【文章內(nèi)容簡介】 1 ?? ?? (120) SvFSvFCF 22221 ?? ?? (121) 異步發(fā)電機(jī)基本原理 （ 1） 異步發(fā)電機(jī)基本原理 發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的零部件， 是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 發(fā)XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。 使用異步機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機(jī)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。這一缺點可以通過在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來改善。 由于風(fēng)電場的特殊性 ， 它的并網(wǎng)和解列 的 操作十分頻繁 ， 而且由于投資成本的限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點 ， 現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場都采用異步發(fā)電機(jī)作為主力機(jī)型。本論文的 研究對象中使用也是異步發(fā)電機(jī) ， 下面我們對異步機(jī)做以下的簡單介紹。 異步電機(jī)一般稱感應(yīng)電機(jī)即可作為發(fā)電機(jī)也可作為電動機(jī)。異步機(jī)作為電動機(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。但由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網(wǎng)簡單等特點在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。 異步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。異步機(jī)的定子與同步機(jī)基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機(jī)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。 異步機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(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。通常異步機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 sn 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 之間的差為轉(zhuǎn)差 ， 轉(zhuǎn)差n 與同步轉(zhuǎn)速 sn 的比值稱為轉(zhuǎn)差率用 S 表示 ? ? ss nnnS /?? (122) 轉(zhuǎn)差率是表證異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個基本變量。 若電機(jī)用原動機(jī)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。此時轉(zhuǎn)子 從原動機(jī)吸收機(jī)械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 （ 2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù) ○ 1 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速是風(fēng)輪在額定風(fēng)速時的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。 ○ 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。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。單位為XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。 ○ 3 發(fā)電機(jī)是交流還是直流 微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用直流發(fā)電機(jī)中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用交流發(fā)電機(jī)。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。交流發(fā)電機(jī)分同步和異步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)也稱感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)。永磁交流發(fā)電機(jī)等。 ○ 4 發(fā)電機(jī)額定電壓 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時 電壓為 定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓 ， 單位為 V。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 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)。 ○ 6 發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 發(fā)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時其電壓變化的頻率。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。國外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 8 發(fā)電機(jī)額定勵磁電流 發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時的勵磁電流。 ○ 9 發(fā)電機(jī)額定溫升 發(fā)電機(jī)在額定功率輸出及額定負(fù)載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風(fēng)溫的差值。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機(jī)其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (124) 式中 p—— 發(fā)電機(jī)的極對數(shù) ； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。 ○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? 、傳動系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 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)電場長期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實際應(yīng)用過程中，尤其是一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制與檢測系統(tǒng)中 ,控制系統(tǒng)滿足用戶提出的功能上的要求是不困難的。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(jī)組的聲譽(yù)。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的功能很強(qiáng) ,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。因此對于一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。 我們的目的是希望 通過控制系統(tǒng)的設(shè)計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)不出故障或少出故障，并且在出故障之后能夠以最快的速度修復(fù)系統(tǒng) ,使之恢復(fù)正常工作。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求 (1)控制思想 [3] ○ 1 定槳距失速型機(jī)組控制 風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載，通過空氣動力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。 ○ 2 變槳距失速型機(jī)組 控制 風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動力學(xué)的失速特性，使葉片吸收風(fēng)功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。 ○ 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(jī)過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時的停機(jī)、扭 纜 的 限制、機(jī)艙對風(fēng)、運(yùn)行時電量和溫度的限制。 ○ 4 保護(hù)環(huán)節(jié)以失效保護(hù)為原則進(jìn)行設(shè)計 自動執(zhí)行保護(hù)功能：超速、發(fā)電機(jī)過載和故障、過振動、 電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時的停機(jī)失敗時。保護(hù)環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達(dá)到XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 控制目標(biāo)方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。 (2)自動運(yùn)動的控制要求 ○ 1 開機(jī)并網(wǎng)控制 :當(dāng)風(fēng)速 10 分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動→軟切入狀態(tài)→機(jī)組并入電網(wǎng)。 ○ 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)。 ○ 3 普通故障脫網(wǎng)停機(jī) :參數(shù)越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC(jī)→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機(jī) 械閘→計算機(jī)自行恢復(fù)。 ○ 4 緊急故障脫網(wǎng)停機(jī) :緊急故障 (飛車、超速、負(fù)荷丟失等 )→緊急停機(jī)→偏航控制（ 90 度）→脫網(wǎng)→機(jī)械剎車。 ○ 5 安全鏈動作停機(jī)：電控制系統(tǒng)軟保護(hù)控制失敗→硬性停機(jī)→停機(jī)。 ○ 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(jī)→氣動剎車→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)自動對風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運(yùn)動。 ○ 7 對風(fēng)控制：機(jī)組在工作風(fēng)區(qū)→根據(jù)機(jī)艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度。 ○ 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時→降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率→安全停機(jī)。→當(dāng) 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時或超過超速上限時→風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作偏轉(zhuǎn) 90 度控制→氣動剎車→脫網(wǎng)→停機(jī)。 ○ 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→失速型機(jī)組→發(fā)電機(jī)的功率不會超過額定功率的 15%→過載→脫網(wǎng)停機(jī)。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導(dǎo)通角→控制發(fā)電 機(jī)端的軟切入電流為額定電流的 倍→控制發(fā)電機(jī)端電壓。 （ 3）控制保護(hù)要求 ○ 1 主電路保護(hù)：變壓器低壓側(cè)三相四線進(jìn)線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器→維護(hù)操作安全和短路過載保護(hù)。 ○ 2 過電壓、過電流保護(hù)：主電路計算機(jī)電源進(jìn)線端、控制變壓器進(jìn)線和有關(guān)伺服電動機(jī) 的 進(jìn)線端均設(shè)置過電壓、過電流保護(hù)措施。 ○ 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(hù)裝置。 ○ 4 過繼電保護(hù)：運(yùn)行的所有輸出運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過熱、過載保 護(hù)控制裝置。 ○ 5 接地保護(hù)：金屬部分均要實現(xiàn)保護(hù)接地。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個能量轉(zhuǎn)換過程的裝置。風(fēng)輪系統(tǒng)實現(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)則實現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)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(jī)組安全可靠運(yùn)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)。 （ 2）控制系統(tǒng)采用計算機(jī)控制技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)管理和控制。 （ 3）利用計算機(jī)智能控制實現(xiàn)機(jī)組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機(jī)組主要進(jìn)行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補(bǔ)償控制對變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要進(jìn)行最佳葉尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。 （ 4）大于開機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切入自動并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。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。 主要完成下列自動控制功能： ○ 1 大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機(jī)械閘停機(jī)而且在脫網(wǎng)同時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航 90176。停機(jī)后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機(jī)風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可自動并入電網(wǎng)運(yùn)行。 ○ 2 為了避免小風(fēng)時發(fā)行頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10 分內(nèi)不能按風(fēng)速自動停機(jī)。同樣在小風(fēng)自動脫網(wǎng)停機(jī)后 5 分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。 ○ 3 當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長期逆功率運(yùn)行造成電網(wǎng)損耗應(yīng)自動脫網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動的待風(fēng)狀態(tài)。 ○ 4 當(dāng)風(fēng)速大于開機(jī)風(fēng)速要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航機(jī)構(gòu)始終能自動跟風(fēng)。跟風(fēng)精度范圍177。 15176。 ○ 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機(jī)械閘其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機(jī)、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。 ○ 6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時釋放起平穩(wěn)剎車作用。其余時間（運(yùn)行期間、正常和故障停機(jī)期間）均處于歸位狀態(tài)。 ○ 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)計說明書 17 閘停機(jī)外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風(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。后機(jī)艙保持與風(fēng)向偏 90176。跟風(fēng)控制跟風(fēng)范圍177。 15176。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)停止運(yùn)行此時控制系統(tǒng)不能供電。如果正在運(yùn)行時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遇到這種情況應(yīng)能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機(jī)此時偏航機(jī)構(gòu)不會動作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗。 ○ 9 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)177。 /反向扭纜計數(shù)器超過時自動停機(jī)解纜達(dá)到要求時再自動開機(jī)恢復(fù)運(yùn)行發(fā)電。 ○10 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。 ○11 控制系統(tǒng)應(yīng)該保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況應(yīng)該自動處理并安全停機(jī)。 控制系統(tǒng)主要參數(shù) （ 1）主要技術(shù)參數(shù) ○ 1 主發(fā)電機(jī)輸出功率（額定） ? ?ePKW ○ 2 發(fā)電機(jī)最大輸出功率 ? ? KW ○ 3 工作風(fēng)速范圍 4 25 /ms? ○ 4 額定風(fēng)速 ? ?/eVms ○ 5 切 入風(fēng)速（ 1min 平均值） 4/ms ○ 6 切出風(fēng)速（ 1min 平均值） 25/ms ○ 7 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 ? ?/minNr ○ 8 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m inr? ○ 9 發(fā)電機(jī)輸出電壓 10%V? ○ 10 發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率 50 Hz? ○ 11 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） ○ 12 電容補(bǔ)償后功率因數(shù) ? （ 2）控制指標(biāo)及效果 ○ 1 方式