【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 者爬上梯子時(shí)可以用后背緊靠塔壁，以保證安全。 燈 ： 塔架沒(méi)有朝外的窗戶，因此塔架內(nèi)的照明很重要。 法蘭 ： 法蘭上的螺栓保證塔架上的各個(gè)部分緊密相連。 平臺(tái) ： 塔架內(nèi)有 2 個(gè)或者 3 個(gè)的平臺(tái)供維護(hù)人員休息。 葉輪 ： 葉輪被固定在大的主軸上，大的葉輪有三個(gè)吸收風(fēng)能的葉片，風(fēng)速足夠大的時(shí)候就會(huì)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。 主軸 ： 主軸與齒輪箱連接，葉輪用很大的力使得主 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此軸必須足夠粗！ 10 偏航軸承 ： 巨大的齒輪環(huán)被安裝再機(jī)艙下部、塔架內(nèi)，齒輪環(huán)與偏航電機(jī)的齒相嚙合，這樣使得機(jī)艙偏航對(duì)風(fēng)。 偏航電機(jī) ： 偏航電機(jī)將機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)以便使葉輪準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)！ 齒輪箱 ： 大型風(fēng)機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度再每分鐘 27 轉(zhuǎn)左右，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要在每分鐘 1500轉(zhuǎn)左右，因此就需要齒輪箱將 27轉(zhuǎn)變?yōu)?1500 轉(zhuǎn)。 機(jī)械剎車(chē) ： 當(dāng)風(fēng)機(jī)需要被維修或者例行維護(hù)時(shí)，機(jī)械剎車(chē)將葉輪鎖定，使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 高速軸 ： 高速軸將來(lái)自齒輪箱的能量傳遞到發(fā)電機(jī)，此時(shí)高速軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘 1500轉(zhuǎn) 發(fā)電機(jī) ： 發(fā)電機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)速后開(kāi)始產(chǎn)生電 流，電流通過(guò)粗的電纜被送到塔架下面的控制柜。 散熱器 ： 發(fā)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生熱量，如果溫度過(guò)高發(fā)電機(jī)就會(huì)損壞，這就是為什么電機(jī)需要冷卻。在一些風(fēng)機(jī)上采用水冷方式，而散熱器再將水冷卻 風(fēng)速儀 ： 風(fēng)速儀用來(lái)測(cè)量風(fēng)的速度，它將風(fēng)速信息傳到控制器中。 風(fēng)向標(biāo) ： 風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)向擺動(dòng)，他告訴控制系統(tǒng)風(fēng)的方向，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)偏航電機(jī)偏航使葉輪對(duì)風(fēng)。 控制器 ： 風(fēng)機(jī)控制柜是一臺(tái)能控制風(fēng)機(jī)各個(gè)部件的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)使機(jī)艙偏航對(duì)風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速儀所測(cè)風(fēng)速達(dá)到某一定值時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出命令釋放剎車(chē)，使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 第二章 風(fēng)力機(jī)的相關(guān)理論及本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 上一章中，世界各國(guó)對(duì)于能源的要求伴隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展在進(jìn)一步的擴(kuò)大中，就目前而言，風(fēng)電行業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)風(fēng)電技術(shù)的研究具有很重要的意義。本文的主要目的是針對(duì)直驅(qū)式的風(fēng)電機(jī)的控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)作一些工作。因此首先要了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和風(fēng)力機(jī)的工作原理。所以本章討論了以下幾個(gè)問(wèn)題： 1．風(fēng)力機(jī)的工作原理。 2．風(fēng)電機(jī)的分類 3．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng) 4. 變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的運(yùn)行原理 2． 1 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由機(jī)艙、塔架、發(fā)電機(jī)和葉輪組成。風(fēng)的作用使葉輪旋轉(zhuǎn)，而葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā) 電機(jī)，最后發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理簡(jiǎn)單的說(shuō)是：風(fēng)的動(dòng)能（即空氣的動(dòng)能）轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，轉(zhuǎn)子的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成電能。 根據(jù)德國(guó)風(fēng)能會(huì)的估計(jì)，風(fēng)能發(fā)電的年增長(zhǎng)率將保持高增長(zhǎng)率，在 2021 年或者之前全球風(fēng) 11 力發(fā)電裝機(jī)容量可能達(dá)到 150 千兆瓦。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣。風(fēng)并非推動(dòng)風(fēng)輪葉片，而是吹過(guò)葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。分局 Betz 定律，理論上風(fēng)電機(jī)能夠提取的最大功率，是風(fēng)的功率的 %，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)只能提取風(fēng)的功率的 40%或者更少。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包含三部分：風(fēng)輪，機(jī)艙和塔桿。大型與電網(wǎng)接駁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是橫軸式三葉片風(fēng)輪，并安裝在直立管塔桿上。 風(fēng)輪葉片由復(fù)合材料制造。不想小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大型的風(fēng)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)慢。比較簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是采用固定速度的，通常采用 2 個(gè)不同的速度 再弱風(fēng)下用低速和再?gòu)?qiáng)風(fēng)下用高速。這些定速風(fēng)電機(jī)的感應(yīng)式異步發(fā)電機(jī)能夠直接產(chǎn)生電網(wǎng)頻率的交流電。 機(jī)艙上安裝的感測(cè)器探測(cè)風(fēng)向，透過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)械裝置令機(jī)艙和風(fēng)輪自動(dòng)的轉(zhuǎn)向，面向來(lái)風(fēng)。 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪變速箱傳送到機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)。在風(fēng)電工業(yè)中，配有變速箱的風(fēng)電機(jī)是很普遍的。不過(guò)，為了風(fēng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的多級(jí)直接驅(qū)動(dòng)式發(fā)電機(jī)也有顯著的發(fā)展。 設(shè)于塔底的變壓器可以提升發(fā)電機(jī)的電壓到配電網(wǎng)電壓。 所有風(fēng)電機(jī)的功率輸出的方法是失速調(diào)節(jié)和斜角調(diào)節(jié)。使用失速調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)，超過(guò)額定風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致通過(guò)葉片的氣流產(chǎn)生擾流，令風(fēng)輪失速。當(dāng)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)時(shí)，葉片尾部制動(dòng)裝置會(huì)動(dòng)作令風(fēng)輪剎車(chē)。使用斜角調(diào)節(jié)的風(fēng)電機(jī)每篇葉片能夠以縱向?yàn)檩S而旋轉(zhuǎn)，葉片角度隨著風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)變，從而改變風(fēng)輪的空氣動(dòng)力性能。當(dāng)風(fēng)力過(guò)強(qiáng)時(shí) ，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)至迎氣邊緣面向來(lái)風(fēng)，從而令風(fēng)輪剎車(chē)。 葉片中嵌入了避雷條，遭到雷擊時(shí)，可以將閃電中的電流引導(dǎo)到地下去。 2． 2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類 雖然 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 有很多種類 ，但 是總的 歸納起來(lái) 也就 兩 種：一 、 水平軸風(fēng)力發(fā)電 機(jī)， 它的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸 和 風(fēng)向 是 平行 的，二 、垂直軸風(fēng)電機(jī)， 它的 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸 正好跟水平風(fēng)電機(jī)的相反，是跟氣流方向或者地面垂直的 。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 水平軸風(fēng)力機(jī)可分為升力型和阻力型兩類 。 阻力型 的風(fēng)電機(jī) 旋轉(zhuǎn) 的 速度 比較 慢。 而 升力型 的 風(fēng)電機(jī) 的 旋轉(zhuǎn)速度 比較 快 ， 對(duì)于風(fēng)力發(fā)電 來(lái)說(shuō) ， 大 多 都會(huì)使 用升力型 的 水平軸風(fēng)電機(jī)。大多數(shù)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有對(duì)風(fēng)裝置，能隨風(fēng)向改變而轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種對(duì)風(fēng)裝置采用尾舵，而對(duì)于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，則利用風(fēng)向傳感元件以及伺服電機(jī)組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪在塔架前面的稱為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪在塔架后面的則成為下風(fēng)向風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的式樣很多，有的具有反轉(zhuǎn)葉片的風(fēng)輪，有的再一個(gè)塔架上安裝多個(gè)風(fēng)輪，以便在輸出功率一定的條件下減少塔架的成本，還有的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪周?chē)a(chǎn)生漩渦，集中氣流，增加氣流速度。 12 圖 風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)向改變的時(shí)候無(wú)需對(duì)風(fēng)，在這點(diǎn)上相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一大優(yōu)勢(shì)，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，而且也減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn) ： 新型結(jié)構(gòu)形式、微風(fēng)啟動(dòng)、發(fā)電效率高、風(fēng)能利用率高。無(wú)需撲捉風(fēng)向，無(wú)論哪個(gè)方向來(lái)風(fēng)，它總是按照設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)?？墒∪ピ鏊贆C(jī)、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性、減少傳動(dòng)損耗、減小啟動(dòng)阻力、造價(jià)低、提高使用壽命。超低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、低風(fēng)發(fā)電、噪音低、抗風(fēng)能力強(qiáng)、不絞電纜線。發(fā)電機(jī)極數(shù)，槽數(shù)，輸出電壓脈動(dòng)小，波形好，繞組的設(shè)計(jì)時(shí)考慮 到風(fēng)速較低時(shí)能啟動(dòng)，減小啟動(dòng)阻力矩。發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪有機(jī)連接、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、造型美觀。發(fā)電效率比水平旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提高 18%、工作時(shí)無(wú)噪音、使用場(chǎng)地不受限制，比可方面安裝在房屋頂、冰雪地、水上燈標(biāo)等不良環(huán)境。 2． 3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)由多個(gè)部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個(gè)部分，相當(dāng)于風(fēng)電系統(tǒng)的神經(jīng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設(shè)備的安全。目前風(fēng)力發(fā)電亟待研究解決的的兩個(gè)問(wèn)題：發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量都和風(fēng)電控制系統(tǒng)密切相關(guān)。對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得 了一定進(jìn)展，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為三個(gè)層次：這就是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量。 控制系統(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運(yùn)行主控制器、功率輸出單元、無(wú)功補(bǔ)償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護(hù)單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。 具體控制內(nèi)容有：信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動(dòng)解纜、并網(wǎng)和解列控制、停機(jī)制動(dòng)控制、安全保護(hù)系統(tǒng) 、就 13 地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)然對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制單元會(huì)不相同?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 針對(duì)上述結(jié)構(gòu)，目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)都采用集散型或稱分布式控制系統(tǒng)（ DCS）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。采用分布式控制最大優(yōu)點(diǎn)是許多控制功能 模塊可以直接布置在控制對(duì)象的位置。就地進(jìn)行采集、控制、處理。避免了各類傳感器、信號(hào)線與主控制器之間的連接。同時(shí) DCS 現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制程序現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及在機(jī)組運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)修改控制參數(shù)。并與其他功能模塊保持通信，發(fā)出各種控制指令。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了 DCS 之中。 PLC 是一種針對(duì)順序邏輯控制發(fā)展起來(lái)的電子設(shè)備，目前功能上有較大提高。很多廠家也開(kāi)始采用 PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) (FCS)在進(jìn)入九十年代中期以后發(fā)展也十分迅猛，以至于有些人已做出預(yù)測(cè)：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的 FCS 將取代 DCS成 為控制系統(tǒng)的主角。 14 2． 4 變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)運(yùn)行原理 ． 1 變槳系統(tǒng) 變槳控制系統(tǒng)包括三個(gè)主要部件，驅(qū)動(dòng)裝置－電機(jī)，齒輪箱和變槳軸承。從額定功率起，通過(guò)控制系統(tǒng)將葉片以精細(xì)的變槳角度向順槳方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的功率控制。如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障，另兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以安全地使風(fēng)機(jī)停機(jī) . 變槳控制系統(tǒng)是通過(guò)改變?nèi)~片迎角，實(shí)現(xiàn)功率變化來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。通過(guò)在葉片和輪轂之間安裝的變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)從而改變?nèi)~片迎角，由此控制葉片的升力，以達(dá)到控制作用在風(fēng)輪葉片上的扭矩和功率的目的。在 90 度迎角時(shí)是葉片的工作位置 。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，葉片向小迎角方向變化而達(dá)到限制功率。一般變槳角度范圍為 0～ 86度。采用變槳矩調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)性好、剎車(chē)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，葉片順槳后風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以逐漸下降、額定點(diǎn)以前的功率輸出飽滿、額定點(diǎn)以的輸出功率平滑、風(fēng)輪葉根承受的動(dòng)、靜載荷小。變槳系統(tǒng)作為基本制動(dòng)系統(tǒng)，可以在額定功率范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)機(jī)速度進(jìn)行控制。 變槳控制系統(tǒng)有四個(gè)主要任務(wù)： 1. 通過(guò)調(diào)整葉片角把風(fēng)機(jī)的電力速度控制在規(guī)定風(fēng)速之上的一個(gè)恒定速度。 2. 當(dāng)安全鏈被打開(kāi)時(shí)，使用轉(zhuǎn)子作為空氣動(dòng)力制動(dòng)裝置把葉子轉(zhuǎn)回到羽狀位 置（安全運(yùn)行）。 3. 調(diào)整葉片角以規(guī)定的最低風(fēng)速?gòu)娘L(fēng)中獲得適當(dāng)?shù)碾娏Α? 4. 通過(guò)衰減風(fēng)轉(zhuǎn)交互作用引起的震動(dòng)使風(fēng)機(jī)上的機(jī)械載荷極小化。 15 ． 2 偏航 系統(tǒng) 偏航系統(tǒng)的主要功能包括 ： 一是當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分