【正文】 有特別重要的意義。％。從風(fēng)能公式可以看出風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度成正比，其中和隨地理位置、海拔、地形等因素而變。如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 (13)由流體力學(xué)可知氣流的動能為 (14)設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過載面積為s的氣體的體積為V，則。如圖13所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。貝茨理論的建立依據(jù)的假設(shè)條件是假定風(fēng)輪是理想的，能全部接受風(fēng)能并且沒有輪轂，葉片是無限多，對氣流沒有任何阻力。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論 貝茨(Betz)理論世界上第一個關(guān)于風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較完整的理論是1919年由A因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電機(jī)運載到塔下的重要裝置。自我故障診斷及微機(jī)終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機(jī)以指令，微機(jī)再執(zhí)行自動控制程序。通常在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)電機(jī)一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。借助電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)艙以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種：可變漿距的調(diào)速裝置；定漿距葉尖失速控制的調(diào)速裝置；離心飛球調(diào)速裝置；空氣動力調(diào)速裝置；扭頭、仰頭調(diào)速裝置。 （8）調(diào)速裝置風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會隨風(fēng)速的變化而變化。 （7）塔架塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)，可以做成多對極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有以下幾種：① 直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。大型風(fēng)電機(jī)（100150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。（6）發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵的部件，是將風(fēng)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(jī)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)計在一起。由于風(fēng)輪機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)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(qiáng)度合金鋼制成。輪轂是連接葉片和主軸的零部件。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)化塑料（GRP）制造。 (2)風(fēng)輪葉片安裝在輪轂上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙機(jī)座回轉(zhuǎn)體制動器等）組成的。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風(fēng)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(fēng)輪動態(tài)特性的影響。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類[5]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個值可以將風(fēng)能密度公式對時間積分后平均來求得。 風(fēng)能資源的估算風(fēng)能的大小實際就是氣流流過的動能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為 (11)式中 為風(fēng)能(w)；為空氣密度(kg/m)；為風(fēng)速(m/s)。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。風(fēng)速是表示風(fēng)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(fēng)的參數(shù)風(fēng)向和風(fēng)速是兩個描述風(fēng)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(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī)概述 風(fēng)資源概述（1）風(fēng)的起源風(fēng)的形成乃是空氣流動的結(jié)果。（9）單機(jī)容量小由于風(fēng)能密度低決定了單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組無法相比。（7）實際占地面積小發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部從國外引進(jìn)，造價和電價相對比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá)20年。（2）建設(shè)周期短一個十兆瓦級的風(fēng)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。XX本科畢業(yè)設(shè)計說明書風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的建立畢業(yè)論文第一章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理 風(fēng)力發(fā)電的基本原理 風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)能具有一定的動能，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動風(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單，最簡單的風(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（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。（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，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)一臺。（5）造價低 從國外建成的風(fēng)電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和常規(guī)能源發(fā)電相比具有競爭力。（6）運行維護(hù)簡單現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動化水平很高，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)，還可以獨立運行，因此對于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實可行性。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時無風(fēng)有時又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實際問題。風(fēng)就是水平運動的空氣，空氣運動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所測得各瞬時風(fēng)速的平均值。風(fēng)玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。（3）風(fēng)能的基本情況[1]風(fēng)能的特點風(fēng)能的特點主要有：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、另外不須能源運輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。由于風(fēng)速是一個隨機(jī)性很大的量，必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況，一個地方風(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 （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)計的額定風(fēng)速時，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。（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）制動器制動器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的裝置，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)，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時轉(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)輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風(fēng)輪對準(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、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、塔架振動、電纜過纏繞、電網(wǎng)電壓、電流、頻率等傳感器的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，輸送給單片機(jī)再按設(shè)計程序給出各種指令實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、運行中機(jī)組故障的自動停機(jī)、自動電纜解繞、過振動停機(jī)、過大風(fēng)停機(jī)等的自動控制。風(fēng)電場的機(jī)組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機(jī)會在微機(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)真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時間時，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)還會配備有拉動開關(guān)在電纜扭曲太厲害時被激發(fā)，斷開裝置或剎車停機(jī)，然后解纜。貝茨(Betz)建立的。而空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的(或稱為是平行風(fēng)輪軸線的)，滿足以上條件的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，則有 。如果以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量，此時氣體所具有的動能為 (15)的單位是kg/m3；V的單位是m3；的單位是m/s；T的單位是W。風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 (16)式中 ——空氣當(dāng)時的密度風(fēng)輪所接受的功率為 (17)所以經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化 (18)式中 ——空氣質(zhì)量 (19) (110)因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率P分別為 (111) (112)風(fēng)速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對微分求最大值得 (113)令其等于0，求解方程得 (114) (115)16/27=0．593，稱作貝茨功率系數(shù) (116)而正是風(fēng)速為的風(fēng)能，故 (117)=0．593，說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率為風(fēng)吹過葉片掃掠面積的風(fēng)能的59．3％。通常風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到59．3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、。（1）風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)輪機(jī)從自然風(fēng)能中吸到能量的大小和程度可以用風(fēng)能利用率系數(shù)表示 (118)（2）葉尖速比為了表示風(fēng)輪在不同的風(fēng)速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量稱為葉尖速比 (119)低速風(fēng)輪取較小值；高速風(fēng)輪取較大值。 (120) (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。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。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。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)。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。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。