【正文】 (114) 3131m a x 271621278 svsvP ?? ??? (115) 16/27=0． 593， PC 稱(chēng)作貝茨功率系數(shù) PCsvP 31m a x 21 ?? (116) 而 3121 sv?正是風(fēng)速為 1V 的風(fēng)能 T ，故 pTCP ?max (117) PC =0． 593，說(shuō)明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 maxP 為風(fēng)吹過(guò)葉片掃掠面積 S 的風(fēng)能的 59． 3％。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則有 21VV ， 21SS 。貝茨 (Betz)建立的。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長(zhǎng)時(shí)間時(shí) ， 電纜將越來(lái)越扭曲 ，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障 。 （ 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(dòng)、塔架振動(dòng)、電纜過(guò)纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號(hào)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(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、運(yùn)行中機(jī)組故障的自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng) 電纜解繞、過(guò)振動(dòng)停機(jī)、過(guò)大風(fēng)停機(jī)等的自動(dòng)控制。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝 置。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。 ② 永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。 發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。 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。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(lái)設(shè)計(jì)。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。 在本文中以后不做 特殊 說(shuō)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。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。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(chēng) 為 風(fēng)車(chē) ， 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。 （ 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(shuō)明書(shū) 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(wú)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。 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。地球上某處所接受的太陽(yáng)輻射能 與該地點(diǎn)太陽(yáng)照射角的正弦成正比。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(yáng)輻射強(qiáng)度不同而形成的。 （ 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(yáng)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(wèn)題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。 （ 5）造價(jià)低 從國(guó)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。 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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 風(fēng)力發(fā)電 的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn) ， 再 通 過(guò)增速 器 將旋轉(zhuǎn)的速度提 高 來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電 的 。 本文在編寫(xiě)過(guò)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。 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 。前人在風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)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(duì)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。由能源問(wèn)題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問(wèn)題，使人們認(rèn)識(shí)到開(kāi)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(shuō)，對(duì)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(duì)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。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要控制是在起動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制和并網(wǎng)后對(duì)輸入功率的控制。 通過(guò) 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 。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和 PSCAD/EMTDC 仿真等的相關(guān)知識(shí)對(duì)我們來(lái)講都是平時(shí)很少接觸XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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。依據(jù)目前的風(fēng)車(chē)技術(shù) ， 大約 3m/s 的 微風(fēng)速度便可以開(kāi)始發(fā)電。 （ 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。我國(guó)由于中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部從國(guó)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(guó)產(chǎn)化 、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來(lái)風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)和電價(jià)都將低于火力發(fā)電。 （ 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(wú)法相比。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(yáng)能正是形成大氣壓差的原因。 （ 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)。一般以草地上空 10m高 處 的 10min 內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。 ○ 2 風(fēng)能資源的估算 風(fēng)能的大小實(shí)際就是氣流流過(guò)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(guò)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)。風(fēng)輪機(jī)的類(lèi)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(lèi)。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國(guó)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。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(dòng)器等）組成的。 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(zhǎng)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。 主軸也稱(chēng)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。 （ 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。 大型風(fēng)電機(jī)（ 100150 千瓦）通常產(chǎn)生 690伏特的三相交流電。現(xiàn)在我國(guó)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(duì) 極低轉(zhuǎn)速 的 ，特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 （ 8）調(diào)速裝置 風(fēng)速是變化的， 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。 借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。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(dòng)控制程序。因此風(fēng) 力發(fā)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器 ， 用于提 醒操作員應(yīng)該將電纜解開(kāi)了。貝茨理論的建立依據(jù)的假設(shè)條件是假定風(fēng)輪是理想的，能全部接受風(fēng)能并且沒(méi)有輪轂，葉片是無(wú)限多 ， 對(duì) 氣流沒(méi)有任何阻力。 如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (13) 由流體力學(xué)可知?dú)饬鞯膭?dòng)能為 mvT? (14) 設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流流過(guò)載面積為 s 的氣體的體積為 V，則 svV? 。貝茨理論說(shuō)明理想的風(fēng)能對(duì)風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 ％。 （ 3）轉(zhuǎn)矩系數(shù) TC 和推力系數(shù) FC 為了便于把氣流作用下的風(fēng)輪機(jī) 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進(jìn)行比較常以 ? 為變量作成轉(zhuǎn)矩和推力的變化曲線 ， 因此轉(zhuǎn)矩和推力也要無(wú)因次化。這一缺點(diǎn)可以通過(guò)在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來(lái)改善。異步機(jī)作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛異步機(jī)作 為發(fā)電機(jī)的情況則比較少。 異步機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理通過(guò)定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。此時(shí)轉(zhuǎn)子從原動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械功率通過(guò)電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 ○ 2 發(fā)電機(jī)額定功率 發(fā)電機(jī)的額定功率是發(fā)電機(jī)在額定功率因數(shù)下連續(xù)運(yùn)行而輸出的功率它是由用戶提出或由不同的使用目的而確定的。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其有功功率與視在功率的比值用以下公式來(lái)表示 SP/cos ?? (123) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。國(guó)外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○11 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率 1? 、增速器的效率 2? 、發(fā)電機(jī)的效率 3? 、傳動(dòng)系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 第二章 風(fēng)力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立 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(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問(wèn)題。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(lái)說(shuō) ,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。 ○ 3 控制功能和控制參數(shù) 節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪 轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)荷的連接、起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時(shí)的停機(jī)、扭 纜 的 限制、機(jī)艙對(duì)風(fēng)、運(yùn)行時(shí)電量和溫度的限制。 ○ 2 小 風(fēng) 和逆功率脫網(wǎng) :機(jī)組在待風(fēng)狀態(tài)→ 10 分平均風(fēng)速小于脫網(wǎng)風(fēng)速→脫網(wǎng)→風(fēng)速再次上升→風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。 ○ 6 大風(fēng)脫網(wǎng)控制： 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時(shí)→超速、過(guò)載→脫網(wǎng)停機(jī)→氣動(dòng)剎車(chē)→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→安全停機(jī)→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動(dòng)對(duì)風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)動(dòng)。 ○ 9 功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機(jī)組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)→失速型機(jī)組→發(fā)電機(jī)的功率不會(huì)超過(guò)額定功率的 15%→過(guò)載→脫網(wǎng)停機(jī)。 ○ 3 防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)裝置。風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時(shí)應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)： （ 1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行同時(shí)高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機(jī)組（小于300kW）并網(wǎng)運(yùn)行當(dāng)風(fēng)速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機(jī)組（大于 500kW）并網(wǎng)運(yùn)行。同樣在小風(fēng)自動(dòng)脫網(wǎng)停機(jī)后 5 分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。 15176。 ○ 7 在大風(fēng)停機(jī)和超速停機(jī)的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 閘停機(jī)外還應(yīng)該自動(dòng)投入偏航控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)的安全度待機(jī)艙轉(zhuǎn)約 90176。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過(guò)電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)停止運(yùn)行此時(shí)控制系統(tǒng)不能供電。 ○10 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有手動(dòng)控制功 能（包括遠(yuǎn)程遙控手操）手動(dòng)控制時(shí)“自動(dòng)”功能應(yīng)該解除相反的投入自動(dòng)控制時(shí)有些“手動(dòng)”功能自動(dòng)屏蔽。起動(dòng)的第一秒內(nèi)先檢查電網(wǎng)、設(shè)置各個(gè)計(jì)算器、輸出機(jī)構(gòu)初始工作狀態(tài)及晶閘管的開(kāi)通角。計(jì)算機(jī)開(kāi)始時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)參數(shù)、輸入，判斷是否可以并網(wǎng)，判斷參數(shù)有否超過(guò)極限、執(zhí)行偏航、相位補(bǔ)償、機(jī)械制動(dòng)或空氣制動(dòng) 。 變槳距風(fēng)輪的葉片在靜止時(shí)節(jié)距角為 90176。根據(jù)給定的速度參考值調(diào)整節(jié)距角，進(jìn)行所謂的XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 速度控制。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)差調(diào)到很小 (1%)，轉(zhuǎn)速在同步速附近；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)差 要 調(diào)整到很大（ 10%），使葉尖速比得到優(yōu)化，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略 在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中， 風(fēng)輪機(jī)應(yīng) 在轉(zhuǎn)速極限和功率極限內(nèi) 追求在最佳 Cp 目標(biāo)曲線 附近運(yùn)行 ， 應(yīng)當(dāng)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換作為設(shè)計(jì)策略 的重點(diǎn)加以規(guī)劃 ；當(dāng) 達(dá)到轉(zhuǎn)速限值和功率標(biāo)稱(chēng)值時(shí) ， 要及時(shí)準(zhǔn)確的 進(jìn) 行 調(diào)節(jié) ，以使輸出功率平穩(wěn)。風(fēng)輪機(jī)的特性通常用 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 Cp尖速比 λ 曲XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20 線來(lái)表示 ， 圖 22 是一條典型的 Cp? 曲線。由圖中可見(jiàn) ， 對(duì)于同 一個(gè) PC值風(fēng)輪機(jī) 可能運(yùn)行在 A和 B兩個(gè)點(diǎn)， 它們分別對(duì)應(yīng)于風(fēng)輪機(jī)的高風(fēng)速運(yùn)行區(qū)和低風(fēng)速 運(yùn)行區(qū) ， 當(dāng)