【正文】 恒頻應(yīng)用中， 發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化只比同步轉(zhuǎn)速高 百分之幾， 但風速的變化范圍可以很寬。典型 PC 與 ? 和 ?的關(guān)系可用圖 23來表示。尖速比可 表示為 mRv??? （ 21） 式 中 m? 為風輪機的機械轉(zhuǎn)速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風速 (m/s)。 風輪機 的 氣動特性 [8] 風輪機 通過葉片捕獲風能 ， 將風能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。 必須 分 清 異步 發(fā)電機和功率變換器的絕對極限和常用上限的差別 ，盡量減小對電網(wǎng)的污染?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。 （ 2）變距控制 [7] 變槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，變距控制器是一個非線性比例控制器，它可 以補償比例閥的死帶和極限。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉(zhuǎn)子電流控制器對電機轉(zhuǎn)差進行調(diào)整，從而調(diào)整風輪轉(zhuǎn)速。 當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后電機并入電網(wǎng)。風輪從起運到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個連續(xù)變化的過程。這 時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。由于異步發(fā)電機的功率與轉(zhuǎn)速是嚴格對應(yīng)的，功率控制最終也是通過速度控制來實現(xiàn)的。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在 至 之間。風輪開始轉(zhuǎn)動。所有這些完成后，風力發(fā)電機組開始自動運行 于風輪的葉尖本來是 90176。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設(shè)、傳感器來的脈沖及比較所選的操作參數(shù)備份系統(tǒng)工作表，接著就正式起運。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (33) 式中 p—— 發(fā)電機的極對數(shù)； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。 ○ 8 發(fā)電機額定勵磁電流 發(fā)電機在額定運行時的勵磁電流。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。 ○ 6 發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 發(fā)電機在額定功率運行時的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。 ○ 4 發(fā)電機額定電壓 發(fā)電機額定運行時電壓為定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓，單位為 V。交流發(fā)電機分同步和異步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機也稱感應(yīng)交流發(fā)電機。 ○ 3 發(fā)電機是交流還是直流 微小型風力發(fā)電機常用直流發(fā)電機中、大型風力發(fā)電機常用交流發(fā)電機。它是風力發(fā)電機設(shè)計的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。 （ 2）異步風力發(fā)電機的參數(shù) ○ 1 風輪額定轉(zhuǎn)速 風輪額定轉(zhuǎn)速是風輪在額定風速時的轉(zhuǎn)速。 若電機用原動機驅(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。通常異步機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低于或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。異步機的定子與同步機基本相同，其轉(zhuǎn)子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉(zhuǎn)子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。但由于異步發(fā)電機具有結(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力發(fā)電機組中得到廣泛應(yīng)用。 異步電機一般稱感應(yīng)電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。 由于風電場的特殊性 ， 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)的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。 使用異步機作為風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機結(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。 異步發(fā)電機基本原理 （ 1） 異步發(fā)電機基本原理 發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的零部件， 是將風能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 ○10 風力發(fā)電機組應(yīng)具有手動控制功能（包括遠程遙控手操）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。 ○ 9 風力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)177。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風力發(fā)電機組應(yīng)停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。跟風控制跟風范圍177。 ○ 7 在大風停機和超速停機的情況下風力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖閘停機外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風力發(fā)電機組的機艙軸心線與風向成一定的角度增加風力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉(zhuǎn)約 90176。 ○ 6 風力發(fā)電機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。 15176。 ○ 4 當風速大于開機風速要求風力發(fā)電機組的偏航機構(gòu)始終能自動跟風。同樣在小風自動脫網(wǎng)停機后 5分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。停機后待風速降低到大風開機風速時風力發(fā)電機組又可自動并入電網(wǎng)運行。當風速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機組（小于 300kW）并網(wǎng)運行當風速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機組（大于 500kW）并網(wǎng)運行。 （ 3）利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機組主要進行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補償控制對變槳距風力發(fā)電機組主要進行最佳葉尖速比和額定風速以上的恒功率控制。風輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風力發(fā)電機組控制目標時應(yīng)結(jié)合它們的運行方式，重點實現(xiàn)以下目標： （ 1）控制系統(tǒng)保持風力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質(zhì)量地將不斷變化的風能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。 ○ 5 接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。 ○ 3 防雷設(shè)施及熔絲：控制 系統(tǒng)有專門設(shè)計的防雷保護裝置。 （ 3）控制保護要求 ○ 1 主電路保護：變壓器低壓側(cè)三相四線進線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器→維護操作安全和短路過載保護。 ○ 9 功率調(diào)節(jié)：當機組在額定風速以上并網(wǎng)運行時→失速型機組→發(fā)電機的功率不會超過額定功 率的 15%→過載→脫網(wǎng)停機。 ○ 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對風控制：機組在大風速或超轉(zhuǎn)速工作時→降低風力發(fā)電機組的功率→安全停機。 ○ 6 大風脫網(wǎng)控制： 10 分平均風速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機 械閘→安全停機→風速回到工作風速區(qū)后→恢復(fù)自動對風→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運動。 ○ 4 緊急故障脫網(wǎng)停機 :緊急故障 (飛車、超速、負荷丟失等 )→緊急停機→偏航控制（ 90 度）→脫網(wǎng)→機械剎車。 ○ 2 小風和逆功率脫網(wǎng) :機組在待風狀態(tài)→ 10 分平均風速小于脫網(wǎng)風速→脫網(wǎng)→風速再次上升→風機旋 轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達到控制目標方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。 ○ 3 控制功能和控制參數(shù) 節(jié)距限制、功率限制、風輪轉(zhuǎn)速、電氣負荷的連接、起動和停機過程、電網(wǎng)或負荷丟失時的停機、扭纜的限制、機艙對風、運行時電量和溫度的限制。 風力發(fā)電機組的基本控制要求 風力發(fā)電機組運行的控制要求 (1)控制思想 [3] ○ 1 定槳距失速型機組控制 風速超過風力發(fā)電機組額定風速以上時，為確保風力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導致風力發(fā)電機組過載，通過空氣動力學 的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。因此對于一個 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說 ,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮 ,必須引起足夠的重視。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風力發(fā)電機組的聲譽。 3 風力發(fā)電 電氣 控制系統(tǒng) 的設(shè)計 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。因此風 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。 （ 11）電纜扭纜計數(shù)器 電纜 是 用來將電流從風電機運載到塔下 的重要裝置 。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。通常在 風改變其方向時 ， 風電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。 借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以 使轉(zhuǎn)子正對著風。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。 （ 8）調(diào)速裝置 風速是變化的，風輪的轉(zhuǎn)速也會隨風速的變化而變化。 （ 7）塔架 塔架是支撐風力發(fā)電機的支架。現(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，特別適合風力發(fā)電機。 風力發(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、小型風力發(fā)電機上。 大型風電機（ 100150 千瓦）通常產(chǎn)生 690伏特的三相交流電。 （ 6）發(fā)電機 發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件， 是將風能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 （ 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)圖 計在一起。由于風輪機工作在低轉(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。 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。 輪轂是連接葉片和主軸的零部 件。 葉片是風力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件， 現(xiàn)代風 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。 (2)風輪 葉片安裝在輪轂上稱作風輪 ， 它包括葉片、輪轂、主軸等。 水平軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 大中型風力發(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。而生產(chǎn)垂直軸風力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風力發(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。 水平軸風力發(fā)電機是目前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要 優(yōu)點是風輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風輪動態(tài)特性的影響。 風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成 風力發(fā)電機的分類 [5] 風力發(fā)電機組是將風能轉(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）風力發(fā)電機組。風輪機的類型很多通常將其分為水平軸風輪機垂直軸風輪機和特殊風輪機三大類。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風能密度 ， 這個值可以將風能密度公式對時間積分后平均來求得。 ○ 2 風能資源的估算 風能的大小實際就是氣流流過的動能 ， 因此可以推導出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風能 ， 即風功率為 V??? (11) 式中 ? 為風能 (w)； ? 為空氣密度 (kg/m )； v 為風速 (m/s)。通過它可以得知當?shù)氐闹鲗эL向。一般以草地上空 10m高 處 的 10min 內(nèi)風速的平均值為參考。風速是表示風移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。 （ 2）風的參數(shù) 風向和風速是兩個描述風的重要參數(shù)。 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。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。 風資源及風輪機 概述 風資源概述 （ 1）風的起源 風的形成乃是空氣流動的結(jié)果。 （ 9）單機容量小 由于風能密度低決定了單臺風力發(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。 （ 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、漁使用。我國由于中大型風力發(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，在不久的將來風力發(fā)電的造價和電價都將低于火力發(fā)電。 （ 4）可靠性高 把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風力發(fā)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風力發(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。 （ 2）建設(shè)周期短 一個十兆瓦級的風電場建設(shè)期不到一年?？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。依據(jù)目前的風車技術(shù) ， 大約 3m/s 的 微風 速度便可以開始發(fā)電。 2 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 風力發(fā)電的基本原理 風力發(fā)電的基本原理 風能具有一定的動能，通過風輪機將風能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。因此對于一個風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說 ,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真 加以考慮 ,必須引起足夠的重視。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接影響風力發(fā)電機組的聲譽。 論文主要內(nèi)容的 簡介 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)工作的安全可靠性已成為風力發(fā)電系統(tǒng)能否發(fā)揮作用，甚至成為風電場長期安全可靠運行的重大問題。按照這個增長速