【正文】 風(fēng)輪約 60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出達(dá)到額定功率之前，其功率與風(fēng)速的立方成正比。風(fēng)電場雖然占了大片土地，但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)使用面積很 小，不影響農(nóng)田和牧場的正常生產(chǎn)。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 3 控 制 系 統(tǒng)油 泵風(fēng) 速測 量馬 達(dá)變 速 機(jī) 構(gòu)發(fā) 電 機(jī)油 泵 油 泵 油 泵變 壓 器 電 網(wǎng)勵 磁變 槳 機(jī) 構(gòu)圖 11 新型風(fēng)力發(fā)電的原理圖 我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 [1] 目前我國的風(fēng)電事業(yè)發(fā)展較快，無論技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)均取得長足進(jìn)步，全國風(fēng)電裝機(jī)到 2021 年底為 萬 kW, 2021 年為 萬 kW, 2021 年底達(dá)到了 萬 kW。設(shè)備的國產(chǎn)化率有了明顯提高。但也應(yīng)該看到，風(fēng)電在我國的電力裝機(jī)容量中所占比重較小。既有機(jī)制問題，也有認(rèn)識問題。 當(dāng)前我國建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場的主要投資是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備，占總投資的 80%以上。此外，由于運行的大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)由國外進(jìn)口，而國外風(fēng)力發(fā)電組的容量、規(guī)格更新很快，我國進(jìn)口的許多型號的風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品不再生產(chǎn)，所以風(fēng)電場設(shè)備的更換、維護(hù)也是一個問題。風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，也勢必拉動復(fù)合材料行業(yè)、發(fā)電機(jī)行業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一些地方達(dá)到 3200 小時，因 而風(fēng)電成本為 0. 450. 70陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 4 元 /kWh，在現(xiàn)階段仍需國家政策給予扶持。 大型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電是世界風(fēng)能利用的主要形式，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功能是將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸送到電網(wǎng)中。目前大中型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，已經(jīng)成為我國風(fēng)能利用的主要形式，隨著并網(wǎng)機(jī)組需求持續(xù)增長，生產(chǎn)量上升，機(jī)組更新?lián)Q代，單機(jī)容量提高，機(jī)組性能優(yōu)化，故障降低，生產(chǎn)成本下降，風(fēng)電已經(jīng)接近與常規(guī)能源競爭的能力。西方國家甚至出現(xiàn) 了以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源為施政綱領(lǐng)的綠黨， 2021年之夏的北京奧運會以倡導(dǎo)綠色奧運而被永載史冊。 隨著環(huán)保問題的日益突出，能源供應(yīng)的漸趨緊張，風(fēng)力 發(fā)電 作為一種清潔的可再生能源的 發(fā)電 方式，已越來越受到世界各國人民的歡迎和重視。因此，近幾年來，我國的風(fēng)力 發(fā)電 事業(yè)得到了很快的發(fā)展。各設(shè)計一套論證充分的并網(wǎng)方案，最后在通過實踐驗證其可行性。水平軸風(fēng)力機(jī)可分為升力型和阻力型，它的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行，升力型旋轉(zhuǎn)速度快，阻力型旋轉(zhuǎn)速度慢。 （ 1） 風(fēng)力機(jī)的主要部件 水平軸風(fēng)力機(jī)主要由風(fēng)輪、塔架及對風(fēng)裝置組成。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，葉片受到離心力和氣動力的作用，當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計風(fēng)速時，需對風(fēng)輪進(jìn)行控制。 水平軸風(fēng)力機(jī)為了得到最高的風(fēng)能利用效率，應(yīng)使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準(zhǔn)風(fēng)向，因此需要對風(fēng)裝置。 （ 2）風(fēng)力機(jī)的功率 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪從空氣中吸收能量，風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率可用下面公式表示： 321 vACP p ?? （ 21） 2RA ?? （ 22） 式中 ： P 為風(fēng)輪輸出的功率， kW； pC 為風(fēng)輪的功率系數(shù)； A 為風(fēng)輪掃過的面積； ? 為空氣密度， 3m/kg ； v 為場地 風(fēng)速， m/s； R 為風(fēng)輪半徑， m。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī) 同步發(fā)電機(jī)的基本類型分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。這種同步發(fā)電機(jī)的磁極上繞有 勵磁繞組，而產(chǎn)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 6 轉(zhuǎn)磁場的勵磁電流經(jīng)電刷和滑環(huán)引入勵磁繞組。 將同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電上有兩種機(jī)械聯(lián)接方式 :一種是通過變速齒輪箱，做成高速同步發(fā)電機(jī)；另一種是取消變速齒輪箱，把風(fēng)輪軸與發(fā)電機(jī)直聯(lián)，并把發(fā)電機(jī)做成低速同步發(fā)電機(jī)。 調(diào)速系統(tǒng)是用來控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速及有功功 率的，勵磁系統(tǒng)是調(diào)控同步發(fā)電機(jī)的電壓及無功功率的，下圖中 n， U， P 分別代表風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的電壓、輸出功率。 風(fēng) 力 機(jī)升 速 齒輪 箱同 步 發(fā)電 機(jī)調(diào) 速系 統(tǒng)勵 磁系 統(tǒng)風(fēng)n UP?? ??電網(wǎng)圖 21 同步發(fā)電系統(tǒng)原理圖 同步發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)整有兩種情況 :一是負(fù)荷變化前后發(fā)電機(jī)穩(wěn)定頻率的差值與額定頻率比值的穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率；二是發(fā)電機(jī)負(fù)荷突變時的瞬間頻率調(diào)整率與負(fù)荷變化前頻率的差值，再與額定頻率比值的瞬態(tài)頻率調(diào)整率。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的偏航裝置 偏航裝置一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航計數(shù)器、偏航液壓回850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 7 路和紐纜保護(hù)裝置等幾個部分組成。偏航系統(tǒng)的偏航動作會導(dǎo)致機(jī)艙和塔架之間的連接電纜發(fā)生紐絞，所以在偏航系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置與方向有關(guān)的計數(shù)裝置或類似的程序?qū)﹄娎|的紐絞程度進(jìn)行檢測。偏航系統(tǒng)的解纜一般分為初級解纜和終極解纜，初級解纜是在一定的條件下進(jìn)行的，它與偏航 圈數(shù)和風(fēng)速相關(guān)。 偏航裝置是水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必不可少的組成部分。其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運行。被動偏航是指依靠風(fēng)力通過相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組風(fēng)輪對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向三種。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行控制和安全保護(hù)裝置 [3] 控制和安全保護(hù)裝置是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運行的大腦指揮中心，控制裝置保障了機(jī)組的安全運行。控制裝置可以控制的功能和參數(shù)包括功率極限、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)載的連接、起動及停機(jī)過程、電網(wǎng)或數(shù)據(jù)丟失的停機(jī)、機(jī)艙對風(fēng)、運行時電量和溫度參數(shù)的限制。 我國風(fēng)電場運行的機(jī)組部分為定漿距失速型機(jī)組，所謂失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速時，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組的功率輸出。對于變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制原則與定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同，即功率調(diào)節(jié)方式不同，它采用變漿距方式來改變風(fēng)輪捕捉得能 量，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率發(fā)生變化，最終達(dá)到限制功率輸出的目的。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 8 雷 電 安 全 保 護(hù)接 地 保 護(hù)微 控 制 器 抗 干 擾 保 護(hù)電 器 接 地 保 護(hù)緊 急 故 障 安 全 鏈 保 護(hù)運 行 安 全 保 護(hù) 圖 22 控制和安全保護(hù)裝置組成圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運行及安全性取決于先進(jìn)的控制策略和保護(hù)功能，控制策略應(yīng)以主動和被動的方式控制機(jī)組的運行，使機(jī)組運行在安全允許的規(guī)定范圍內(nèi)，并且各項參數(shù)保持在正常工作范圍內(nèi)。采用計算機(jī)控制技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運行參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理，完成機(jī)組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。具體形式的控制過程如下： （ 1） 開機(jī)并網(wǎng)控制 ： 當(dāng)風(fēng)速 10min 平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，機(jī)械閘松開葉尖復(fù)位，風(fēng)力作用于風(fēng)輪上，發(fā)電機(jī)慢慢起動。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升到同步轉(zhuǎn)速時，旁路主接觸器動作，機(jī)組并入電網(wǎng)運行。風(fēng)電機(jī)組靠自身的摩擦力緩慢停機(jī)，進(jìn)入待風(fēng)狀態(tài)。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 9 （ 3） 普通故障脫網(wǎng)停機(jī) ： 機(jī)組運行時發(fā)生參數(shù)越限、狀態(tài)異常后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)入停機(jī)程序，機(jī)組投入氣動剎車，軟脫網(wǎng)。 （ 4） 大風(fēng)脫網(wǎng)控制 ： 當(dāng)風(fēng)速 10min 平均值 大于 25m/s 時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會出現(xiàn)超速和過載，為使機(jī)組安全，這時必須對機(jī)組進(jìn)行大風(fēng)脫網(wǎng)停機(jī)。等功率下降后脫網(wǎng)。 （ 6） 功率調(diào)節(jié)控制 ： 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運行時，對于失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于葉片的失速特性，發(fā)電機(jī)的功率不會超過額定值的 15%。 控制和安全保護(hù) 裝置的保護(hù)功能 保護(hù)功能是保持風(fēng)電機(jī)組安全運行，保證機(jī)組的所有監(jiān)控參數(shù)在正常允許的范圍內(nèi)，一旦超過極限并出現(xiàn)危險情況時，應(yīng)能自動處理并安全停機(jī)。為了避免小風(fēng)速時發(fā)生頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象，并網(wǎng)后 10min 內(nèi)風(fēng)電機(jī)組不能按風(fēng)速自動停機(jī)。具體形式的保護(hù)功能如下 ： （ 1） 主電路保護(hù)功能 ： 在變壓器低壓側(cè)進(jìn)線處設(shè)置配電低壓斷路器，以實現(xiàn)變壓器電氣元件的維護(hù)操作安全和短 路過載保護(hù)。 （ 2） 熱繼電保護(hù)功能 ： 實現(xiàn)機(jī)組運行中所有運轉(zhuǎn)裝置如發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和各傳動機(jī)構(gòu)的過熱保護(hù)功能。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)控制 在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。由于風(fēng)能與風(fēng)速的三 次方成正比，當(dāng)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時，如果允許風(fēng)車做變速運動，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。恒速恒頻機(jī)組的風(fēng)車轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)速又經(jīng)常變化，顯然 C 不可能保持最佳值。但這也只能使發(fā)電機(jī)在兩個風(fēng)速下具有較佳的輸出 系數(shù)，而無法有效地利用不同風(fēng)速時的風(fēng)能?？刂葡到y(tǒng)不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統(tǒng)壓力是否正常，風(fēng)向是否偏離，電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。 并網(wǎng)過程中，電流一般被限制在大發(fā)電機(jī)額定電流以下，如超出額定電流時間持續(xù)，可以斷定晶閘管故障，需要安全停機(jī)。因此無需根據(jù)電流反饋調(diào)整導(dǎo)通角。 15176。 45176。 ， 75176。180176。晶閘管導(dǎo)通角由 0176。完全導(dǎo)通，時間一般不超過 6s，否則被認(rèn)為故障。在此期間，晶閘管仍然完全導(dǎo)通，收到旁路反饋信號后，停止觸發(fā)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入正常運行。變速恒頻機(jī)組的特點是風(fēng)車和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。 由于自然 界的風(fēng)力變幻莫測，風(fēng)速總是處在不斷地變化之中，而風(fēng)能與風(fēng)速之間成三次方的關(guān)系，風(fēng)速的較小變化都將造成風(fēng)能的較大變化，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。如果風(fēng)速變化幅度大，頻率高，將導(dǎo)致變槳距機(jī)構(gòu)頻繁大幅度動作，容易使變槳距機(jī)構(gòu)損壞；同時，變槳距機(jī)構(gòu)控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng)，存在較大的滯后時間，槳距調(diào)節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機(jī)輸出功率的較大波動，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。 RCC 控制必須在線繞式異步發(fā)電機(jī)上使用，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，使普通異步發(fā)電機(jī)成為可變滑差發(fā)電機(jī)。采用了 RCC 控制的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變槳距機(jī)構(gòu)主要用于風(fēng)速緩慢上升或下降時，通過調(diào)整葉片攻角，調(diào)節(jié)輸出功率。 并網(wǎng)運行中大、小發(fā)電機(jī)的切換控制 在風(fēng)電機(jī)組運行過程中，因風(fēng)速的變化而引起發(fā)電機(jī)的輸出功率發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化對大、小發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動切換，從而提高風(fēng)電機(jī)組的效率。切換過程為 :首先切除補(bǔ)償電容，然后小發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，等風(fēng)輪自由轉(zhuǎn)動到一定速度后，再實現(xiàn)大發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)；若在切換過程中風(fēng)速突然變小，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低的情況下，應(yīng)再將小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)，重新實現(xiàn)小發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運行。低風(fēng)速時，小發(fā)電機(jī)工作，高風(fēng)速時，大發(fā)電機(jī)工作。例如 NEGMIicon 750kW機(jī)組以 10min平均功率達(dá)到某一預(yù)置值 P1 或 4min平均功率達(dá)到預(yù)置值 P2 為切換依據(jù)。執(zhí)行小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換時，首先斷開小發(fā)電機(jī)接觸器，再斷開旁路接觸器。 （ 2）從大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)切換 檢測大發(fā)電機(jī)的輸出功率，若 2min 內(nèi)平均功率小于 某一設(shè)定值 (此值應(yīng)小于小發(fā)電機(jī)的額定功率 )時，或 50 秒瞬時功率小于另一更小的設(shè)定值時，立即切換到小發(fā)電機(jī)運行。大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換當(dāng)發(fā)電機(jī)功率持續(xù)l0min 內(nèi)低于預(yù)置值 P3 時，或 10min 內(nèi)平均功率低于預(yù)置值 P4 時，將執(zhí)行大發(fā)電機(jī)向陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 12 小發(fā)電機(jī)的 切換。由于發(fā)電機(jī)在此之前仍處于出力狀態(tài)，轉(zhuǎn)速在 1500r/min 以上，脫網(wǎng)后轉(zhuǎn)速將進(jìn)一步上升。只要轉(zhuǎn)速不超過超速保護(hù)的設(shè)定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)。為了使切換過程得以安全、順利地進(jìn)行，可以考慮在大 發(fā)電機(jī)切出電網(wǎng)的同時釋放葉尖擾流器，使轉(zhuǎn)速下降到小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)預(yù)置點以下，再由液壓系統(tǒng)收回葉尖擾流器。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計 13 3 同步發(fā)電機(jī)和逆變器 同步發(fā)電機(jī) [10] 同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 圖 31 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型 圖 31 給出了最常用的轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。 轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場 (也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場 )。 除了轉(zhuǎn)場式同步電機(jī)外 ,還有轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi)，這種同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子充當(dāng)了電樞。 同步發(fā)電機(jī)的工作原理 同步發(fā)電機(jī)中靜止的部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)的部分稱為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子上有繞組，繞組中通以直流以后便可激勵磁場。根據(jù)右手定則可知：當(dāng)導(dǎo)體被 N 極磁場切割時，它的感應(yīng)電動勢方向為流出紙面；當(dāng)導(dǎo)體被 S 極磁場切割時，它的感應(yīng)電動勢方向為流入紙面。磁通首先切割 A相導(dǎo)體，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 120176。后，磁通再依次切割 B 相導(dǎo)體和 C 相導(dǎo)體。 B 相的感應(yīng)電動勢又超前 C 相感應(yīng)電陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 14 動勢 120176。這就是三相同步發(fā)電機(jī)的簡單工作原理。 同步發(fā)電機(jī)的功率特性 （ 1）功率平衡 同步發(fā)電機(jī)的功率流程如圖 32 所示。如果是負(fù)載運行，定子繞組中還存在定子銅耗 1Cup ， 12 CuM pPP ?? 就是發(fā)電機(jī)