【正文】 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計。 圖 XX 本科畢業(yè)設計說明書 7 （ 3）增速器 增速器就是齒輪箱，是風力發(fā)電機組關鍵部件之一。 使用齒 輪箱可以將風電機轉子上的較低轉速、較高轉矩轉換為用于發(fā)電機上的較高轉速、較低轉矩。 （ 5）制動器 制動器是使風力發(fā)電機停止轉動的裝置，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。然后電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內） ， 電壓被提高至13萬伏 ， 這取決于當?shù)仉娋W(wǎng)的 標準。 ② 永磁發(fā)電機，常用在小型風力發(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，其轉速比同步轉速略低，當并網(wǎng)時轉速應提高。塔架有型鋼架結構的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式， 風電機塔載有機艙及轉子。為了使風輪運轉所需要額定轉速下的裝置稱為調速裝置，調速裝置只在額定風速以上時調速。 XX 本科畢業(yè)設計說明書 8 （ 9）調向（ 偏航） 裝置 調向裝置就是使風輪正常運轉時一直使風輪對準風向的裝 置。偏航裝置由電子控制器操作 ， 電子控制器可以通過風向標來感覺風向。 （ 10）風力發(fā)電機微機控制系統(tǒng) [11] 風力發(fā)電機的微機控制屬于離散型控制，是將風向標、風速計、風輪轉速、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 轉換，輸送給單片機再按設計程序給出各種指令實現(xiàn)自動啟動、自動調向、自動調速、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、過大風停機等的自動控制。風電場的機組群可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理、互相通信，出現(xiàn)故障的風機會在微機總站的微機終端和顯示器上讀出、調出程序和修改程序等，使現(xiàn)代風力發(fā)電機真正實現(xiàn)了現(xiàn)場無人職守的自動控制。但是當風電機偶然沿一個方向偏轉太長時間時 ， 電纜將越來越扭曲 ，導致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障 。風 力發(fā) 電機還會配備有拉動開關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 為是平行風輪軸線的 )，滿足以上條件的風輪稱為“理想風輪”。風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉化為葉片轉動的機械能，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。 風作用在葉片上的力由歐拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF ???? ? (16) 式中 ?—— 空氣當時的密度 風輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (17) 所以經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT ????? ? (18) 式中 sv? —— 空氣質量 TP ?? (19) XX 本科畢業(yè)設計說明書 10 2 21 vvv ??? (110) 因此 ， 風作用在風輪葉片上的力 F 和風輪輸出的功率 P 分別為 )(21 2221 vvsF ?? ? (111) ))((41212221 vvvvsP ??? ? (112) 風速 1V 是給定的， P 的大小取決于 2V ， P 是 2V 的函數(shù)，對 P 微分求最大值得 )32(41 2221212 vvvvsdvdP ??? ? (113) 令其等于 0，求解方程得 12 31vv ? (114) 3131m a x 271621278 svsvP ?? ??? (115) 16/27=0． 593， PC 稱作貝茨功率系數(shù) PCsvP 31m a x 21 ?? (116) 而 3121 sv?正是風速為 1V 的風能 T ，故 pTCP ?max (117) PC =0． 593，說明風吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 maxP 為風吹過葉片掃掠面積 S 的風能的 59． 3％。通常風輪機風輪葉片接受風能的效率達不到 59． 3％，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取 。 （ 1）風能利用系數(shù) PC 風輪機從自然風能中吸到能量的大小和程度可以用風能利用率系數(shù) PC 表示 XX 本科畢業(yè)設計說明書 11 SvPCp 3121 ?? (118) （ 2）葉尖速比 ? 為了表示風輪在不同的 風速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量稱為葉尖速比 ? vwRvRn ?? ?? 2 (119) 低速風輪 ? 取較小值；高速風輪 ? 取較大值。 SRvTSRvTCT 22221 ?? ?? (120) SvFSvFCF 22221 ?? ?? (121) 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)電機組中最關鍵的零部件， 是將風能最終轉變成電能的設備。 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)電機結構簡單成本低并網(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。 異步電機一般稱感應電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。但由于異步發(fā)電機具有結構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用。異步機的定子與同步機基本相同，其轉子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。通常異步機的轉子轉速總是略低于或 略高于旋轉磁場的轉速。 若電機用原動機驅動使轉子轉速高于旋轉磁場的轉速（ snn）則轉差率 S0 ，此時電磁轉矩的方向與轉子轉向和旋轉磁場兩者的方向相反即電磁轉矩為制動轉矩。 （ 2）異步風力發(fā)電機的參數(shù) ○ 1 風輪額定轉速 風輪額定轉 速是風輪在額定風速時的轉速。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。它是風力發(fā)電機設計的最基礎數(shù)據(jù)。 ○ 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。交流發(fā)電機分同 步和異步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機也稱感應交流發(fā)電機。 ○ 4 發(fā)電機額定電壓 發(fā)電機額定運行時 電壓為 定子或轉子輸出的電壓 ， 單位為 V。 ○ 6 發(fā)電機額定轉速 發(fā)電 機在額定功率運行時的轉速用 minr 表示。中國交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。 ○ 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。 ○10 同步轉速 對于額定頻率為 f 的交 流發(fā)電機其同步轉速 pfn /60? (124) 式中 p—— 發(fā)電機的極對數(shù) ； n —— 同步轉速 r/min。在實際應用過程中，尤其是一般風力發(fā)電機組控制與檢測系統(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。有的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的功能很強 ,但由于工作不可靠 ,經(jīng)常出故障 ,而出現(xiàn)故障后對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)揮不了它應有的作用。 我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定的時間內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系統(tǒng) ,使之恢復正常工作。 ○ 2 變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，通過改變槳葉節(jié)距角和空氣動力學的失速特性，使葉片吸收風 功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風力發(fā)電機組的功率輸出。 ○ 4 保護環(huán)節(jié)以失效保護為原則進行設計 自動執(zhí)行保護功能：超速、發(fā)電機過載和故障、過振動、電網(wǎng)或負載丟失、脫網(wǎng)時的停機失敗時。 (2)自動運動的控制要求 ○ 1 開機并網(wǎng)控制 :當風速 10 分內的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內，風力發(fā)電機組起動→軟切入狀態(tài)→機組并入電網(wǎng)。 ○ 3 普通故障脫網(wǎng)停機 :參數(shù)越限、狀態(tài)異?！胀ㄍC→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機械閘→計算機自行恢復。 ○ 5 安全鏈動作停機：電控制系統(tǒng)軟保護控制失敗→硬性停機→停機。 ○ 7 對風控制：機組在工作風區(qū)→根據(jù)機艙的靈敏度→確定偏航的調整角度?！?10 分平均風速大于 25m/s 時或超過超速上限時→風力發(fā)電機組作偏轉 90 度控制→氣動剎車→脫網(wǎng)→停機。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導通角→控制發(fā)電機端的軟切入電流為額定電流的 倍→控制發(fā)電機端電壓。 ○ 2 過電壓、過電流保護：主電路計算機電源進線端、控制變壓器進線和有關伺服電動機 的 進線端均設置過電壓、過電流保護措施。 ○ 4 過繼電保護：運行的所有輸出運轉機構的過熱、過載保護控制裝置。 XX 本科畢業(yè)設計說明書 16 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結構原理 風力發(fā)電機組 的控制目標 風力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程的裝置。 （ 2）控制系統(tǒng)采用計算機控制技術對風力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。 （ 4）大于開機風速并且轉速達到并網(wǎng)轉速的條件下風力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。 主要完成下列自動控制功能： ○ 1 大風情況下當風速達到停機風速時風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機而且在脫網(wǎng)同時 風力發(fā)電機組偏航 90176。 ○ 2 為了避免小風時發(fā)行頻繁開、停機現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10 分內不能按風速自動停機。 ○ 3 當風速小于停機風速時為了避免風力發(fā)電機組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應自動脫網(wǎng)使風力發(fā)電機組處于自由轉動的待風狀態(tài)。跟風精度范圍177。 ○ 5 風力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風狀態(tài)下應該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風停機、斷電和故障等）均應抱閘。其余時間（運行期間、正常和故障停機期間）均處于歸位狀態(tài)。 后機艙保持與風向偏 90176。 15176。如果正在運行時風力發(fā)電機組遇到這種情況應能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機此時偏航機構不會動作風力發(fā)電機組的機械結構部分應能承受考驗。 /反向扭纜計數(shù)器超過時自動停機解纜達到要求時再自動開機恢復運行發(fā)電。 ○11 控制系統(tǒng)應該保證風力發(fā)電機組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況應該自動處理并安全停機。首先系統(tǒng)初始化檢查控制程序、微控制器硬件和外設、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。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。風輪開始轉動。其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在 至 之間。由于異步發(fā)電機的功率與轉速是嚴格對應的，功率控制最終也是通過速度控制來實現(xiàn)的。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。風輪從起運到額定轉速，其葉 片的節(jié)距角隨轉速的升高是一個連續(xù)變化的過程。 當轉速達到額定轉速后電機并入電網(wǎng)。為了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉子電流控制器對電機轉差進行調整，從而調整風輪轉速。 （ 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。活塞的位移反饋信號由位移傳感器測量，經(jīng)轉換后輸入比較器。 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。 風輪機 的 氣動特性 [8] 風輪機 通過葉片捕獲風能 ， 將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。尖速比可 表示為 mRv??? （ 21） 式 中 m? 為風輪機的機械轉速 (rad/s)； R 為葉片半徑 (m)； v 為來流的線性風速 (m/s)。典型 PC 與 ? 和? 的關系可用圖 23