【正文】 第一章 緒論 風(fēng)力發(fā)電概況 能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。因此，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用，特別是對(duì)風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。據(jù)專家們估計(jì)，地球上所接受的太陽輻射大約 2%轉(zhuǎn)換成了風(fēng)能，裝機(jī)容量可達(dá)10TW，每年發(fā)出電力 13PW h。 近 20年來，發(fā)達(dá)國家在風(fēng)能的開發(fā)利用方面已取得了驚人的成就， 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)過幾年的發(fā)展便迅速實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，到 90 年代 中期已形成了一個(gè)規(guī)模巨大的風(fēng)力機(jī)工業(yè)。 2021 年 10月，全世界發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量突破了 20210MW，其中當(dāng)年新增容量達(dá)到 500MW，此后，世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量每年以高于 25%的速度遞增，直至今年，全世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量已突破 100GW。 我國是世界上風(fēng)力資源較為豐富的國家之一，全國可開發(fā)利用的風(fēng)能越 億 kW。有沿海（山東、浙江、福建、廣東）和東北至西北包括內(nèi)蒙古、新疆、甘肅兩大風(fēng)帶，風(fēng)的質(zhì)量很好，為開發(fā)風(fēng)力發(fā)電提供了基礎(chǔ)環(huán)境和條件。近 10年來，國內(nèi)在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等地利用外國機(jī)組建立 了 26 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量約 400MW，與此同時(shí)國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開發(fā)也取得了一定的成果，其中包括“八五”期間開發(fā)成功的 200kW/250kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和在“九五”期間開發(fā)的 600kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并成功開發(fā)了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的當(dāng)?shù)乜刂坪瓦h(yuǎn)程控制系統(tǒng)，使大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得到了解決。國內(nèi)可以制造的其他主要部件包括漿葉、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、機(jī)艙、主軸、塔架、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，為我國大型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。 風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益 如果以我國目前使用最普遍的 30kW 級(jí)活力發(fā)電 機(jī)組為例測(cè)算其發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)，結(jié)果如表 11 所示。 表 11 燃燒電廠的平均上網(wǎng)電價(jià)（含稅） 機(jī)組類型 電價(jià) 2 30萬 kW機(jī)組 2 35萬 kW機(jī)組 無脫硫 有脫硫 無脫硫 有脫硫 上網(wǎng)電價(jià)、（元、 kW h） 由于火力發(fā)電廠每年向大氣排放數(shù)百億噸的有害氣體，給全球環(huán)境造成了極大的污染，目前發(fā)達(dá)國家已經(jīng)采用煤的潔凈燃燒技術(shù)。國內(nèi)如果采用該項(xiàng)技術(shù)，需對(duì)現(xiàn)有的火力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行一次徹底的改造，則火力發(fā)電的建設(shè)成本將增加30%，上網(wǎng)電價(jià)可能達(dá)到 元 /kW h。而我國目前的風(fēng)電成本不高于 元/kW h，如果國家能在政策上給予強(qiáng)有力的支持，風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電相比在上網(wǎng)電價(jià)上有一定的競(jìng)爭(zhēng)能力。 能源生產(chǎn)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的損害，是中國環(huán)境問題的核心。大量直接燃燒煤造成的城市大氣污染，過度消耗生物質(zhì)能引起的農(nóng)村生態(tài)環(huán)境破壞，以及2CO 溫室氣體排放是其主要問題。 我國燃燒煤釋放的 2SO 占全國總排放量的 85%， 2CO 占 85%， xNO 占 60%，煙塵占 70%。 1997 年我國 2SO 排放總量為 2346 萬噸。我國酸雨區(qū)域在迅速的擴(kuò)大，已超過國土面積的 40%。 1995 年酸雨沉降造成的經(jīng)濟(jì)損失為 1165 億元，占GNP 的 %。 風(fēng)能在轉(zhuǎn)化成電能的過程中，只降低了氣流的速度，沒有給大氣造成任何污染。用風(fēng)力發(fā)電，可減少常規(guī)能源的消耗，從而減少 2CO 、 2SO 的排放 ，對(duì)保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。在我國的能源結(jié)構(gòu)中，雖然煤的比例最大，但可開采量有限，并帶來環(huán)境、交通等諸多問題。因此，開發(fā)可再生能源，尤其是風(fēng)能，將顯得更為重要。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是涉及控制、機(jī)電、材料、鋼結(jié)構(gòu)等多學(xué)科多專業(yè)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的產(chǎn)業(yè)化，可帶動(dòng)一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有利于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 根據(jù)在本世紀(jì)中葉我國國民經(jīng)濟(jì)達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平的目標(biāo)，我國的發(fā)電能力應(yīng)達(dá)到人均 1kW，即 15億 kW。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，專家們認(rèn)為我國風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量至少應(yīng)達(dá)到一億 kW。如果按這一發(fā)展目 標(biāo)估算，在今后 50 年中，我國的風(fēng)力機(jī)工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)將有 7000 億產(chǎn)值的市場(chǎng)潛力，平均每年 140 億，可望成為我國 21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益十分顯著的新興產(chǎn)業(yè)。 本設(shè)計(jì)的目的與意義 由前兩節(jié)所述可知，風(fēng)能的開發(fā)利用不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還能帶來 巨大的社會(huì)效益，我國現(xiàn)在的風(fēng)能發(fā)展還處于一個(gè)剛起步的階段，雖取得一定成績，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在未來幾十年里，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)還會(huì)繼續(xù)保持高速發(fā)展的勢(shì)頭，本人未來工作所屬風(fēng)力發(fā)電，由于在校期間涉及風(fēng)力發(fā)電知識(shí)不多，所以作此設(shè)計(jì)，從最簡(jiǎn)單的定漿矩風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)入手來熟悉風(fēng) 力發(fā)電的基本原理概念、風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本知識(shí)等，以便為未來工作以及做更深的研究打下基礎(chǔ)。 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是介紹風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的基本類型和控制要求，定漿矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)和并網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)也對(duì)風(fēng)電對(duì)環(huán)境的影響作了一下簡(jiǎn)要分析， 由于本人的理論水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所限、編寫時(shí)間倉促，書中錯(cuò)誤疏漏之處難免，敬請(qǐng)老師不咎指正。 第二章 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(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(jiǎn)單，最簡(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)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(jiǎn)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 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)組總體結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 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(duì)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(dòng)對(duì)風(fēng)輪動(dòng)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(dòng)設(shè)備，同時(shí)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(shí)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。 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(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)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(shí)，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(huì)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。 （ 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(dòng)器設(shè)計(jì)在一起。 （ 5）制動(dòng)器 制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)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)明了交流電壓圖 440/240V 的高效永磁交流發(fā)電機(jī)，可以做成多對(duì)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(chǎng)與主磁場(chǎng)不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)