【正文】 將其分為水平軸風(fēng)輪機垂直軸風(fēng)輪機和特殊風(fēng)輪機三大類。 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成 風(fēng)力發(fā)電機的分類 [5] 風(fēng)力發(fā)電機組是將風(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)電機組。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機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。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機效率低，需啟動設(shè)備，同 時還有些技術(shù)問題尚待解決。 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 6 水平軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu) 大中型風(fēng)力發(fā)電機組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙機座回轉(zhuǎn)體制動器等）組成的。 (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。 葉片是風(fēng)力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件， 現(xiàn)代風(fēng) 力發(fā) 電機上每個轉(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化塑料（ GRP）制造。 輪轂是連接葉片和主軸的零部件。 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 或其他高強度合 金鋼制成。由于風(fēng)輪機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為實現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。 （ 4）聯(lián)軸器 增速器與發(fā)電機之間用聯(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。 （ 6）發(fā)電機 發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件， 是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。 大型風(fēng)電機（ 100150 千瓦）通常產(chǎn)生 690伏特的三相交流電。 風(fēng)力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有以下幾種： ① 直流發(fā)電機，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機上?，F(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，可以做成多 對 極低轉(zhuǎn)速 的 ，特別適合風(fēng)力發(fā)電機。 （ 7）塔 架 塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機的支架。 （ 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。目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種： ○ 1 可變漿距 的 調(diào)速裝置； ○ 2 定漿距葉尖失速控制 的 調(diào)速裝置； ○ 3 離心飛球調(diào)速裝置； ○ 4 空氣動力調(diào)速裝置； ○ 5 扭頭、仰頭調(diào)速裝置。 借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。通常在風(fēng)改變其方向時 ， 風(fēng)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。自我故障診斷及微機終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機以指令，微機再執(zhí)行自動控制程序。 （ 11）電纜扭纜計數(shù)器 電纜 是 用來將電流從風(fēng)電 機運載到塔下 的重要裝置 。因此風(fēng) 力發(fā)電機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。 風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)理論 XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 9 貝茨 (Betz)理論 世界上第一個關(guān)于風(fēng)輪機風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較完整的理論是 1919年由 A178。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。 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。 如果假設(shè)空氣 是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 VVSSVVS ??? 2211 (13) 由流體力學(xué)可知氣流的動能為 mvT? (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 svV? 。 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 v 隨地理位置、海拔 、地形等因素而變。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片 做功的最高效率是 ％。 風(fēng)力發(fā)電機特性系數(shù) 貝茨理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機的能量轉(zhuǎn)換與控制時有幾個特性系數(shù)具有特別重要的意義。 （ 3）轉(zhuǎn) 矩系數(shù) TC 和推力系數(shù) FC 為了便于把氣流作用下的風(fēng)輪機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進行比較常以 ? 為變量作成轉(zhuǎn)矩和推力的變化曲線 ， 因此轉(zhuǎn)矩和推力也要無因次化。 發(fā)XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 12 電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。這一缺點可以通過在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來改善。本論文的 研究對象中使用也是異步發(fā)電機 ， 下面我們對異步機做以下的簡單介紹。異步機作為電動機應(yīng)用非常廣泛異步機作為發(fā)電機的情況則比較少。 異步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 異步機是利用電磁感應(yīng)原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以進行能量轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 sn 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 之間的差為轉(zhuǎn)差 ， 轉(zhuǎn)差n 與同步轉(zhuǎn)速 sn 的比值稱為轉(zhuǎn)差率用 S 表示 ? ? ss nnnS /?? (122) 轉(zhuǎn)差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變量。此時轉(zhuǎn)子 從原動機吸收機械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀態(tài)。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的重要參數(shù)之一。 ○ 2 發(fā)電機額定功率 發(fā)電機的額定功率是發(fā)電機在額定功率因數(shù)下連續(xù)運行而輸出的功率它是由用戶提出或由不同的使用目的而確定的。單位為XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 13 KW；也有用視在功率表示的單位為 KVA。這要視用戶的用途、發(fā)電機功率而確定。永磁交流發(fā)電機等。 ○ 5 額定功率因數(shù) 發(fā)電機在額定運行時其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 SP/cos ?? (123) P 為有功功率 KW， S 為視在功率 KVA， cos 與負載性質(zhì)有關(guān)。 ○ 7 額定頻率 發(fā)電機額定運行時其電壓變化的頻率。國外也有交流電網(wǎng) 60Hz 的。 ○ 9 發(fā)電機額定溫升 發(fā)電機在額定功率輸出及額定負載下定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組允許的最高溫度與額定入口風(fēng)溫的差值。 ○11 風(fēng)力發(fā)電機的全效率 風(fēng)力發(fā)電 機的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率 1? 、增速器的效率 2? 、發(fā)電機的效率 3? 、傳動系統(tǒng)效率 3? 等的積 4321 ????? ???? (125) XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 14 第二章 風(fēng)力發(fā)電控制 系統(tǒng) 模型的建立 風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(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)電場長期安全可靠運行的重大問題。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)電機組的聲譽。因此對于一個風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計和使用者來說 ,系統(tǒng)的安全可靠性必須認真加以考慮 ,必須引起足夠的重視。 風(fēng)力發(fā)電機組的基本控制要求 風(fēng)力發(fā)電機組運行的控制要求 (1)控制思想 [3] ○ 1 定槳距失速型機組控制 風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機組額定風(fēng)速以上時，為確保風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組過載，通過空氣動力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速，從而控制風(fēng)力發(fā)電機組的功率輸出。 ○ 3 控制功能和控制參數(shù) 節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪 轉(zhuǎn)速、電氣負荷的連接、起動和停機過程、電網(wǎng)或負荷丟失時的停機、扭 纜 的 限制、機艙對風(fēng)、運行時電量和溫度的限制。保護環(huán)節(jié)為多級安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達到XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 控制目標(biāo)方面可實現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。 ○ 2 小 風(fēng) 和逆功率脫網(wǎng) :機組在待風(fēng)狀態(tài)→ 10 分平均風(fēng)速小于脫網(wǎng)風(fēng)速→脫網(wǎng)→風(fēng)速再次上升→風(fēng)機旋轉(zhuǎn)→并網(wǎng)。 ○ 4 緊急故障脫網(wǎng)停機 :緊急故障 (飛車、超速、負荷丟失等 )→緊急停機→偏航控制（ 90 度）→脫網(wǎng)→機械剎車。 ○ 6 大風(fēng)脫網(wǎng)控制： 10 分平均風(fēng)速大于 25m/s 時→超速、過載→脫網(wǎng)停機→氣動剎車→偏航控制（ 90 度）→功率下降后脫網(wǎng)→剎機械閘→安全停機→風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后→恢復(fù)自動對風(fēng)→轉(zhuǎn)速上升后→自動并網(wǎng)運動。 ○ 8 偏轉(zhuǎn) 90 度對風(fēng)控制：機組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時→降低風(fēng)力發(fā)電機組的功率→安全停機。 ○ 9 功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運行時→失速型機組→發(fā)電機的功率不會超過額定功率的 15%→過載→脫網(wǎng)停機。 （ 3）控制保護要求 ○ 1 主電路保護：變壓器低壓側(cè)三相四線進線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器→維護操作安全和短路過載保護。 ○ 3 防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計的防雷保護裝置。 ○ 5 接地保護：金屬部分均要實現(xiàn)保護接地。風(fēng)輪系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)能到機械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機和控制系統(tǒng)則實現(xiàn)了從機械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機組控制目標(biāo)時應(yīng)結(jié)合它們的運行方式，重點實現(xiàn)以下目標(biāo)： （ 1）控制系統(tǒng)保持風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質(zhì)量地將不斷變化的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、電壓恒定的交流電送入電網(wǎng)。 （ 3）利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機組主要進行軟切入、軟切出及功率因數(shù)補償控制對變槳距風(fēng)力發(fā)電機組主要進行最佳葉尖速比和額定風(fēng)速以上的恒功率控制。當(dāng)風(fēng)速在 4～ 7m/s 之間切入小發(fā)電機組（小于300kW）并網(wǎng)運行當(dāng)風(fēng)速在 7～ 30m/s 之間切入大發(fā)電機組（大于 500kW）并網(wǎng) 運行。停機后待風(fēng)速降低到大風(fēng)開機風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機組又可自動并入電網(wǎng)運行。同樣在小風(fēng)自動脫網(wǎng)停機后 5 分內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。 ○ 4 當(dāng)風(fēng)速大于開機風(fēng)速要求風(fēng)力發(fā)電機組的偏航機構(gòu)始終能自動跟風(fēng)。 15176。 ○ 6 風(fēng)力發(fā)電機組的葉尖閘除非在脫網(wǎng)瞬間、超速和斷電時釋放起平穩(wěn)剎車作用。 ○ 7 在大風(fēng)停機和超速停機的情況下風(fēng) 力發(fā)電機組除了應(yīng)該脫網(wǎng)、抱閘和甩葉尖XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 閘停機外還應(yīng)該自動投入偏航控制使風(fēng)力發(fā)電機組的機艙軸心線與風(fēng)向成一定的角度增加風(fēng)力發(fā)電機組脫網(wǎng)的安全度待機艙轉(zhuǎn)約 90176。跟風(fēng)控制跟風(fēng)范圍177。 ○ 8 在電網(wǎng)中斷、缺相和過電壓的情況下風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)停止運行此時控制系統(tǒng)不能供電。 ○ 9 風(fēng)力發(fā)電機組塔架內(nèi)的懸掛電纜只允許扭轉(zhuǎn)177。 ○10 風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)具有手動控制功能（包括遠程遙控手操）手動控制時“自動”功能應(yīng)該解除相反的投入自動控制時有些“手動”功能自動屏蔽。 控制系統(tǒng)主要參數(shù) （ 1）主要技術(shù)參數(shù) ○ 1 主發(fā)電機輸出功率（額定） ? ?ePKW ○ 2 發(fā)電機最大輸出功率 ? ? KW ○ 3 工作風(fēng)速范圍 4 25 /ms? ○ 4 額定風(fēng)速 ? ?/eVms ○ 5 切 入風(fēng)速（ 1min 平均值） 4/ms ○ 6 切出風(fēng)速（ 1min 平均值） 25/ms ○ 7 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 ? ?/minNr ○ 8 發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 1 0 0 0 / 1 5 0 0 2 0 / m inr? ○ 9 發(fā)電機輸出電壓 10%V? ○ 10 發(fā)電機發(fā)電頻率 50 Hz? ○ 11 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） ○ 12 電容補償后功率因數(shù) ? （ 2）控制指標(biāo)及效果 ○ 1 方式 專用微控制器 ○ 2 過載開關(guān) 690 ,660VA ○ 3 自動對風(fēng)偏差范圍 15?? ○ 4 風(fēng)力發(fā)電機組自動起、停機時間 60S XX 本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 ○ 5 系統(tǒng)測量精度 %? ○ 6 電纜纏繞 圈自動解纜 ○ 7 自動解纜時間 55min ○ 8 手動操作響應(yīng)時間 5S (3)保護功能 ○ 1 超電壓保護范圍 連續(xù) ? ?30 eS U V ○ 2 欠電流保護范圍 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限 40 /minr ○ 4 發(fā)電機轉(zhuǎn)速極限 1800 /minr ○ 5 發(fā)電機過功率保護值 連續(xù) ? ?60 eS P KW ○ 6 發(fā)電機過電流保護值 連續(xù) ? ?30 eS I A ○ 7 大風(fēng)保護風(fēng)速 連續(xù) 600 25 / minSr ○ 8 系統(tǒng)接地電阻 4? ○ 9 防雷感應(yīng)電壓 3500V 控制系統(tǒng)工作原