【導(dǎo)讀】本論文詳細(xì)闡明了小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和。電能的變換及繼電控制電路做了深入的研究。了全面而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，最后電氣控制部分進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。

　　

【正文】 機(jī)發(fā)電相比，利用小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢(shì)。例如在內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，利用小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本約2 元 /KW 左右。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本高于 8元 /KW。在這些地區(qū)，利用汽油／柴油發(fā)電機(jī)的供電，考慮油料的運(yùn)輸成本，農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本也要高于 6 元 /KW。 化石能源資源枯竭與供應(yīng)安全 進(jìn)入工業(yè)社會(huì)后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經(jīng)過了多次能源危機(jī)。人們開 始認(rèn)識(shí)到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。目前石油儲(chǔ)量約 1300億噸，年消耗量約 35 億噸，計(jì)今后 25 年中平均年消耗量將達(dá) 50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計(jì)總儲(chǔ)量也不會(huì)超過 2020億噸，有油資源在四五十年后也將枯竭。為了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)務(wù)之急是尋找和研究利用其他可再生資源。 3 風(fēng)能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。一些國家要靠進(jìn)口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費(fèi)。風(fēng)能的開發(fā)利用可以減少對(duì)國外能源的依賴，并加強(qiáng)本國的能源供應(yīng)安全水平，國內(nèi)的化 石能源價(jià)格變化較小，社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性也因此而增強(qiáng)。 促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級(jí) 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)屬于新興技術(shù)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進(jìn)入市場(chǎng)，將給整個(gè)能源產(chǎn)業(yè)帶來新的活力，成為國民經(jīng)濟(jì)的一種新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。一個(gè)國家如果開發(fā)利用風(fēng)能技術(shù)早，就有可能占據(jù)風(fēng)能利用的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。 環(huán)境驅(qū)動(dòng)力 除了人們?cè)缦日J(rèn)識(shí)到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認(rèn)識(shí)到二氧化碳等溫室氣體的大量排放對(duì)全球氣候變暖給人類社會(huì)帶來的有害影響。冰山消融、海平面升高、大 氣環(huán)流和海洋異常導(dǎo)致自然災(zāi)害的頻發(fā)、土地沙漠化，使 “ 地球村 ” 的效應(yīng)更加明顯，各國都認(rèn)識(shí)到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。為減緩地球變暖， 1997 年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第 3 次大會(huì)上， 84國代表審議通過《京都議定書》，要求工業(yè)發(fā)達(dá)國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。風(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會(huì)產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會(huì)帶來全球環(huán)境污染。 社會(huì)驅(qū)動(dòng)力 風(fēng)能份額增加時(shí)，會(huì)創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機(jī)會(huì) 。除了 4 在工廠的生產(chǎn)和裝機(jī)工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設(shè)備維護(hù)方面也會(huì)提供就業(yè)機(jī)會(huì)。另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風(fēng)能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題，得到了公眾的支持。許多民眾十分關(guān)注風(fēng)能的發(fā)展，并將利用風(fēng)能和其他可再生能源當(dāng)成他們的生活方式。綠色電力的發(fā)展就是一個(gè)典型的例予，人們自愿以高于化石電力的價(jià)格購買風(fēng)電和其他可再生能源電力。 技術(shù)驅(qū)動(dòng)力 隨著科技的進(jìn)步，空氣動(dòng)力理論的不斷發(fā)展、新型高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷改進(jìn)，機(jī)械、電氣、電子元件制造技術(shù)的成熟，為風(fēng)電 技術(shù)向大功率、高效率、高可靠性和高度自動(dòng)化方向發(fā)展提供了條件。 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 80 年代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制取得了巨大進(jìn)展。 1987 年美國研制出單機(jī)容量為 的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。 1987 年加拿大研制出單機(jī)容量為 的立軸達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于魁北 克省的凱普一柴特。進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代，單機(jī)容量在 100KW 以上的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。到 20 世紀(jì) 90 年代，單機(jī)容量為 100～ 200KW 的機(jī)組已在中型和大型風(fēng)電場(chǎng)中成為主導(dǎo)機(jī)型。同時(shí)單機(jī)容量在 1MW 以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也研制開發(fā)成功，并在風(fēng)電場(chǎng)中成功運(yùn)行。世界風(fēng)電總裝機(jī)容量 1997 年底為 746 萬 KW，1998 年底為 1015 萬 KW， 1999 年底風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究為 1393 萬 KW， 2020 年達(dá) 1845 萬 KW， 2020 年達(dá) 2493萬 KW， 2020 年達(dá) 3112KW，平均年增長率在 30%以上。歐洲風(fēng)能協(xié) 5 會(huì)預(yù)計(jì)，全世界到 2020 年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量將超過 1 億 KW，占?xì)W洲總發(fā)電量的 20%以上。世 界能源委員會(huì)預(yù)計(jì)，全世界到 2020年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá) 億～ 億 KW。 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀 中國風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。目前風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)組的研制開發(fā)重點(diǎn)分兩方面，一是 1KW 以下獨(dú)力運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，二是 100KW 以上并網(wǎng)運(yùn)行的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 20 世紀(jì) 80 年代中期，中國開始規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)。 1983年在山東榮城引進(jìn) 3臺(tái)丹麥 55KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開始并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范。 1986 年在新疆達(dá)坂城安裝了 1臺(tái) 100KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組， 1989 年又安裝了 13 臺(tái) 150KW 風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝 5 臺(tái)美國 100KW 機(jī)組，開始了中國風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的試驗(yàn)和示范。特別近年來，中國的風(fēng)力風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到 2020 年底，中國共建有 27 座風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī) 812 臺(tái)，總?cè)萘? 方 KW。目前正處 于前期工作階段和正在建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)以遍及 10 多個(gè)省、市和自治區(qū)。 風(fēng)力發(fā)電展望 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機(jī)容量不斷增大上。目前主流發(fā)電機(jī)組的功率，以上升到 600～ 750KW， MW級(jí)的機(jī)組也成批生產(chǎn)， 24MW 級(jí)的機(jī)組已在實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)。 這就必然要采用一些新的復(fù)合材料和新的技術(shù)。例如，單機(jī)容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為 2MW 的風(fēng)力機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑達(dá)72m。目前最長的葉片以做到 50m。槳葉材料由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展為強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉是根據(jù)直升飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)的，而風(fēng)力機(jī)的槳葉運(yùn)行在與直升飛機(jī)很不同的空氣動(dòng)力環(huán)境中。對(duì)葉型的進(jìn)一步改進(jìn)，增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。例如，在美國，國家可再 6 生能源實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風(fēng)力機(jī)槳葉捕捉風(fēng)能的能力要大 20%。目前，丹麥、美國、 德國等風(fēng)電科技較發(fā)達(dá)的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)條件致力與新葉型的從理論到應(yīng)用的研究開發(fā)。在中、大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風(fēng)能。地處平坦地帶的風(fēng)力機(jī)。在 50m 高處捕提的風(fēng)能要比 30m 高處多 20%。尤其值得注意的是 ， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī) ， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定 的交流電整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。由于他被設(shè)計(jì) 成在幾乎所有的風(fēng)況下都能獲得較大的空氣動(dòng)力效率，因而提高了捕捉風(fēng)能的效率，試驗(yàn)表明，在平均風(fēng)速 ，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要比恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多捕獲 15%的風(fēng)能，同時(shí)每由于機(jī)艙重量減輕和改善了傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)減輕，塔架等基礎(chǔ)費(fèi)用也可降低。其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)未來的發(fā)展趨向?qū)⒓性冢禾岣邫C(jī)群安裝場(chǎng)地選擇的準(zhǔn)確性；進(jìn)機(jī)群布局的合理性：提高運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性，實(shí) 現(xiàn)運(yùn)行的最佳控制；進(jìn)一步降低設(shè)備投資及發(fā)電成本；總裝機(jī)容量在 1MW 以上的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)將占據(jù)主導(dǎo)地位，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級(jí)的。 7 2 風(fēng)力機(jī)理論 基本公式 風(fēng)能利用系數(shù) 風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收的能量大小程度用風(fēng)能利用系數(shù) Cp表示。橫截面積為 s(m2)的氣流的動(dòng)能為 E= 式中 ρ—— 空氣密度，㎏ /m3 Vf —— 風(fēng)速， m/s 如果風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得的軸功率為 P,那么風(fēng)能利用系數(shù)為 CP=P/E=P/() （ 21） 風(fēng)壓強(qiáng) 如圖 21a，根據(jù)伯努力方程，風(fēng)中物體受到的風(fēng)壓 Q為 Q= 式中 C—— 空氣阻力系數(shù)與物體形狀有關(guān)，平板一般取 2 Vf—— 風(fēng)與平板的相對(duì)速度 阻力式風(fēng)力機(jī)的最大效率 建立簡(jiǎn)單的理想模型，一個(gè)平板在風(fēng)的氣動(dòng)壓力作用下沿著風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng)，如圖 2l（ b），并規(guī)定平板上游一定距離上的風(fēng)速為 Vf，平板的運(yùn)動(dòng)速度為 V，那么平板吸收的功率可以表示為 P=FV=QSV 式中 F—— 板受到風(fēng)的壓力，牛頓 S—— 平板的面積， m2 8 圖 21 平板模型 F=QS=(VfV)2 所以 P=(VfV)2V (22) 對(duì)給定的上游風(fēng)速玲，可以寫出以平板的運(yùn)動(dòng)速度 V為函數(shù)的功率變化關(guān)系式，對(duì) V進(jìn)行微分得 dp／ dv=CP(VfV)(VfV／ 3) 令 dp／ dv=0， 可以得到兩個(gè)解： 1） V1=Vf沒有物理意義 2） V2=Vf／ 3對(duì)應(yīng)于最大值 Pmax=(4C/27) CPmax=4C/27 (23) 從上式中可以看出，阻力式風(fēng)力機(jī)的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設(shè) 法提高風(fēng)的阻力系數(shù) C。 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出效率 最理想的風(fēng)力機(jī)也不可能吸收全部的風(fēng)能，而只能吸收部分風(fēng)能。如上一節(jié)推導(dǎo)的那樣，有一個(gè)最大風(fēng)能利用系數(shù) Cpmax。但是，風(fēng)力機(jī)在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實(shí)際的風(fēng)力機(jī)和理想的風(fēng)力機(jī)之間也有差異。實(shí)際風(fēng)力機(jī)吸收的功率與理想風(fēng)力機(jī)吸收的功率的比值叫做風(fēng)力機(jī)的效率。用 η 1表示。另外還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率甲 η 2和發(fā)電機(jī)的效率 η 3等，所以實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的效率，可以表示為 9 η = η 1 η 2 η 3 工作風(fēng)速與輸出功率 風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了克服其內(nèi)部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)力矩。啟動(dòng)力矩主要與風(fēng)力機(jī)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻力有關(guān) 因此風(fēng)力機(jī)有一最低工作風(fēng)速稱 Vfmin，只有風(fēng)速大于 Vfmin時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。 當(dāng)風(fēng)速超過某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮 (主要是塔架和槳葉強(qiáng)度 )，風(fēng)力機(jī)應(yīng)該停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每一臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高風(fēng)速 Vfmax，最高風(fēng)速 Vfmax與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。 最小風(fēng)速稱 Vfmin，和最大風(fēng)速 Vfmax之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作 風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速叫做該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。 啟動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速的選定 如何根據(jù)風(fēng)能資源來選用風(fēng)力機(jī)，使風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳，確定起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速是關(guān)鍵。 （ 1） 雙參數(shù)威布爾分布 風(fēng)能就是流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能。單位時(shí)間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動(dòng)能叫風(fēng)能密度，設(shè) ρ為空氣密度， V為風(fēng)速，則風(fēng)能密度 p=， p隨 V的立方增大，變化非?？欤手里L(fēng)速的變化情況是利用風(fēng)能的先決條件。 風(fēng)速 V是隨機(jī)變量，經(jīng)研究專家們多 認(rèn)為用雙參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)擬合風(fēng)速頻率分布最好腳。威布爾分布函數(shù)形如下式 其中 K為形狀參數(shù)，無量綱， C為尺度參數(shù)，量綱為 ms1。不同地區(qū)，不同時(shí)期參數(shù) K、 C是不同的，可根據(jù)某地連續(xù) 30年的風(fēng)資料算出該地的 K、C參數(shù)，威布爾分布函數(shù)曲線見圖 22。參數(shù) K、 C影響曲線形狀， K大 C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。 10 圖 22 威布爾分布函數(shù)曲線 上式滿足 (24) （ 2）起動(dòng)風(fēng)速 啟動(dòng)風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由靜止開始轉(zhuǎn)動(dòng)并能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最小風(fēng)速 :風(fēng)力機(jī)分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一 形式還有若干種規(guī)格，只有科學(xué)地選擇適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源的風(fēng)力機(jī)，才能以較少的投資獲取較多的風(fēng)能。 根據(jù)國內(nèi)外 100多種風(fēng)力機(jī)，起動(dòng)風(fēng)速的范圍是 2ms1，至 6ms1， 這一范圍能滿足風(fēng)能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。 雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)曲線峰值對(duì)應(yīng)的凡就是起動(dòng)風(fēng)速 (圖 22)。對(duì)上式求一階導(dǎo)數(shù)且令其等于 O有 11 解得 (25) 證明氣是出現(xiàn)概率最大的風(fēng)速。使用起動(dòng)力風(fēng)速大于上式計(jì)算的氣的風(fēng)力機(jī)會(huì)損失小風(fēng)速這一區(qū)段的風(fēng)能，使用起動(dòng)風(fēng)速小于上式計(jì)算的咋的風(fēng)力機(jī)是否更好呢 ?表面看低風(fēng)速的風(fēng)能得到更 多的利用，深入研究可知在之氣的較高風(fēng)速區(qū)風(fēng)能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結(jié)果的風(fēng)力機(jī)最為理想。 （ 3）額定風(fēng)速 額定風(fēng)速的選定直接影響風(fēng)能利用系統(tǒng)整體的效率和經(jīng)濟(jì)性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。 己知風(fēng)能密度 p=12ρv3，對(duì)一臺(tái)效率為 ?，槳葉半徑為廠的風(fēng)力機(jī)，輸出功率 w(V)的威布爾分布函數(shù)為 w(V)峰值對(duì)應(yīng)之風(fēng)速 VP應(yīng)是額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)力機(jī)提取的風(fēng)能最多。 令 (26)