【正文】 2312 PC R vPTT??? ? ? （ 1） 式中，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩 T 是由負載決定的， R 為風(fēng)輪半徑， ? 為空氣密度。液壓執(zhí)行機構(gòu)以其響應(yīng)頻率快、轉(zhuǎn)矩大、便于集中布置等優(yōu)點占有主要的地位，總的來說其技術(shù)已較成熟，但由于其液壓驅(qū)動本身存在油泄露問題，且受溫度變化影響大，所以精度受到限制。 小結(jié) 風(fēng)電機組的設(shè)計在不同條件下對它的設(shè)計要求是不同的，本章詳細的介紹 了在設(shè)計風(fēng)電機組時可能遇到的情況以及如何設(shè)計。因此，需要詳細分析主要零部件在風(fēng)電機組壽命期內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。 （ 2）設(shè)計準則 風(fēng)電機組的零部件很多，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計要求，參照合理的設(shè)計準則進行詳細的設(shè)計與校核。此種量化指標屬于廣義可靠性范疇，因其同時包括了風(fēng)電機組可靠性和可維修性等方面的內(nèi)容。同時，葉片等構(gòu)件的動負載將合成為風(fēng)輪的動負載，也是風(fēng)電機組振動的主要振源。 7）配套附件 選擇和確定整機配套附件和備件等設(shè)備，對新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。 4）載荷 分析與風(fēng)電機組基本性能的預(yù)評估 在設(shè)計初期，必須對載荷作預(yù)評估，以準確確定風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。 由于風(fēng)電機組由多個功能子系統(tǒng)組成 ， 機組總體設(shè)計與各部件或子系統(tǒng)的功能設(shè)計密切相 關(guān) ， 以針對風(fēng)輪部件的總體設(shè)計為例 ， 就包括了葉片參數(shù) 、 氣動性能 、 結(jié)構(gòu)強度 、 制造工藝與成本等多方面的設(shè)計內(nèi)容，而這些設(shè)計目標很難同時達到，需要權(quán)衡各方的比重，選擇優(yōu)化的方案。 3． 1 確定設(shè)計目標 與所有大型裝備的設(shè)計相似，首先需要明確所設(shè)計風(fēng)電機組的設(shè)計目標。在起動和停止的過程中，也需要改變?nèi)~片的槳距 角。 對于并網(wǎng)型風(fēng)電機組，發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流經(jīng)過變壓器升壓后，即可輸入電網(wǎng)。 電網(wǎng) 風(fēng) M1 ?1 M2 ?2 P3 變壓器 轉(zhuǎn)速測量 風(fēng)力發(fā)電機 調(diào)速 風(fēng)速、風(fēng)向 功率測量 圖 22 風(fēng)電機組的工作原理 1． 能量流 當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機時，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。并網(wǎng)風(fēng)電機組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，將風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能 。 圖 21 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構(gòu)成 （ 1） 一次能源轉(zhuǎn)換單元 風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風(fēng)電機組的核心部分，包括風(fēng)輪、功率控制（調(diào)速）等部件。我國的風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓跌落情況下，也必須采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，確保風(fēng)電系統(tǒng)的安全運行并實現(xiàn) LVRT功能。國外還對風(fēng)電機組和風(fēng)電場的短期及長期發(fā)電量預(yù)測做了很多研究，取得了重大進步，預(yù)測精確度可達 90％以上。例如德國Enercon 公司的 E126 6MW 風(fēng)電機組的葉片由內(nèi)、外兩段葉片組成，靠近葉根的內(nèi)段由鋼制造，外包玻璃鋼殼體形成氣動形狀表面。 1． 4． 8 智能化控制技術(shù)的應(yīng)用加速提高了風(fēng)電機組的可靠性和壽命 鑒于風(fēng)電機組的極限載荷和疲勞載荷是影響風(fēng)電機組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，近年來，風(fēng)電機組制造廠家與有關(guān)研究部門積極研究風(fēng)電機組的最優(yōu)運行和控制規(guī)律，通過采用智能化控制技術(shù)，與整機設(shè)計技術(shù)結(jié)合，努力減少和 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX避免風(fēng)電機組運行在極限載荷和疲勞載荷，并逐步成為風(fēng)電控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。與此同時，半直驅(qū)式風(fēng)電機組也開始出現(xiàn)在世界風(fēng)電市場上。 金風(fēng)科技在 2021 年是我國風(fēng)電市場的第二大供應(yīng)商。 2021 年我國新增風(fēng) 電機組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組仍然占 82％以上。 2021 年，在全球所安裝的風(fēng)電機組中有95％的風(fēng)電機組采用了變槳變速方式，而且比例還在逐漸上升。 1． 4． 3 風(fēng)電機組單機容量持續(xù)增大 近年來，世界風(fēng)電市場中風(fēng)電機組的單機容量持續(xù)增大，隨著單機容量不斷增大和利用效率提高，世界上主流機型已經(jīng)從 2021 年的 5001000kW 增加到 2021 年的 231VM。 1． 4 國內(nèi)外風(fēng)電機組發(fā)展趨勢 縱觀世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)實和前沿技術(shù)的發(fā)展，目前全球風(fēng)電制造技術(shù)發(fā)展主要呈現(xiàn)如下特點： 1． 4． 1 產(chǎn)業(yè)集中是總的趁勢 2021 年，世界排名前十位的風(fēng)電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球 ％的市場份額，世界排名前十五位的風(fēng)電機組制造企業(yè)占據(jù)了全球 ％的市場份額，丹麥VESTAS、美國 GE WIND、中國華銳、德國 ENERCON、中國金風(fēng)這前 5 家企業(yè)，就占蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX11 據(jù)了國內(nèi)外 ％市場 份領(lǐng)。 風(fēng)電設(shè)備制造能力 風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅猛。 1． 3． 2 我國風(fēng)電 裝機容量 2021 年年底，全國的風(fēng)力發(fā)電裝機容量約為 764MW。風(fēng)電在歐美發(fā)達國家已經(jīng)逐步成為重要的替代能源。 2021 年全球新裝機容量超過 27GW，同比增長 42%，風(fēng)電裝機增長率為 29%，高于過去 5 年的平均增長速度。 20 世紀 80 年代中期以后，我國先后從丹麥、比利時、瑞典、美國、德國引進一批中、大型風(fēng)電機組，在新疆、內(nèi)蒙古的風(fēng)口及山東、浙江、福建、廣東的島嶼建立了 8 座示范性風(fēng)電場。不過，當(dāng)時的發(fā)電量較低，大都在 5kW 以下。在蒸汽機發(fā)明以前，風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。 全球市場對于風(fēng)這樣的零排放技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長的需求。 1． 2． 3 可再生能源開發(fā)利用 目前，如何解決能源危機及其引起的環(huán)境危機成為全球經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的待 解決的重大課題。燃燒不斷產(chǎn)生 CO2 和其他溫室氣體，使得原來沉積在地下的碳元素，被大量釋放到空氣中。自從工業(yè)革命以來，全球的能源消耗 飛速增長，推動了工業(yè)化的進程，提高了社會發(fā)展水平和人類生活質(zhì)量。 20 世紀 70 年代中期以后，風(fēng)能開發(fā)利用列入“六五”國家計劃。 1992 年以來，全球風(fēng)電累計裝機容量的年增長率一直高于 15%，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日臻成熟。但是，由于一些不確定因素的存在，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)表現(xiàn)出強非線性特征，風(fēng)力機產(chǎn)生的能量隨著風(fēng)速和風(fēng)向的連續(xù)波動是快速變化的。 關(guān)鍵詞： 風(fēng)力 發(fā)電； 變槳距 ； 偏航系統(tǒng)。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAghX摘 要 風(fēng)能作為一種可再生能源越來越受到世界各國政府的重視。 其次，針對風(fēng)力發(fā)電機偏航時的要求設(shè)計了偏航控制器，改以前的遮掩式角度傳感器為絕對式數(shù)字角度傳感器，增加了系統(tǒng)的靈敏性。近年來，大型風(fēng)電機組通過采用變速 變槳距控制及最大功率跟蹤 MPPT 等技術(shù)，旨在提高響應(yīng)速度，獲得最大能量（低風(fēng)速是捕獲最大功率，高風(fēng)速時捕獲額定功率）。 20 世紀 90 年代 ，許多國家紛紛制定了激勵風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的優(yōu)惠政策。我國在 20 世紀 50 年代末，使用各種木結(jié)構(gòu)的布篷式風(fēng)車。 1． 2 風(fēng)力發(fā)電的背景 1． 2． 1 能源危機 能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代社會對能源的巨大需求，導(dǎo)致大量的化石能源被燃燒。全球氣候的變化對農(nóng)業(yè)和生態(tài)造成了嚴重的影響，時刻威脅著人類的生命和財產(chǎn)安全。因此，開發(fā)綠色電力意義重大。 人類利用風(fēng)能的歷史可以追溯到公元前。這種小型風(fēng)電機組被廣泛運用在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村，所獲得的電力成本比小型內(nèi)燃機的發(fā)電成本低很多。 1986 年 5 月，山東榮成建成了我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場。按照累計風(fēng)電裝機容量數(shù)據(jù)排名， 2021 年全球前十名的國家依次是德國、美國、西班牙、印度、中國、丹麥、意大利、法國、英國和葡萄牙。 2021 年內(nèi)美國竣工的風(fēng)電項目 容量更是占當(dāng)年度美國所有新增電力裝機的 42%，新增裝機容量達到 ，同比增長 157%，累計增長 %，完成新增投資 170 億美元。英國、法國、加拿大、澳大利亞、日本和東歐的波蘭等國也開始加速發(fā)展風(fēng)電。 2021 年新增 裝機容量 ，累計裝機容量為26GW，總裝機容量躍居世界第 2 位。我國風(fēng)電技術(shù)與國外風(fēng)電技術(shù)的差距正在不斷縮小。同期發(fā)展的垂直軸風(fēng)電機組因轉(zhuǎn)軸過長、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高，啟動、停機和變槳困難等問題，目前市場份額很小、應(yīng)用數(shù)量有 限，但由于其全風(fēng)向?qū)︼L(fēng)、變速裝置及發(fā)電機可以置于風(fēng)輪下方或地面等優(yōu)點，近年來，國際上相關(guān)研究和開發(fā)也在不斷進行并取得一定進展。結(jié)合變槳距技術(shù)的應(yīng)用以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，大多風(fēng)電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術(shù)，并開發(fā)出了變槳變速風(fēng)電機組，使得在風(fēng)能轉(zhuǎn)換上有了進一步完善和提高。 我國內(nèi)資企業(yè)華銳風(fēng)電、東方氣輪機、國電聯(lián)合動力、廣東明陽等企業(yè)也在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機組。5MW 直驅(qū)式風(fēng)電機組，已有上千臺安裝在風(fēng)電場。由于全功率變流技術(shù)對低電壓穿越技術(shù)有很好且簡單的解決方案，對下一步發(fā)展占據(jù)了優(yōu)勢。 北京科諾偉業(yè)能源科技有限公司、合肥陽光電源有限公司、 北京清能華福風(fēng)電技術(shù)有限公司、天津瑞能電氣、龍源電氣、九州電氣和禾旺電氣等 10 多家企業(yè)已具備兆瓦級風(fēng)電機組變流器研發(fā)、生產(chǎn)和供貨能力。 為了 方便兆瓦級葉片的道路運輸，某些公司已經(jīng)把葉片制作成兩段。在風(fēng)電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計上也開發(fā)出了成熟軟件。隨著風(fēng)力發(fā)電裝機容 量的不斷增大，很多國家的電力系統(tǒng)運行導(dǎo)則對風(fēng)電機組的低電壓穿越（ LVRT）能力做出了規(guī)定。其中，一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能；機械能傳遞單元的主要作用是傳動與制動；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能，同時提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實現(xiàn)對風(fēng)電機組起 、停機和發(fā)電等運行過程的控制，并保證風(fēng)電機組在任何狀態(tài)下的安全性。 （ 3） 發(fā)電單元 發(fā)電單元一般由發(fā)電機和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機組的工作原理如圖 22 所示。發(fā)電機的 輸出功率為 3 2 23 c osN N NP U I P?? ? ? （ 13） 式中 P3—— 發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是 W； UN—— 定子三相繞組上的線電壓，單位是 V； IN—— 流過定子繞組線電流，單位是 A； cos N? —— 功率因數(shù) ； ?2—— 發(fā)電系統(tǒng)的總效率。 對于變槳距風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過變槳距系統(tǒng)改變風(fēng)輪葉片的槳距角，從而控制風(fēng)電機組輸出功率。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX3. 風(fēng)電機組設(shè)計的基本內(nèi)容與步驟 風(fēng)電機組設(shè)計所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識較多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計技術(shù)積累和豐富的設(shè)計實踐經(jīng)驗是保證大型風(fēng)電機組設(shè)計質(zhì)量的必備條件。 總體設(shè)計是平衡這些關(guān)系的重要設(shè)計過程 ， 在某種意義上來說 ， 總體設(shè)計可以決定整個設(shè)計過程的成敗 。此階段的設(shè)計要求是盡可能的詳盡分析風(fēng)電機組各子系統(tǒng)構(gòu)成方案的可行性，使之布置合理、協(xié)調(diào)、緊湊，便于安裝，且能可靠保證 運行和維護三維數(shù)字模型，并編寫有關(guān)報告和設(shè)計說明文件。設(shè)計有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)方案模型圖和有關(guān)系統(tǒng)的原理圖，并編寫有關(guān)的報告和技術(shù)說明。因此，這實質(zhì)上是一種流固耦合響應(yīng)問題，對風(fēng)輪等零部件的疲勞會產(chǎn)生影響。 （ 3）風(fēng)電機組的可靠性設(shè)計 風(fēng)電機組可靠性量化指標，通常以其可利用率來度量。 這些子系統(tǒng)或主要的部件有：風(fēng)輪（包括詳細的葉片結(jié)構(gòu)、輪轂、變槳距機構(gòu)等）、主傳動鏈（包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、制動裝置等）、發(fā)電機系統(tǒng)、機艙和主機架、偏航系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)等。有鑒于風(fēng)電機組的循環(huán)和隨機載荷作用條件，許多構(gòu) 件容易發(fā)生疲勞失效。還應(yīng)注意，批量生產(chǎn)的風(fēng)電機組與原型樣機的工程設(shè)計與制造方法通常會有差別，某些部分可能需要改進；有些情況下，為降低批量生產(chǎn)的成本，風(fēng)電機組的某些部分可能需要基于原形設(shè)計原理，對設(shè)計結(jié)構(gòu)作出較大的調(diào)整，但其前提是確保設(shè)計的可靠性。目前投入使用的風(fēng)電機組變槳距機構(gòu)主要有 2 種方案：液壓控制方案和電機控制方案。位置開關(guān) 1 和位置開關(guān) 2 作為一個硬件開關(guān)，用于保證變槳距系統(tǒng)能夠在設(shè)定的范圍內(nèi)運行，避免超出工作范圍。根據(jù)機構(gòu)運動學(xué)原理，考慮到作動筒的工作行 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX程及 風(fēng)機組槳