【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)控制模型以及完整的風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對自建的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型進行仿真分析，利用運行模塊進行 EMTDC 模擬計算，驗證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的可用性，并且通過單曲線繪圖對模擬結(jié)果進行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報告的模擬結(jié)果圖形。 本文在編寫過程中，受到老師的大力支持和精心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和 PSCAD/EMTDC 仿真等的相關(guān)知識對我們來講都是平時很少接觸和涉及的，而且，這些學(xué)科中的很多東西都是較為前沿的。由于本人的理論水平及實踐經(jīng)驗所限、編寫時間倉促，書中錯誤疏漏之處難免，敬請老師不咎指正。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 8 第一章 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。 風(fēng)力發(fā)電 的原理是利用風(fēng)帶動風(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單 ， 最簡單的風(fēng)力發(fā)電機可由葉片 和發(fā)電機兩部分構(gòu)成如圖 11所示?？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。 風(fēng)力發(fā)電的特點 （ 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。 （ 2）建設(shè)周期短 一 個十兆 瓦級的風(fēng)電場建設(shè)期不到一年。 （ 3）裝機規(guī)模靈活 可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。 （ 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 20 年。 （ 5）造價低 從國外建成的風(fēng)電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。我國由于中大型風(fēng)力發(fā)電機組全部從國外引進，造價和電價相對比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風(fēng)力發(fā)電的造價和電價都將低于火力發(fā)電。 （ 6）運行維護簡單 現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情 況下正常工作，只需定期進行必要的維護，不存在火力發(fā)電的大修問題。 （ 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、XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 漁使用。 （ 8）發(fā)電方式多樣化 風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實可行性。 （ 9）單機容量小 由于風(fēng)能密度低決定了單臺風(fēng)力發(fā)電機組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機組和核電機組無法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時無風(fēng)有時又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng) 力發(fā)電必須解決的實際問題。 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。風(fēng)就是水平運動的空氣 ， 空氣運動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。大氣的流動也像水流一樣 ， 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。地球上某處所接受的太陽輻射能 與該地點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)移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。 風(fēng)速是指某一高度連續(xù) 10min 所測得各瞬時風(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)玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(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 風(fēng)能的特點主要有：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 、 另外不須能源運輸 、 可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。 ○ 2 風(fēng)能資源的估算 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 10 風(fēng)能的大小實際就是氣流流過的動能 ， 因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時間內(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)速是一個隨機性很大的量 ， 必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況 ， 一個地方風(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。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 的 理論 [4] 風(fēng)輪機又稱 為 風(fēng)車 ， 是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機 械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機垂直軸風(fēng)輪機和特殊風(fēng)輪機三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機。 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。按主軸與地面相對位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風(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對風(fēng)輪動態(tài)特性的影響。它的主要機械部件都在機艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機、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。 在本文中以后不做 特殊 說明時所指的風(fēng)力發(fā)電機組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機組。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 大中型風(fēng)力發(fā)電機組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙機座回轉(zhuǎn)體制動器等）組成的。 (1)機艙 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 11 機艙包 含 著風(fēng) 力發(fā) 電機的關(guān)鍵設(shè)備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機 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)電機接受風(fēng)能的部件。 葉片是風(fēng)力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件， 現(xiàn)代風(fēng) 力發(fā) 電機上每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為 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)力達到風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計的額定風(fēng)速時，在風(fēng)輪上就要采取措施，以保證風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率不會超過允許值。 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。 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)電機組關(guān)鍵部件之一。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。 使用齒輪箱可以將風(fēng)電機轉(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)軸器與制動器設(shè)計在一起。 （ 5）制動器 制動器是使風(fēng)力發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。 （ 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。 發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。 大型風(fēng)電機（ 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。 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。 ② 永磁發(fā)電機，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機上?，F(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā) 明了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以做成多 對 極低轉(zhuǎn)速 的 ，特別適合風(fēng)力發(fā)電機。 ③ 同步或異步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步圖 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。 （ 7）塔架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機的支架。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)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。 （ 8）調(diào)速裝置 風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時調(diào)速。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。 （ 9）調(diào)向（ 偏航） 裝置 調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風(fēng)輪對準風(fēng)向的裝置。 借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作 ， 電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。通常在風(fēng)改變其方向時 ， 風(fēng)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾 度。 （ 10）風(fēng)力發(fā)電機微機控制系統(tǒng) [11] 風(fēng)力發(fā)電機的微機控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機電壓、頻率、電流、發(fā)電機溫升、增速器溫升、機艙振動、塔架振動、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，輸送給單片機再按設(shè)計程序給出各種指令實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、運行中機組故障的自動停機、自動電纜解繞、過振動停機、過大風(fēng)停機等的自動控制。自我故障診斷及微機終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機以指令，微機再執(zhí)行自動控制程序。 風(fēng)電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調(diào)出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。 （ 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 。但是當(dāng)風(fēng)電機偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時間時 ， 電纜將越來越扭曲 ，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障 。因此風(fēng) 力發(fā)電機配備有電纜扭曲計數(shù)器 ， 用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。風(fēng) 力發(fā) 電機還會配XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 備有拉動開關(guān)在電纜扭曲太厲害時被激發(fā) ，斷開裝置或剎車停機，然后解纜 。 風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)理論 貝茨 (Betz)理論 世界上第一個關(guān)于風(fēng)輪機風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較完整的理論是 1919年由 A178。貝茨 (Betz)建立的。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)能并且沒有輪轂，葉片是無限多 ， 對 氣流沒有任何阻力。而空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的 (或稱為是平行風(fēng)輪軸線的 )，滿足以上條件的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。 如圖 13 所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動的空 氣對風(fēng)輪葉片所做的功。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機械能，則有 21VV ， 21SS 。 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)可知氣流的動能為 mvT? (14) 設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過載面積為 s 的氣體的 體積為 V，則 svV? 。 如果以 ? 表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量 svm ?? ，此時氣體所具有的動能為 321 svT ?? (15) ? 的單位是 kg/m3； V的單位是 m3； v 的單位是 m/s； T 的單位是 W。 從風(fēng)能公式可以看出風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度成正比，其中 ? 和 v 隨地理位置、海拔、地形等因素而變。 風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF ???? ? (16) 式中 ?—— 空氣當(dāng)時的密度 風(fēng)輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (17) 所以經(jīng)過風(fēng)