【正文】 （ 1）風(fēng)的起源 風(fēng)的形成乃是空氣流動的結(jié)果。 （ 9）單機容量小 由于風(fēng)能密度低決定了單臺風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(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)電機組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)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(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(fēng)車技術(shù) ， 大約 3m/s 的 微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。 第二章 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)輪機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。 本設(shè)計的目的與意義 由前兩節(jié)所述可知，風(fēng)能的開發(fā)利用不僅具有可觀的經(jīng)濟效益，還能帶來 巨大的社會效益，我國現(xiàn)在的風(fēng)能發(fā)展還處于一個剛起步的階段，雖取得一定成績，但還遠遠不夠，在未來幾十年里，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)還會繼續(xù)保持高速發(fā)展的勢頭，本人未來工作所屬風(fēng)力發(fā)電，由于在校期間涉及風(fēng)力發(fā)電知識不多，所以作此設(shè)計，從最簡單的定漿矩風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)入手來熟悉風(fēng) 力發(fā)電的基本原理概念、風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本知識等，以便為未來工作以及做更深的研究打下基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，專家們認為我國風(fēng)力發(fā)電的裝機容量至少應(yīng)達到一億 kW。 風(fēng)力發(fā)電機組是涉及控制、機電、材料、鋼結(jié)構(gòu)等多學(xué)科多專業(yè)的機電一體化產(chǎn)品，它的產(chǎn)業(yè)化，可帶動一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有利于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。在我國的能源結(jié)構(gòu)中，雖然煤的比例最大，但可開采量有限，并帶來環(huán)境、交通等諸多問題。 風(fēng)能在轉(zhuǎn)化成電能的過程中，只降低了氣流的速度，沒有給大氣造成任何污染。我國酸雨區(qū)域在迅速的擴大，已超過國土面積的 40%。 我國燃燒煤釋放的 2SO 占全國總排放量的 85%， 2CO 占 85%， xNO 占 60%，煙塵占 70%。 能源生產(chǎn)利用對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的損害，是中國環(huán)境問題的核心。而我國目前的風(fēng)電成本不高于 元/kW國內(nèi)如果采用該項技術(shù)，需對現(xiàn)有的火力發(fā)電設(shè)備進行一次徹底的改造，則火力發(fā)電的建設(shè)成本將增加30%，上網(wǎng)電價可能達到 元 /kW 表 11 燃燒電廠的平均上網(wǎng)電價（含稅） 機組類型 電價 2 30萬 kW機組 2 35萬 kW機組 無脫硫 有脫硫 無脫硫 有脫硫 上網(wǎng)電價、（元、 kW國內(nèi)可以制造的其他主要部件包括漿葉、發(fā)電機、齒輪箱、機艙、主軸、塔架、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，為我國大型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電機組國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。有沿海（山東、浙江、福建、廣東）和東北至西北包括內(nèi)蒙古、新疆、甘肅兩大風(fēng)帶，風(fēng)的質(zhì)量很好，為開發(fā)風(fēng)力發(fā)電提供了基礎(chǔ)環(huán)境和條件。 2021 年 10月，全世界發(fā)電機裝機容量突破了 20210MW，其中當(dāng)年新增容量達到 500MW，此后，世界風(fēng)力發(fā)電機組裝機容量每年以高于 25%的速度遞增，直至今年，全世界風(fēng)力發(fā)電機組裝機容量已突破 100GW。 h。因此，對可再生能源的開發(fā)利用，特別是對風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。 第一章 緒論 風(fēng)力發(fā)電概況 能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。據(jù)專家們估計，地球上所接受的太陽輻射大約 2%轉(zhuǎn)換成了風(fēng)能，裝機容量可達10TW，每年發(fā)出電力 13PW 近 20年來，發(fā)達國家在風(fēng)能的開發(fā)利用方面已取得了驚人的成就， 20世紀(jì) 80 年代問世的現(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組，只經(jīng)過幾年的發(fā)展便迅速實現(xiàn)了商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，到 90 年代 中期已形成了一個規(guī)模巨大的風(fēng)力機工業(yè)。 我國是世界上風(fēng)力資源較為豐富的國家之一，全國可開發(fā)利用的風(fēng)能越 億 kW。近 10年來，國內(nèi)在新疆、內(nèi)蒙、廣東、浙江、遼寧等地利用外國機組建立 了 26 個風(fēng)電場，總裝機容量約 400MW，與此同時國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組的開發(fā)也取得了一定的成果，其中包括“八五”期間開發(fā)成功的 200kW/250kW 風(fēng)力發(fā)電機組和在“九五”期間開發(fā)的 600kW 風(fēng)力發(fā)電機組，并成功開發(fā)了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的當(dāng)?shù)乜刂坪瓦h程控制系統(tǒng)，使大型風(fēng)力發(fā)電機組的一項關(guān)鍵技術(shù)得到了解決。 風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟效益與社會效益 如果以我國目前使用最普遍的 30kW 級活力發(fā)電 機組為例測算其發(fā)電的上網(wǎng)電價，結(jié)果如表 11 所示。 h） 由于火力發(fā)電廠每年向大氣排放數(shù)百億噸的有害氣體，給全球環(huán)境造成了極大的污染，目前發(fā)達國家已經(jīng)采用煤的潔凈燃燒技術(shù)。 h。 h，如果國家能在政策上給予強有力的支持，風(fēng)力發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電相比在上網(wǎng)電價上有一定的競爭能力。大量直接燃燒煤造成的城市大氣污染，過度消耗生物質(zhì)能引起的農(nóng)村生態(tài)環(huán)境破壞，以及2CO 溫室氣體排放是其主要問題。 1997 年我國 2SO 排放總量為 2346 萬噸。 1995 年酸雨沉降造成的經(jīng)濟損失為 1165 億元，占GNP 的 %。用風(fēng)力發(fā)電，可減少常規(guī)能源的消耗，從而減少 2CO 、 2SO 的排放 ，對保護環(huán)境和生態(tài)平衡，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。因此，開發(fā)可再生能源，尤其是風(fēng)能，將顯得更為重要。 根據(jù)在本世紀(jì)中葉我國國民經(jīng)濟達到中等發(fā)達國家水平的目標(biāo)，我國的發(fā)電能力應(yīng)達到人均 1kW，即 15億 kW。如果按這一發(fā)展目 標(biāo)估算，在今后 50 年中，我國的風(fēng)力機工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)將有 7000 億產(chǎn)值的市場潛力，平均每年 140 億，可望成為我國 21世紀(jì)經(jīng)濟與社會效益十分顯著的新興產(chǎn)業(yè)。 本設(shè)計的主要任務(wù) 本設(shè)計主要任務(wù)是介紹風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理，風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的基本類型和控制要求，定漿矩風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)和并網(wǎng)技術(shù)，同時也對風(fēng)電對環(huán)境的影響作了一下簡要分析， 由于本人的理論水平及實踐經(jīng)驗所限、編寫時間倉促，書中錯誤疏漏之處難免，敬請老師不咎指正。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)電機可由葉片和發(fā)電機兩部分構(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）裝機規(guī)模靈活 可根據(jù)資金情況決定一次裝機規(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）運行維護簡單 現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常工作，只需定期進行必要的維護，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)電機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行， 因此對于解決邊遠地區(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] ○ 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 30 .5 ( )V P V dV??? （ 12） 風(fēng)輪機的理論 風(fēng)輪機又稱 為 風(fēng)車 ， 是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能、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。按主軸與地面相對位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組。它的主要機械部件都在機艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機、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)電機組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機組。 (1)機艙 機艙包 含 著風(fēng) 力發(fā) 電機的關(guān)鍵設(shè)備 ， 包括齒輪箱、發(fā)電機 等 。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機接受風(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)力達到風(fēng)力發(fā)電機組設(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 組關(guān)鍵部件之一。 使用齒輪箱可以將風(fēng)電機轉(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)電機停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。然后電流通過風(fēng)電機旁的變壓器（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，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機上。 ③ 同步或異步交流發(fā)電機，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)電機塔載有機艙及轉(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)電機微機控制系統(tǒng) [11] 風(fēng)力發(fā)電機的微機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)電機電壓、頻率、電流、發(fā)電機溫升、增速器溫升、機艙振動、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 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、運行中機組故障的自動停機、自動電纜解繞、過振動停機、過大風(fēng)停機等的自動控制。風(fēng)電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風(fēng)機會在微機總站的微機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，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)動的機械能，則有 21VV ， 21SS 。 如果以 ? 表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量 svm ?? ，此時氣體所具有的動能為 321 svT ?? (15) ? 的單位是 kg/m3； V的單位是 m3； v 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 )()( 2121 vvmvvsvF ???? ? (16) 式中 ?—— 空氣當(dāng)時的密度 風(fēng)輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (17) 所以經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT ????? ? (18) 式中 sv? —— 空氣質(zhì)量 TP ?? (19) 2 21 vvv ??? (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 )(21 2221 vvsF ?? ? (111) ))((41212221 vvvvsP ???