【正文】 體和廢氣物。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電的成本效益也逐漸改善。發(fā)展的實(shí)踐證明，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還面臨一系列障礙和問題，其中既有政策問題，也有技術(shù)問題 。19971998 年，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn) 209 臺(tái)機(jī)組，合計(jì)容量 114200kW 全部為進(jìn)口，設(shè)備價(jià)格高，風(fēng)電場(chǎng)單位 kW 造價(jià)約 80009000 元，其中機(jī)組占投資的 7580%，只有逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，才能把風(fēng)電場(chǎng)造價(jià)和運(yùn)行成本降下來。我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)年利用小時(shí)數(shù)一般為 2700 小時(shí) 。對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本要求是在當(dāng)?shù)仫L(fēng)況、氣候、和電網(wǎng)條件下能夠長(zhǎng)期安全 運(yùn)行，取得最大的年發(fā)電量和最低的成本。毋庸置疑，用風(fēng)能、太陽能和生物能等形式的可再生清潔能源代替以化石燃料為代表的常規(guī)能源，為子孫后代留下一片碧水藍(lán)天，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和人類的可持續(xù)發(fā)展，已是世界各國(guó)的共識(shí)。本課題以目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較普遍使用的 MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，主要研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)并網(wǎng)方案和風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)方案。垂直軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)向改變時(shí)無需對(duì)風(fēng)，相對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)是一大優(yōu)點(diǎn)，但其尖速比較低，提供的功率輸出較低。 塔架用 來將風(fēng)輪支撐起來，它主要承受兩個(gè)載荷 :一個(gè)是風(fēng)力機(jī)的重力，向下壓在塔架上；另一個(gè)是阻力，使塔架向風(fēng)的下游方向彎曲；大型風(fēng)力機(jī)的塔架基本上是錐形圓柱鋼塔架。 當(dāng)風(fēng)速增加一倍時(shí)，風(fēng)輪從氣流中吸收的能量增加八倍，所以在確定風(fēng)力機(jī)的安裝位置和選擇風(fēng)力機(jī)的型號(hào)時(shí)，都必須考慮這個(gè)因素。由此可知，旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)所需勵(lì)磁電壓較低，勵(lì)磁電流也比較小，因此集電環(huán)和電刷的工作較為可靠且壽命很長(zhǎng)，現(xiàn)在大多數(shù)交流同步發(fā)電機(jī)均采用這種方式。同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，必須對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率及輸出功率進(jìn)行有效控制，否則會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。其中，解纜和紐纜是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的主要功能。終極解纜一旦被觸發(fā)，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)將緊急停機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航裝置一般分為主動(dòng)偏航裝置和被動(dòng)偏航裝置?？刂蒲b置由微機(jī)控制器、顯示運(yùn)行控制器、并網(wǎng)控制器、發(fā)電機(jī)功率控制器、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控器、控制輸出驅(qū)動(dòng)電路模版等器件組成。所以，定漿距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的控制原則是功率控制由葉片的失速特性來完成。 控制和安全保護(hù)裝置的控制要求 控制裝置保持風(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)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于 20%的 額定轉(zhuǎn)速持續(xù) 5min，發(fā)電機(jī)進(jìn)入軟并網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速再次上升達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組又投入運(yùn)行。機(jī)組先起動(dòng)氣動(dòng)剎車，同時(shí)偏航 90176。 （ 7） 軟切入控制 ： 風(fēng)電機(jī)組在進(jìn)行并網(wǎng)和脫網(wǎng)時(shí)，必須進(jìn)行軟切入控制，通過大功率晶閘管和有關(guān)控制電路組成。同樣，在小風(fēng)速自動(dòng)脫網(wǎng)停機(jī)后， 5min 內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。 （ 3） 接地保護(hù)功能 ： 對(duì)由于設(shè)備絕緣破壞或其他原因引起出現(xiàn)危險(xiǎn)電壓的金屬部分實(shí)現(xiàn)保護(hù)。風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率可用輸出功率系數(shù) C 來表示， C 在某一確定的風(fēng)輪周速比 k(槳葉尖速度與風(fēng)速之比 )下達(dá)到最大值。 恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制 風(fēng)電機(jī)組的軟啟動(dòng)并網(wǎng)是在風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速的變化情況進(jìn)行不間斷的檢測(cè)，當(dāng) 10min 平均風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，控制風(fēng)電機(jī)組會(huì)做好切人電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備工作，松開機(jī)械剎車，收回葉尖阻尼板，風(fēng)輪處于迎風(fēng)方向。由于并網(wǎng)過程是在轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行的，這時(shí)轉(zhuǎn)差不大，沖擊電流較小，主要是勵(lì)磁涌流的存在，持續(xù) 3040ms。 30176。 90176。大到 180176。 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制 [5] 在風(fēng)力發(fā)電過程中，讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，再通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法，被稱之為變速恒頻。對(duì)于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速后，變槳距機(jī)構(gòu)為了限制發(fā)電機(jī)輸出功率，將調(diào)節(jié)槳距，以調(diào)節(jié)輸出功率。 RCC 控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風(fēng)速的快速變化。具體控制方法如下 ： （ 1）從小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)切換 在小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統(tǒng)對(duì)其輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，若 1s 內(nèi)瞬時(shí)功率超過小發(fā)電機(jī)額定功率的 20%，或 2min 內(nèi)的平均功率大于某一定值時(shí)，則 進(jìn)行小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換。小發(fā)電機(jī)為 6 極繞組，同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min，大發(fā)電機(jī)為 4 極繞組，同步轉(zhuǎn)速 1500r/min 小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)切換的控制，一般以平均功率或瞬時(shí)功率參數(shù)為預(yù)置切換點(diǎn)。此時(shí)，發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，風(fēng)力將帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，在到達(dá)同步轉(zhuǎn)速 1500r/min 附近時(shí)，再次執(zhí)行大小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)程序。首先斷開大發(fā)電機(jī)接觸器，再斷開旁路接觸器。由于風(fēng)力機(jī)是一個(gè)巨大的慣性體，當(dāng)它轉(zhuǎn)速降低時(shí)要釋放出巨大的能量，這些能量在過渡過程中將全部加在小發(fā)電機(jī)軸上而轉(zhuǎn)換成電能，這就必然使過渡過程延長(zhǎng)。一般分為轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)。 氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對(duì) 電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布和同步電機(jī)的性能有重大影響。在一般同步發(fā)電機(jī)中，旋轉(zhuǎn)的部分是磁極，以恒定不變的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)體交替地為N 極和 S 極磁場(chǎng)所切割，因此每根導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向是交變的。因此，A 相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)便超前 B 相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 120176。交流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由電 動(dòng)勢(shì)的頻率、電動(dòng)勢(shì)的波形和電動(dòng)勢(shì)的大小 3 個(gè)基本要素決定。同步發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式為 (31) 定子繞組的電阻一般較小 ，其銅耗可以忽略不計(jì)，則有 (32) 圖 32 同步發(fā)電機(jī)功率流程圖 （ 2）功角的概念 ? 為內(nèi)功率因數(shù)角， ??? ?? 定義為功角。圖中忽略了定子繞組的漏磁電勢(shì)，認(rèn)為aEEU ??? ?? 0 ， 0E? 對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁勢(shì) fF? ， aE? 對(duì)應(yīng)于電樞磁勢(shì) aF? ，所以可近似認(rèn)為端電壓 U?由合成磁勢(shì) af FFF ??? ?? 所感應(yīng)。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)， fF? 和 F? 之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)， ? 具有固定的值。對(duì)隱極電機(jī)來說NNMM PPK ?sin1m a x ?? （ 35） 圖 34 同步發(fā)電機(jī)的功角特性 （ a）隱極電機(jī) （ b）凸極電機(jī) （ 4）有功功率和無功功率 （ a） 有功功率的調(diào)節(jié) 功角特性 ? ??fPM ? 反映了同步發(fā)電機(jī)的電磁功率隨著功角變化的情況。 當(dāng)功角處于 0 到 m? 范圍內(nèi)時(shí)，隨著 ? 的增大， MP 亦增大，同步發(fā)電機(jī)在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行。因此，保持同步十分重要。無功功率隨著有功功 率的增加而減少，甚至可能導(dǎo)致無功功率改變符號(hào)，這是應(yīng)當(dāng)避免的。 電網(wǎng)所供給的全部無功功率一般由并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)分擔(dān)。 a） 如果在某一勵(lì)磁電流 fI 時(shí)， aI? 正好與 U? 平行，此時(shí)無功功率為零 ,發(fā)電機(jī) 輸出的全部是有功功率，發(fā)電機(jī)正常勵(lì)磁?，F(xiàn)說明如下： （ 1）直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng) 直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或者他勵(lì)接法。副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流開始時(shí)由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(lì) (有時(shí)采用永磁發(fā)電機(jī) )。主勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送 到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。這些缺點(diǎn)可以通過多機(jī)并聯(lián)來改善。 （ b） 提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，在用電高峰期和低谷期，可以靈活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高了發(fā)電效率和供電靈活性。 同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式 同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電上有兩種機(jī)械聯(lián)結(jié)方式，一種是通過變速齒輪箱，做成高速同步發(fā)電機(jī)。 滿足上述理想并網(wǎng)條件的并網(wǎng)方式即為準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式，在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，不會(huì)引起電網(wǎng)電壓的下降，也不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組及其他機(jī)械部件造成損害。由于同步發(fā)電機(jī)在投入電網(wǎng)時(shí)未加勵(lì)磁，因此不存在準(zhǔn)同步并網(wǎng)時(shí)的對(duì)發(fā)電機(jī)電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié) 和校準(zhǔn)的整步過程，并且從根本上排除了發(fā)生非同步合閘的可能性。但是在 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速距同步速較大的情況下應(yīng)避免立即投入勵(lì)磁，否則將導(dǎo)致自同步過程中出現(xiàn)較大的振蕩電流及力矩。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。設(shè) 1t 時(shí)刻以前 1S 、 4S 導(dǎo)通， 0u 和 0i 均為正。 2S 、 3S 斷開， 1S 、 4S 閉合時(shí)的情況類似。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。用三個(gè)單向逆變電路可以組成一個(gè)三相逆變電路。導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 180176。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。 dUN Uu ??。VNu、39。UNu、39。39。39。NNu，則負(fù)載各相的相電壓分別為 (38) 把上面各式相加并整理可求得： ? ? ? ?WNVNUNWNVNUNNN uuuuuuu ?????? 3131 39。 （ 39） 設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有 0??? WNVNUN uuu ， 故可得 ? ?39。 31 WNVNUNNN uuuu ??? (310) 39。39。39。圖 313（ g） 給出的是阻感負(fù)載下 3??? 時(shí) Ui 的波形。 ?NNu時(shí)為橋 臂 1 導(dǎo)電的區(qū)間，其中 0U?i 時(shí)為 1VD 導(dǎo)通， 0U?i 時(shí)為 1V 導(dǎo)通； 039?？梢钥闯觯?di 每隔 60176。 U、 V和 W 三相的 PWM 控制通常公用一個(gè)三角載波 cu ，三相的調(diào)制信號(hào) rUu 、 rVu 和 rWu 依次相差 120176。當(dāng) crU uu ? 時(shí)，給 4V 以導(dǎo)通信號(hào)，給 1V 以關(guān)斷信號(hào)，則 2u39。 V相和 W 相的控制方式都和 U相相同。u UVu NN 39。UNu、39。 uu ?得出。但實(shí)際上為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū) 時(shí)間。uVN39。因此，對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，除了能夠穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運(yùn)行之外，最重要的一點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)最大功率輸出控制。 同步發(fā)電機(jī)交 /直 /交系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)框圖 保 護(hù) 裝 置功 率 變 化檢 測(cè) 器控 制 電 路風(fēng) 力 機(jī)齒 輪 箱同 步 發(fā) 電 機(jī)整 流 器 逆 變 器電網(wǎng)檢 測(cè) 裝 置控 制 系 統(tǒng) 圖 41 具有最大功率跟蹤的 交 — 直 — 交 風(fēng)電系統(tǒng)方框圖 圖 41 示出具有最大功率跟蹤的 交 — 直 — 交 風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方框圖，采用系統(tǒng)輸出功率作為控制信號(hào)，改變晶閘管的觸發(fā)角，以調(diào)整逆變器的工作特性。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 27 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù) 型號(hào)：同步、 4 極、 6 相，帶勵(lì)磁裝置 系統(tǒng)：并網(wǎng)型，帶 IGBT 變頻器 功率： 850kW （ n = 1700 RPM.） 電壓： 690～ 730V 電流： 340A～ 390A 頻率： ～ Hz 轉(zhuǎn)速： 1040～ 2021 RPM. 功率因數(shù)： ?cos =～ 防護(hù)等級(jí)： IP 54 絕緣等級(jí)： F/H 環(huán)境溫度： 40℃ ～ 40℃ 冷卻：水冷 水冷系統(tǒng)：軸承壽命： 130000 小時(shí)； 測(cè)溫： 8PT100（ 6繞組線圈， 2軸承） 同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： （ a） 功率因數(shù)可以很容易地通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置予以調(diào)整，既可以在滯后的功率因數(shù)下運(yùn)行，也可以在超前的功率因數(shù)下運(yùn)行。 （ b） 需要?jiǎng)?lì)磁裝置及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置。 （ e） 除定子外，勵(lì)磁繞組及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置需要維護(hù)。但是晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發(fā)延遲角 ? 。否則，會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)帶來危害。 （ c） 需要同步合閘裝置。 （ c） 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)可以很方便地調(diào)節(jié)電壓。 （ b） 因?yàn)椴捎?交 — 直 — 交 轉(zhuǎn)換方式，同步發(fā)電機(jī)的工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨(dú)立的，風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以變化，不必?fù)?dān)心發(fā)生同步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的失步問題。由于風(fēng)能具有不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能是電壓、頻率隨機(jī)變化的交流電，必須采取有效的電力變換措施后才能夠?qū)L(fēng)電送入電網(wǎng)。uUV000000d2Ud/3d/2Ud/2 Ud/2urUurVurWucωtωtωtωtωtωt 圖 315 三相橋式 PWM 逆變電路波形 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 26 4 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說明 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行。這個(gè)死區(qū)時(shí)間將會(huì)給輸出的 PWM 波形帶來一定影響，使其稍稍偏離正弦波。因此，逆變器的輸出線電壓 PWM 波由 dU? 和 0 三種電平構(gòu)成。WNu的 PWM 波形都只有 2dU?兩種電平。N?? U V W??調(diào) 制電 路rUucu rWrVCC2dU2dU圖 314 三相橋式 PWM 型