【正文】 節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加 的。 （ 4） 速度控制器 A 轉(zhuǎn)速控制器 A 在風(fēng)力 發(fā)電機組進(jìn)入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，如圖 210 所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升。 （ 2）變距控制 變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖 29 所示。 變槳距控制系統(tǒng) （ 1）變槳距控制系統(tǒng) [10] 在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器 A 根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制 B 與功率控制器起作用。功率反饋信號與額定功率進(jìn)行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。 （ 2） 欠功率狀態(tài) 欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動風(fēng)速時，槳葉向 0176。也就是說 ， 可以向 電網(wǎng)提供無功 ， 同時 ， 調(diào)速系統(tǒng)調(diào) 節(jié)更靈敏 ， 風(fēng)機運行的柔性更好 ， 有利于風(fēng)機輸出功率更平穩(wěn)和減小傳動機械的沖擊應(yīng)力。這一點與鼠籠式轉(zhuǎn) 子電流頻率REf sf? 的結(jié)論是一致的 (s 為電機轉(zhuǎn)差 )。交流發(fā)電機采用高滑差繞線式轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機。從圖 26 可以 看出 ， 風(fēng)機轉(zhuǎn)速對于功率系數(shù) PC 影響很大。風(fēng)機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)對風(fēng)速的反應(yīng)有一定的時延 ， 在陣風(fēng) 出現(xiàn)時槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作而造成風(fēng)機的瞬時過載 ， 不利于風(fēng)機的運行。 風(fēng)機正 常工作時 ， 主要采用功率控制。在額 定風(fēng)速以上時 ，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用 ， 調(diào)整葉片攻角 ， 保證發(fā)電機的輸出功率在允許范圍內(nèi)。 變 槳距風(fēng)力發(fā)電機的控制策略 為了盡可能提高 風(fēng)輪機 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證 風(fēng)輪機 輸出功率平穩(wěn) ，風(fēng)輪機 將進(jìn)行槳距 調(diào)整。 ， 在不同風(fēng)頻密度的地區(qū)可根據(jù)具體 情況在安裝時予以調(diào)整，但 必 須充分考慮到對于風(fēng)機失速 點的影響。 從? ?,PCf??? 的函數(shù)關(guān)系來看 ， 難以保 證在額定風(fēng)速之前 使 PC 值達(dá)到 最大 ， 特別 是 在低風(fēng)速段。風(fēng)輪機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特 性的風(fēng)力發(fā)電機組 稱為定槳距風(fēng)力發(fā)電機組。 從理論上講 風(fēng)輪機組的輸出功率是無限 大 的 ， 它是 風(fēng)速立方的函數(shù)。 在恒頻應(yīng)用中， 發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高 百分之幾， 但風(fēng)速的變化范圍可以很寬。尖速比可 表示為 mRv??? （ 21） 式 中 m? 為風(fēng)輪機的機械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風(fēng)速 (m/s)。 必須 分 清 異步 發(fā)電機和功率變換器的絕對極限和常用上限的差別 ，盡量減小對電網(wǎng)的污染。 （ 2）變距控制 [7] 變槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，變距控制器是一個非線性比例控制器，它可 以補償比例閥的死帶和極限。 當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后電機并入電網(wǎng)。這 時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在 至 之間。所有這些完成后，風(fēng)力發(fā)電機組開始自動運行 于風(fēng)輪的葉尖本來是 90176。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (33) 式中 p—— 發(fā)電機的極對數(shù)； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。 ○ 4 發(fā)電機額定電壓 發(fā)電機額定運行時電壓為定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓，單位為 V。 ○ 3 發(fā)電機是交流還是直流 微小型風(fēng)力發(fā)電機常用直流發(fā)電機中、大型風(fēng)力發(fā)電機常用交流發(fā)電機。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。 若電機用原動機驅(qū)動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（ snn）則轉(zhuǎn)差率 S0 ，此時電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。異步機的定子與同步機基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。 異步電機一般稱感應(yīng)電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。 使用異步機作為風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單成本低并網(wǎng)控制容易 ， 缺點是要從電網(wǎng)吸收無功功率以提供自身的勵磁。 ○10 風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)具有手動控制功能（包括遠(yuǎn)程遙控手操）手動控制時“自動”功能應(yīng)該解除相反的投入自動控制時有些“手動”功能自動屏蔽。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。 ○ 7 在大風(fēng)停機和超速停機的情況下風(fēng)力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風(fēng)力發(fā)電機組的機艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉(zhuǎn)約 90176。 15176。同樣在小風(fēng)自動脫網(wǎng)停機后 5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機組（小于 300kW）并網(wǎng)運行當(dāng)風(fēng)速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機組（大于 500kW）并網(wǎng)運行。風(fēng)輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機組控制目標(biāo)時應(yīng)結(jié)合它們的運行方式，重點實現(xiàn)以下目標(biāo)： （ 1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質(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)。 ○ 3 防雷設(shè)施及熔絲：控制 系統(tǒng)有專門設(shè)計的防雷保護裝置。 ○ 9 功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運行時→失速型機組→發(fā)電機的功率不會超過額定功 率的 15%→過載→脫網(wǎng)停機。 ○ 6 大風(fēng)脫網(wǎng)控制： 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機 械閘→安全停機→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動對風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運動。 ○ 2 小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng) :機組在待風(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)機旋 轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。 ○ 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、起動和停機過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時的停機、扭纜的限制、機艙對風(fēng)、運行時電量和溫度的限制。因此對于一個 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說 ,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 風(fēng)力發(fā)電 電氣 控制系統(tǒng) 的設(shè)計 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(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)電場長期安全可靠運行的重大問題。 （ 11）電纜扭纜計數(shù)器 電纜 是 用來將電流從風(fēng)電機運載到塔下 的重要裝置 。通常在 風(fēng)改變其方向時 ， 風(fēng)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。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。 （ 7）塔架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機的支架。 風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機上。 （ 6）發(fā)電機 發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件， 是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。由于風(fēng)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。 輪轂是連接葉片和主軸的零部 件。 (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。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機效率低，需啟動設(shè)備，同時還有些技術(shù)問題尚待解決。 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成 風(fēng)力發(fā)電機的分類 [5] 風(fēng)力發(fā)電機組是將風(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)電機組。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。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。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。 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。 風(fēng)資源及風(fēng)輪機 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。 （ 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。 （ 4）可靠性高 把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)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(dá) 20 年?？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。 2 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)輪機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機組的聲譽。按照這個增長速度，中國在 2020 年末風(fēng)電并網(wǎng)裝機達(dá)到 1 億千瓦的目標(biāo)將提前一年實現(xiàn)。此外，中國華銳、金風(fēng)、東汽、海裝、湘電等企業(yè)已開始研制單機容量為 5MW 的風(fēng)電機組。 受國際風(fēng)電發(fā)展大型化趨勢的驅(qū)使，國內(nèi)風(fēng)電機組技術(shù)取得了不俗的成果。這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源并且在時間上冬春季風(fēng)大、降雨量少，夏季風(fēng)小、降雨量大，而風(fēng)電正好能夠彌補火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補性。歐洲風(fēng)能委員會 CEWER)對 I99I 年歐洲風(fēng)能發(fā)展目標(biāo)作了修改，新的 EWEA 目標(biāo)是 :歐洲風(fēng)力發(fā)電機裝機容量到 2020 年約為 8000MW,2020 年為 100000MW。國外風(fēng)電 的發(fā)展趨勢，一是發(fā)展速度加快，二是風(fēng)機 機組從小型化向大型化發(fā)展 ,海上風(fēng)電廠是下一步發(fā)展的主流。 世界上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 近年來，世界風(fēng)電發(fā)展持續(xù)升溫，速度加快。有人把風(fēng)電的 發(fā)展規(guī)劃為 3 步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當(dāng)前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng)電技術(shù)（未來發(fā)展方向）。近年來，在歐洲大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國家還有法國、英國、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。從 20 世紀(jì) 80 年代問世的現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組，只經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，世界上 已 有近 50 個國家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場 (是前期總數(shù)的 3 倍 )， 2020 年底，風(fēng)電場總裝機容量約 31128 兆瓦 (是前期總數(shù)的 300 倍 )。 1 緒論 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 風(fēng)能屬于可再生能源，具有取之不盡、用 之不竭、無污染的特點。有的風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強 ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對一般用戶來說維修又十分困難，于是這樣一套控制系統(tǒng)可能發(fā)揮不了它應(yīng)有 的作用。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計 摘要 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 電氣 控制 技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風(fēng)力發(fā)電機組的聲譽。 關(guān)鍵詞 ： 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 ； 風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)理論 ； 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng) ； 風(fēng)輪機的氣動特性 ； 變槳距控制系統(tǒng) 。而其中風(fēng)電是可再生能源中最具發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)開發(fā)價值的能源方式。 目前，德國、西班牙和意大利三國的風(fēng)電機組的裝機容量約占到歐洲總量的 65%。 海上風(fēng)力資源條件優(yōu)于陸地，將風(fēng)電場從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢。美國 7MW 風(fēng)電機組已經(jīng)研制成功，正在研制 10MW 機組；英國 10MW 機組也正在進(jìn)行設(shè)計，挪威正在研制 14MW 的機組，歐盟正在考慮研制 20MW 的風(fēng)電機組，全球各主要風(fēng) 電機組制造廠家都在為未來更大規(guī)模的海上風(fēng)電場建設(shè)做前期開發(fā)。 2020 年底，全世界風(fēng)電是 3800 萬千瓦左右，而 2020 年一年就增加了 400 多萬千瓦，僅德國到 2020年底的裝機容量就有 1600 萬千瓦，其次是西班牙、美國、丹麥等國。國際上許多國 家都制定了新世紀(jì)的風(fēng)力發(fā)電計劃，歐洲風(fēng)能協(xié)會己制定出 2020年歐洲風(fēng)能裝機容量 lOSMW 的目標(biāo)，并寫入了歐共體關(guān)于可再生能源的白皮書 。據(jù)考察中國的風(fēng)能資源主要集中在兩個帶狀地區(qū)，一條是“三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶”即西北、華北和東北的草原和戈壁地帶；另一條是“沿海及其島嶼地豐富帶”，即東部和東南沿海及島嶼地帶。按照國家電網(wǎng)此前出具的研究報告，到 2020 年，電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風(fēng)電上網(wǎng)的規(guī)模達(dá) 1 億千瓦，到 2020 年可達(dá) 億千瓦。 2020 年中國在多 MW 級（≥2MW）風(fēng)電機組研制方面取得新的成果，如金風(fēng)科技股份有限公司研制的 和3MW 的風(fēng)電機組已在風(fēng)電場投入試運行；華銳風(fēng)電科技股份有限公司研制的 3MW 海上風(fēng)電機組已在東海大橋海上風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)電；由沈陽 工業(yè) 大學(xué)研制的 3MW 風(fēng)電機組也已經(jīng)成功下線。 報告預(yù)測， 2020 年，中國風(fēng)電裝機量很可能達(dá)到 千