【正文】 度，中國(guó)在 2020 年末風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到 1 億千瓦的目標(biāo)將提前一年實(shí)現(xiàn)。 2020年，國(guó)際上公認(rèn)中國(guó)很難建成自主化的海上風(fēng)電項(xiàng)目，然而，華銳風(fēng)電科技集團(tuán)中標(biāo)的上海東海大橋項(xiàng)目，用完全中國(guó)自主的技術(shù)和產(chǎn)品，用兩年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)，并于 2020 年成功投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，令世界風(fēng)電行業(yè)震驚。此外，中國(guó)華銳、金風(fēng)、東汽、海裝、湘電等企業(yè)已開始研制單機(jī)容量為 5MW 的風(fēng)電機(jī)組。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè) MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)量的增加， 2020 年 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量占到當(dāng)年新增市場(chǎng)的 51%， 2020 年占到 %， 2020 年占到 %。 受國(guó)際風(fēng)電發(fā)展大型化趨勢(shì)的驅(qū)使，國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)取得了不俗的成果。從 90 年代初期在山東容城建設(shè)了第一個(gè)商 業(yè)化風(fēng)力發(fā)電廠， 到 2020 年底，中國(guó)以約 萬千瓦的累積風(fēng)電裝機(jī)容量首次超越美國(guó)位居世界第一，較 2020 年同比大增 62%。這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源并且在時(shí)間上冬春季風(fēng)大、降雨量少，夏季風(fēng)小、降雨量大，而風(fēng)電正好能夠彌補(bǔ)火電的缺陷并與水電的枯水期和豐水期有較好的互補(bǔ)性。 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 風(fēng)能資源作為一種可再生能源取之不盡，中國(guó)更是風(fēng)能大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)風(fēng)能的技 術(shù)開發(fā)量可達(dá) 3 億千瓦 6 億千瓦，而且中國(guó)風(fēng)能資源分布集中，有利于大規(guī)模的開發(fā)和利用。歐洲風(fēng)能委員會(huì) CEWER)對(duì) I99I 年歐洲風(fēng)能發(fā)展目標(biāo)作了修改，新的 EWEA 目標(biāo)是 :歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量到 2020 年約為 8000MW,2020 年為 100000MW。丹麥?zhǔn)情_發(fā)風(fēng)電最早的國(guó)家，而且當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和生產(chǎn)方面等仍處于領(lǐng)先地位，全國(guó)裝機(jī)容量 148 萬 kW，占發(fā)電總裝機(jī)容量的 5%以上。國(guó)外風(fēng)電 的發(fā)展趨勢(shì)，一是發(fā)展速度加快，二是風(fēng)機(jī) 機(jī)組從小型化向大型化發(fā)展 ,海上風(fēng)電廠是下一步發(fā)展的主流。經(jīng)過四、五年時(shí)間的整合，國(guó)際上風(fēng)機(jī)制造業(yè)大約有十幾家比較好的大企業(yè)。 世界上風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 近年來，世界風(fēng)電發(fā)展持續(xù)升溫，速度加快。 隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，單機(jī)容量為 3 6MW 的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行。有人把風(fēng)電的 發(fā)展規(guī)劃為 3 步曲，陸上風(fēng)電技術(shù)（當(dāng)前技術(shù)）一近海風(fēng)電技術(shù)（正研發(fā)技術(shù)）一海上風(fēng)電技術(shù)（未來發(fā)展方向）。迄今為止，世界上已有 82 個(gè)國(guó)家在積極開發(fā)和應(yīng)用風(fēng)能資源。近年來，在歐洲大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的國(guó)家還有法國(guó)、英國(guó)、葡萄牙、丹麥、荷蘭、奧地利、瑞典、愛爾蘭。 2020 年全球裝機(jī)容量達(dá)196630MW，新裝機(jī)容量 37642MW，比去年同期增長(zhǎng) %。從 20 世紀(jì) 80 年代問世的現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，只經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，世界上 已 有近 50 個(gè)國(guó)家開發(fā)建設(shè)了風(fēng)電場(chǎng) (是前期總數(shù)的 3 倍 )， 2020 年底，風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量約 31128 兆瓦 (是前期總數(shù)的 300 倍 )。我國(guó)的風(fēng)能資源豐富，可利用的潛能很大，大力發(fā)展風(fēng)、水電是我國(guó)長(zhǎng)期的能源政策。 1 緒論 國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 風(fēng)能屬于可再生能源，具有取之不盡、用 之不竭、無污染的特點(diǎn)。 我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)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。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(duì)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。在實(shí)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(cè)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。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì) 摘要 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 電氣 控制 技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。 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(chǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問題。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)。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。 關(guān)鍵詞 ： 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 ； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論 ； 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng) ； 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性 ； 變槳距控制系統(tǒng) 。人類面臨的能源、環(huán)境兩大緊迫問題使風(fēng)能的利用日益受到重視。而其中風(fēng)電是可再生能源中最具發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)開發(fā)價(jià)值的能源方式。 2020 年以來，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)率為 %，新增裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)率為 %，保持著世界增長(zhǎng)最快能源的地位。 目前，德國(guó)、西班牙和意大利三國(guó)的風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量約占到歐洲總量的 65%。歐洲之外，發(fā)展風(fēng)電的主要國(guó)家有美國(guó)、中國(guó)、印度、加拿大和日本。 海上風(fēng)力資源條件優(yōu)于陸地，將風(fēng)電場(chǎng)從陸地向近海發(fā)展在歐洲已經(jīng)成為一種新的趨勢(shì)。 2020 年北美的裝機(jī)容量有顯著下降，美國(guó)年度裝機(jī)容量首度不及中國(guó)；多數(shù)西歐國(guó)家風(fēng)能發(fā)展處于飽和階段，但風(fēng)能產(chǎn)業(yè)在東歐國(guó)家得到顯著發(fā)展；非洲風(fēng)能發(fā)展主要集中在北非。美國(guó) 7MW 風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)研制成功，正在研制 10MW 機(jī)組；英國(guó) 10MW 機(jī)組也正在進(jìn)行設(shè)計(jì)，挪威正在研制 14MW 的機(jī)組，歐盟正在考慮研制 20MW 的風(fēng)電機(jī)組，全球各主要風(fēng) 電機(jī)組制造廠家都在為未來更大規(guī)模的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)做前期開發(fā)?，F(xiàn)主要以德國(guó)、西班牙、丹麥和美國(guó)的一些公司為代表，大規(guī)模地促進(jìn)了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化和風(fēng)機(jī)設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。 2020 年底，全世界風(fēng)電是 3800 萬千瓦左右，而 2020 年一年就增加了 400 多萬千瓦，僅德國(guó)到 2020年底的裝機(jī)容量就有 1600 萬千瓦，其次是西班牙、美國(guó)、丹麥等國(guó)。 全世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量 :1981 年為 105 萬 kW,1994 年為 350 萬 kW,1995 年達(dá)到 490 萬 kW,1996 年底為 607 萬 kW,1997 年升至 780 萬 kW,1998 年已達(dá)到 萬kW,2020 年 5 月已超過 1429 萬 kWa 德國(guó)風(fēng)力發(fā)電在裝機(jī)容量方面居于世界領(lǐng)先地位，2020 年 5 月已達(dá)到 4635 萬 kW。國(guó)際上許多國(guó) 家都制定了新世紀(jì)的風(fēng)力發(fā)電計(jì)劃，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)己制定出 2020年歐洲風(fēng)能裝機(jī)容量 lOSMW 的目標(biāo)，并寫入了歐共體關(guān)于可再生能源的白皮書 。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和丹麥能源與發(fā)展論壇的研究報(bào)告表明 :在 20 年內(nèi)風(fēng)力發(fā)電可以滿足世界電力需求量的 10%。據(jù)考察中國(guó)的風(fēng)能資源主要集中在兩個(gè)帶狀地區(qū)，一條是“三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶”即西北、華北和東北的草原和戈壁地帶；另一條是“沿海及其島嶼地豐富帶”，即東部和東南沿海及島嶼地帶。 80 年代初， 200 千瓦風(fēng)機(jī)的研制開發(fā)工作開始實(shí)施。按照國(guó)家電網(wǎng)此前出具的研究報(bào)告，到 2020 年，電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)可吸納風(fēng)電上網(wǎng)的規(guī)模達(dá) 1 億千瓦，到 2020 年可達(dá) 億千瓦。 2020 年，中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)新安裝的 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組（≥ 1MW）僅占當(dāng)年新增裝機(jī)容量的 %。 2020 年中國(guó)在多 MW 級(jí)（≥2MW）風(fēng)電機(jī)組研制方面取得新的成果，如金風(fēng)科技股份有限公司研制的 和3MW 的風(fēng)電機(jī)組已在風(fēng)電場(chǎng)投入試運(yùn)行；華銳風(fēng)電科技股份有限公司研制的 3MW 海上風(fēng)電機(jī)組已在東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電；由沈陽 工業(yè) 大學(xué)研制的 3MW 風(fēng)電機(jī)組也已經(jīng)成功下線。中國(guó)開始全面邁進(jìn)多 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組研制的領(lǐng)域。 報(bào)告預(yù)測(cè)， 2020 年，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量很可能達(dá)到 千兆瓦，在 2020 年達(dá)到 17千兆瓦， 2020 年達(dá)到 18 千兆瓦。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電在控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)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(cè)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。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(duì)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。 我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)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 的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)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(jī)發(fā)電 的 。 風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡(jiǎn)單 ，最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片 和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖 11 所示。 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn) （ 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(diǎn)。 （ 3）裝機(jī)規(guī)模靈活 可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺(tái)資金就可以安裝一 臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)。 （ 5）造價(jià)低 從國(guó)外建成的風(fēng)電場(chǎng)看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時(shí)電價(jià)都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。 （ 6）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單 現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)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(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問題。 （ 8）發(fā)電方式多樣化 風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運(yùn)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(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行，因此對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時(shí)無風(fēng)有時(shí) 又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實(shí)際問題。風(fēng)就是水平運(yùn)動(dòng)的空氣 ， 空氣運(yùn)動(dòng)主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強(qiáng)度不同而形成的。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在 66． 5176。地球上某處所接受的太陽輻射能 與該地點(diǎn)太陽照射角的正 弦成正比。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)速是指某一高度連續(xù) 10min 所測(cè)得各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。 風(fēng)玫瑰圖是一個(gè)給定地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。 （ 3）風(fēng)能的基本情況 [1] ○ 1 風(fēng)能的特點(diǎn) 風(fēng)能的特點(diǎn)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(yùn)輸 、 可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。 由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量 ， 必須通過一段時(shí)間的觀測(cè)來了解它的平均狀況 ，一個(gè)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。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(jī) 的 理論 [4] 風(fēng)輪機(jī)又稱 為 風(fēng) 車 ， 是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。按主軸與地面相對(duì)位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。它的主要機(jī)械部件都在機(jī)艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。 在本文中以后不做 特殊 說明時(shí)所指的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 (1)機(jī)艙 機(jī)艙包 含 著風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機(jī) 等 。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。 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(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的額定風(fēng)速時(shí)，在風(fēng)輪上就要采取措施，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率不會(huì)超過允許值。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(jì)。 （ 3）增速器 增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一。 使用齒輪箱可以將風(fēng)電機(jī)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(jī)上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。 （ 5）制動(dòng)器 制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，也稱剎車。 發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。然后電流通過風(fēng)電機(jī)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(zhǔn)。 ② 永磁發(fā)電機(jī)，常用在 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。 ③ 同步或異步交流發(fā)電機(jī)，它的電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。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(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。為了使風(fēng)輪運(yùn)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(shí)調(diào) 速。 （ 9）調(diào)向（ 偏航） 裝置 調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。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。 （ 10） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng) [11] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的微機(jī)控制屬于離散型控制，是將風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、頻率、電流、發(fā)電機(jī)溫升、增速器溫升、機(jī)艙振動(dòng)、塔架振動(dòng)、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，輸送給單片機(jī)再按設(shè)計(jì)程序給出各種指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、運(yùn)行中機(jī)組故障的自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞、過振動(dòng)停機(jī)、過大風(fēng)停機(jī)等的自動(dòng)控制。風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組群可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機(jī)會(huì)在微機(jī)總站的微機(jī)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(jī)真正實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無人職守的自動(dòng)控制。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長(zhǎng)時(shí)間時(shí) ， 電纜將越來越扭曲 ，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障 。風(fēng) 力發(fā) 電機(jī)還會(huì)配備有拉動(dòng)開關(guān)在電纜扭曲太厲害時(shí)被激發(fā) ，斷開裝置或剎車停機(jī)，然后解纜 。在實(shí)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(cè)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。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的