【正文】 的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實(shí)際問(wèn)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(yáng)輻射強(qiáng)度不同而形成的。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軸之間存在 66． 5176。地球上某處所接受的太陽(yáng)輻射能 與該地點(diǎn)太陽(yáng)照射角的正弦成正比。風(fēng)向是指風(fēng)吹來(lái)的方向 ， 如果風(fēng)是從 東 方吹來(lái)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) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 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(wú)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(guò)一段時(shí) 間的觀測(cè)來(lái)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(shuō)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(guò)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(lái)設(shè)計(jì)。 圖 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 （ 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(guò)風(fēng)電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)） ， 電壓被提高至13萬(wàn)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。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 （ 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(guò)風(fēng)向標(biāo)來(lái)感覺(jué)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(guò)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(guò)振動(dòng)停機(jī)、過(guò)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(wú)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(lái)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 。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(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)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(shí)氣體所具有的動(dòng)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(shí)的密度 風(fēng)輪所接受的功率為 )( 212 vvsvFvP ??? ? (17) 所以經(jīng)過(guò)風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT ????? ? (18) 式中 sv? —— 空氣質(zhì)量 TP ?? (19) XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 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 ??? ? (112) 風(fēng)速 1V 是給定的， P 的大小取決于 2V ， P 是 2V 的函數(shù)，對(duì) 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(fēng)速為 1V 的風(fēng)能 T ，故 pTCP ?max (117) PC =0． 593，說(shuō)明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 maxP 為風(fēng)吹過(guò)葉片掃掠面積 S 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、功率等情況取 。 （ 1）風(fēng)能利用系數(shù) PC 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) PC 表示 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 SvPCp 3121 ?? (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(lái)衡量稱為葉尖速比 ? vwRvRn ?? ?? 2 (119) 低速風(fēng)輪 ? 取較小值；高速風(fēng)輪 ? 取較大值。 SRvTSRvTCT 22221 ?? ?? (120) SvFSvFCF 22221 ?? ?? (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(diǎn)是：發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低并網(wǎng)控制容易 ， 缺點(diǎn)是要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率以提供自身的勵(lì)磁。 由于風(fēng)電場(chǎng)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(diǎn) ， 現(xiàn)在大多數(shù)的大型風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)機(jī)。但由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用維修方便啟動(dòng)容易并網(wǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)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(chǎng)的轉(zhuǎn)速。 若電機(jī)用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（ snn）則轉(zhuǎn)差率 S0 ，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩者的方向相反即電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 （ 2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù) ○ 1 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速 風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速是風(fēng)輪在額定風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 ○ 3 發(fā)電機(jī)是交流還是直流 微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用直流發(fā)電機(jī)中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)分同步和異步交流發(fā)電機(jī)、異步交流發(fā)電機(jī)也稱感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)。 ○ 4 發(fā)電機(jī)額定電壓 發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí) 電壓為 定子或轉(zhuǎn)子輸出的電壓 ， 單位為 V。 ○ 6 發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 發(fā)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速用 minr 表示。中國(guó)交流電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz。 ○ 8 發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流 發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流。 ○10 同步轉(zhuǎn)速 對(duì)于額定頻率為 f 的交流發(fā)電機(jī)其同步轉(zhuǎn)速 pfn /60? (124) 式中 p—— 發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù) ； n —— 同步轉(zhuǎn)速 r/min。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)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。 ○ 2 變槳距失速型機(jī)組控制 風(fēng)速超過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定風(fēng)速以上時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過(guò)載，通過(guò)改變槳葉節(jié)距角和空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片吸收風(fēng)功率減少或者發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。 ○ 4 保護(hù)環(huán)節(jié)以失效保護(hù)為原則進(jìn)行設(shè)計(jì) 自動(dòng)執(zhí)行保護(hù)功能：超速、發(fā)電機(jī)過(guò)載和故障、過(guò)振動(dòng)、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時(shí)的停機(jī)失敗時(shí)。 (2)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制要求 ○ 1 開機(jī)并網(wǎng)控制 :當(dāng)風(fēng)速 10 分內(nèi)的平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)→軟切入狀態(tài)→機(jī)組并入電網(wǎng)。 ○ 3 普通故障脫網(wǎng)停機(jī) :參數(shù)越限、狀態(tài)異常→普通停機(jī)→剎車→軟脫網(wǎng)→剎機(jī)械閘→計(jì)算機(jī)自行恢復(fù)。 ○ 5 安全鏈動(dòng)作停機(jī)：電控制系統(tǒng)軟保護(hù)控制失敗→硬性停機(jī)→停機(jī)。 ○ 7 對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在工作風(fēng)區(qū)→根據(jù)機(jī)艙的靈敏度→確定偏航的調(diào)整角度?！?dāng) 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時(shí)或超過(guò)超速上限時(shí)→風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作偏轉(zhuǎn) 90 度控制→氣動(dòng)剎車→脫網(wǎng)→停機(jī)。 ○10 軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導(dǎo)通角→控制發(fā)電機(jī)端的軟切入電流為額定電流的 倍→控制發(fā)電機(jī)端電壓。 ○ 2 過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)：主電路計(jì)算機(jī)電源進(jìn)線端、控制變壓器進(jìn)線和有關(guān)伺服電動(dòng)機(jī) 的 進(jìn)線端均設(shè)置過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施。 ○ 4 過(guò)繼電保護(hù)：運(yùn)行的所有輸出運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過(guò)熱、過(guò)載保護(hù)控制裝置。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 19 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的裝置。 （ 2）控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)管理和控制。 （ 4）大于開機(jī)風(fēng)速并且轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能軟切入自動(dòng)并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。 主要完成下列自動(dòng)控制功能： ○ 1 大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機(jī)械閘停機(jī)而且在脫網(wǎng)同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航 90176。 ○ 2 為了避免小風(fēng)時(shí)發(fā)行頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象在并網(wǎng)后 10 分內(nèi)不能按風(fēng)速自動(dòng)停機(jī)。 ○ 3 當(dāng)風(fēng)速小于停機(jī)風(fēng)速時(shí)為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期逆功率運(yùn)行造成電網(wǎng)損耗應(yīng)自動(dòng)脫網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)的待風(fēng)狀態(tài)。跟風(fēng)精度范圍177。 ○ 5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓機(jī)械閘在并網(wǎng)運(yùn)行、開機(jī)和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機(jī)械閘其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機(jī)、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。其余時(shí)間（運(yùn)行期間、正常