的 微風速度便可以開始發(fā)電。 風力發(fā)電的原理說起來非常簡單 ， 最簡單的風力發(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。 風力發(fā)電的特點 （ 1）可再生的潔凈能源 風力發(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）建設周期 短 一 個十兆 瓦級的風電場建設期不到一年。 （ 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)代高科技應用于風力發(fā)電機組使 其 發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風力發(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XX 本科畢業(yè)設計說明書 4 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 由于風能 密度低決定了單臺風力發(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。另外風況是不穩(wěn)定的，有時無風有時又有破壞性的大風，這都是風力發(fā)電必須解決的實際問題。 風資源及風輪機 概述 風資源概述 （ 1）風的起源 風的形成乃是空氣流動的結(jié)果。風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）風的參數(shù) 風向和風速是兩個描述風的重要參數(shù)。風向是指風吹來的方向 ， 如果風是從 東 方吹來就稱為 東 風。風速是表示風移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。 風速是指某一高度連續(xù) 10min 所測得各瞬時風速的平均值。一般以草地上空 10m高 處 的 10min 內(nèi)風速的平均值為參考。 風玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風向分布圖。通過它可以得知當?shù)氐闹鲗эL向。 （ 3）風能的基本情況 [1] ○ 1 風能的特點 XX 本科畢業(yè)設計說明書 5 風能的特點主要有：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 風能資源的估算 風能的大小實際就是氣流流過的動能 ， 因此可以推導出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風能 ， 即風功率為 V??? (11) 式中 ? 為風能 (w)； ? 為空氣密度 (kg/m )； v 為風速 (m/s)。 由于風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 ， 一個地方風能潛力的多少要視該地常年平均風能密度的大小。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風能密度 ， 這個值可以將風能密度公式對時間積分后平均來求得。在風速 V 的概率分布 p(V)知道后 ， 平均風能密度還可根據(jù)下式求得 30. 5 ( )V P V dV??? （ 12） 風輪機 的 理論 [4] 風輪機又稱 為 風車 ， 是一種將風能轉(zhuǎn)換成機械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風輪機的類型很多通常將其分為水平軸風輪機垂直軸風輪機和特殊風輪機三大類。但應用最廣的還是前兩種類型的風輪機。 風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成 風力發(fā)電機的分類 [5] 風力發(fā)電機組是將風能轉(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）風力發(fā)電機組。按主軸與地面相 對位置又可分為：水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組。 水平軸風力發(fā)電機是目前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風輪可以架設到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風輪動態(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)垂直軸風力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風力發(fā)電機效率低，需啟動設備，同時還有些技術(shù)問題尚待解決。 在本文中以后不做 特殊 說明時所指的風力發(fā)電機組即為大中型的水平軸風力發(fā)電機組。 XX 本科畢業(yè)設計說明書 6 水平軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 大中型風力 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 力發(fā) 電機的關(guān)鍵設備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機 等 。 (2)風輪 葉片安裝在輪轂上稱作風輪 ， 它包括葉片、輪轂、主軸等。風輪是風力發(fā)電機接受風能的部件。 葉片是風力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件， 現(xiàn)代風 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，當風力達 到風力發(fā)電機組設計的額定風速時，在風輪上就要采取措施，以保證風力發(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。 圖 XX 本科畢業(yè)設計說明書 7 （ 3）增速器 增速器就是齒輪箱，是風力發(fā)電機組關(guān)鍵部件之一。由于風輪機工作在低轉(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)軸器與制動器設計在一起。 （ 5）制動器 制動器是使風力發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。 （ 6）發(fā)電機 發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件， 是將風能最終轉(zhuǎn)變成電能的設備。 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?shù)仉娋W(wǎng)的 標準。 風力發(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、小型風力發(fā)電機上。 ② 永磁發(fā)電機，常用在小型風力發(fā)電機上?，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，可以做成多 對 極低轉(zhuǎn)速 的 ，特別適合風力發(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，當并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速應提高。 （ 7）塔架 塔架是支撐風力發(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， 風電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。 （ 8）調(diào)速裝置 風速是變化的， 風輪的轉(zhuǎn)速也會隨風速的變化而變化。為了使風輪運轉(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)設計說明書 8 （ 9）調(diào)向（ 偏航） 裝置 調(diào)向裝置就是使風輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風輪對準風向的裝 置。 借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作 ， 電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常在風改變其方向時 ， 風電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。 （ 10）風力發(fā)電機微機控制系統(tǒng) [11] 風力發(fā)電機的微機控制屬于離散型控制，是將風向標、風速計、風輪轉(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