風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的建立和仿真分析

1、摘 要風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在當(dāng)今能源短缺的情況下，變的越來越重要。由于風(fēng)的不穩(wěn)定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互影響也越來越復(fù)雜，因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性提出了更高的要求。控制系統(tǒng)對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性有很大的作用，所以有必要對(duì)控制系統(tǒng)和控制過程進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)主要依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)和控制策略，通過使用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真軟件pscad/emtdc，建立變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模型。為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)模型的可用性，建立風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對(duì)樣例系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)所得的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，從而證實(shí)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

2、模型的可用性,然后得出了它的控制方法。 通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的模擬仿真，可得如下結(jié)論：風(fēng)力發(fā)電機(jī)變漿距控制屬非線性動(dòng)態(tài)控制，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)，通過改變槳葉節(jié)距來獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制的目的；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過自動(dòng)調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定和功率曲線優(yōu)化的雙重要求。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；控制系統(tǒng)；pscad/emtdc；仿真分析abstract the wind energy which is used as a kind of clean and reproducible energy

3、, nowadays gets more and more important in the energy scarcity cases. because instability of the wind and continuous enlarging capacity of the single machine in wind power generation, mutual effect between the wind power system and the grid is more and more complicated, so the higher demand is broug

4、ht forward about the stability of output power of the wind power generation system. the control system may enhance the stability of output power, therefore we have the necessity to analyses control system and the control processes.the design mainly bases on the control target and strategies of the w

5、ind power generation. we have established the alterable pitch control model using the power system dynamic simulation software pscad/ emtdc. also we have established the model of the wind power system for validating the usability of the controller model. we have simulated the whole system and analyz

6、ed the result of simulation, and confirmed the usability of the controller model and its control method. we have simulated the control system model of the wind power generation, and got a conclusions: the alterable pitch control of wind power generation is the non-linear dynamic control, control sys

7、tem changed pitch angle for acquiring starting torque while the wind power generation started; we adjusted the pitch angle for changing angle which airflow blow vane , when the wind speed exceed rated speed, then changed the torque of aerodynamics for satisfing dual demand which are steady power out

8、put of the wind power generation and optimizing the power curve .keywords: wind power generation; control system; pscad/ emtdc; simulation and analysis 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)

9、本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論

10、文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫（設(shè)計(jì)）

11、過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的

12、指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)

13、計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）評(píng)閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日xx本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定

14、的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評(píng)定成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名）年 月 日教學(xué)系意見：系主任： （簽名）年 月 日目 錄引 言1第一章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理81.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理81.1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理81.1.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)81.2 風(fēng)資源及風(fēng)輪

15、機(jī)概述91.2.1 風(fēng)資源概述91.2.2 風(fēng)輪機(jī)的理論101.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成101.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類101.3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)111.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論131.4.1 貝茨(betz)理論141.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù)151.4.3 異步發(fā)電機(jī)基本原理16第二章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立192.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求192.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求192.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理212.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)212.2.2 控制系統(tǒng)主要參數(shù)222.2.3 控制系統(tǒng)工作原理232.2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距控制原理

16、232.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略242.3.1 風(fēng)輪機(jī)的氣動(dòng)特性242.3.2 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略262.3.3 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略272.3.4 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略272.4 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型框圖282.4.1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)282.4.2 變槳距控制系統(tǒng)292.4.3 功率控制312.5 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型的建立342.5.1 控制選擇器模型的建立342.5.2 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型的建立342.5.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的模型（在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前）352.5.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型35第三章 樣例系統(tǒng)模型的建立403.1

17、 風(fēng)速模型的建立403.1.1 風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型403.1.2 風(fēng)速模型的建立423.2 風(fēng)輪機(jī)模型的建立443.2.1 風(fēng)輪機(jī)模型及參數(shù)453.2.2 齒輪箱速比控制模型453.3 異步發(fā)電機(jī)模型的建立463.3.1 發(fā)電機(jī)控制選擇器參數(shù)463.3.2 異步發(fā)電機(jī)參數(shù)473.4 無窮大系統(tǒng)模型的建立483.4.1補(bǔ)償電容的參數(shù)483.4.2斷路器模型及參數(shù)483.4.3 升壓變壓器模型及參數(shù)503.4.4無窮大系統(tǒng)模型及參數(shù)51第四章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結(jié)果分析524.1 控制系統(tǒng)在樣例模型中的模擬仿真524.1.1 風(fēng)速模擬仿真分析524.1.2 風(fēng)輪機(jī)模擬仿真分析534.1.3 異

18、步發(fā)電機(jī)模擬仿真分析544.1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)模擬仿真分析594.1.5 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析634.2 低于額定風(fēng)速時(shí)控制的模擬仿真結(jié)果分析634.2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析634.2.2 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析654.2.3 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析654.3 高于額定風(fēng)速時(shí)控制的模擬仿真結(jié)果分析674.3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析674.3.2 風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析704.3.3 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析71結(jié) 論73參考文獻(xiàn)74附 錄75附錄a pscad/emtdc軟件簡(jiǎn)介75a.1 pscad/emtdc軟件的功能75a.1

19、.1 pscad/emtdc軟件簡(jiǎn)介75a.1.2 rtds軟件簡(jiǎn)介75a.1.3 pscad聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和硬件要求75a.1.4 pscad 應(yīng)用手冊(cè)76a.2 pscad軟件模塊的構(gòu)成76a.2.1 文件管理系統(tǒng)76a.2.2 建模(draft)模塊77a.2.3 架空線(t-line)和電纜(cable)模塊77a.2.4 運(yùn)行(run time)模塊77a.2.5 單曲線繪圖(uniplot)和多曲線繪圖(multiplot)模塊77a.3 emtdc模塊介紹77a.3.1 利用emtdc可進(jìn)行的模似研究范圍為78a.3.2 完成一次emtdc 算題的具

20、體步驟78附 錄b79b.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)模型圖79b.2 風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型圖180b.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)樣例模型圖281謝 辭82符號(hào)說明地面高度h風(fēng)速v風(fēng)能密度w空氣密度時(shí)間周期t形狀參數(shù)k尺度參數(shù)c概率統(tǒng)計(jì)時(shí)間n氣體質(zhì)量m氣體體積v氣體動(dòng)能e有功功率p風(fēng)輪角頻率w轉(zhuǎn)距系數(shù)cr無功功率q推力系數(shù)cp風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓u風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流i風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速r風(fēng)力發(fā)電機(jī)滑差s發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)e發(fā)電機(jī)定子漏抗x1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子漏抗x2發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電抗xm系統(tǒng)頻率f0轉(zhuǎn)距m極對(duì)數(shù)pn微分算子p槳距角xx本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書引 言隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質(zhì)

21、的排放量與日俱增，從而造成氣候異常、災(zāi)害增多、惡性疾病的多發(fā)，因此，能源和環(huán)境問題成為當(dāng)今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機(jī)以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認(rèn)識(shí)到開發(fā)清潔的可再生能源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要?？梢哉f，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究和進(jìn)行這方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們從事風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的同學(xué)是有著十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義的，也是十分有必要的。風(fēng)力發(fā)電起源于20世紀(jì)70年代，技術(shù)成熟于80年代，自90年代以來風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了大發(fā)展階段。隨著風(fēng)力發(fā)電容量的不斷增大，控制方式從基本單一的定槳距失速控制向全槳葉變距控制和變速控制發(fā)展。前人在風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理和能量轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分

22、析了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略，并對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要控制是在起動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制和并網(wǎng)后對(duì)輸入功率的控制。通過變距控制可以根據(jù)風(fēng)速來調(diào)整槳葉節(jié)距角，以滿足發(fā)電機(jī)起動(dòng)與系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的雙重要求。但由于對(duì)運(yùn)行工況的認(rèn)識(shí)不足，對(duì)變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的要求，更達(dá)不到優(yōu)化功率曲線和穩(wěn)定功率輸出的要求。本篇論文主要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求和控制策略,在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)仿真方面作了初步的探究和研究。通過控制系統(tǒng)保持了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，并

23、實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定機(jī)組輸出功率和優(yōu)化功率曲線的控制功能。利用控制系統(tǒng)使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不出故障或少出故障，并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。本篇論文主要是通過pscad/emtdc仿真軟件，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，對(duì)自建的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型進(jìn)行仿真分析，利用運(yùn)行模塊進(jìn)行emtdc模擬計(jì)算，驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的可用性，并且通過單曲線繪圖對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報(bào)告的模擬結(jié)果圖形。 本文在編寫過程中，受到老師的大力支持和精心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和pscad/emtdc仿真等的相關(guān)知識(shí)

24、對(duì)我們來講都是平時(shí)很少接觸和涉及的，而且，這些學(xué)科中的很多東西都是較為前沿的。由于本人的理論水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所限、編寫時(shí)間倉促，書中錯(cuò)誤疏漏之處難免，敬請(qǐng)老師不咎指正。第一章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理1.1.1 風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)能具有一定的動(dòng)能，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)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(jī)發(fā)電的。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。風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖1-1所示。空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能

25、，從而推動(dòng)片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。1.1.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)（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(diǎn)。（2）建設(shè)周期短一個(gè)十兆瓦級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期不到一年。（3）裝機(jī)規(guī)模靈活可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺(tái)資金就可以安裝一臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)。（4）可靠性高把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá)20年。（5）造價(jià)低 從國(guó)外建成的風(fēng)電場(chǎng)看，單位千瓦造價(jià)和單位千瓦時(shí)電價(jià)都低于火力發(fā)電，和常規(guī)

26、能源發(fā)電相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)由于中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部從國(guó)外引進(jìn)，造價(jià)和電價(jià)相對(duì)比火力發(fā)電高，但隨著大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)和電價(jià)都將低于火力發(fā)電。（6）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單現(xiàn)代中大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)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(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問題。（7）實(shí)際占地面積小發(fā)電機(jī)組與監(jiān)控、變電等建筑僅占火電廠1%的土地，其余場(chǎng)地仍可供農(nóng)、牧、漁使用。（8）發(fā)電方式多樣化風(fēng)力發(fā)電既可并網(wǎng)運(yùn)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(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行，因此對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實(shí)可行性。

27、（9）單機(jī)容量小由于風(fēng)能密度低決定了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電機(jī)組和核電機(jī)組無法相比。另外風(fēng)況是不穩(wěn)定的，有時(shí)無風(fēng)有時(shí)又有破壞性的大風(fēng)，這都是風(fēng)力發(fā)電必須解決的實(shí)際問題。1.2 風(fēng)資源及風(fēng)輪機(jī)概述1.2.1 風(fēng)資源概述（1）風(fēng)的起源風(fēng)的形成乃是空氣流動(dòng)的結(jié)果。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輻射強(qiáng)度不同而形成的。大氣的流動(dòng)也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在665°的夾角，因此對(duì)地球上不同地點(diǎn)太陽照射角度是不同的，而且對(duì)同一地點(diǎn)一年中這個(gè)角度也是變化的。地球

28、上某處所接受的太陽輻射能與該地點(diǎn)太陽照射角的正弦成正比。（2）風(fēng)的參數(shù)風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)描述風(fēng)的重要參數(shù)。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)速是表示風(fēng)移動(dòng)的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過的距離。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。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。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。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。（3）風(fēng)能的基本情況1風(fēng)能的特點(diǎn)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。 風(fēng)能資源的估算風(fēng)能

29、的大小實(shí)際就是氣流流過的動(dòng)能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為 (1-1)式中 為風(fēng)能(w)；為空氣密度(kg/m)；為風(fēng)速(m/s)。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過一段時(shí)間的觀測(cè)來了解它的平均狀況，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。因此需要求出在一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個(gè)值可以將風(fēng)能密度公式對(duì)時(shí)間積分后平均來求得。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 （1-2）1.2.2 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。風(fēng)輪機(jī)的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機(jī)垂直軸

30、風(fēng)輪機(jī)和特殊風(fēng)輪機(jī)三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機(jī)。1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成1.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類5風(fēng)力發(fā)電機(jī)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（10100kw）和大型（100kw以上）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。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。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，主要優(yōu)點(diǎn)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(dòng)對(duì)風(fēng)輪動(dòng)態(tài)特性的影響。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。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國(guó)家很少，主要原因是垂直軸

31、風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低，需啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)還有些技術(shù)問題尚待解決。在本文中以后不做特殊說明時(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。1.3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙機(jī)座回轉(zhuǎn)體制動(dòng)器等）組成的。(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。圖1.2 (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。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)接受風(fēng)能的部件。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)上每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長(zhǎng)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(qiáng)化塑

32、料（grp）制造。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)超過允許值。輪轂是連接葉片和主軸的零部件。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(jì)。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(qiáng)度合金鋼制成。（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。由于風(fēng)輪機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速下，為實(shí)現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風(fēng)電機(jī)

33、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。（4）聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機(jī)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(dòng)器設(shè)計(jì)在一起。（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。（6）發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。大型風(fēng)電機(jī)（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風(fēng)電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至1-3萬伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)上常用的發(fā)電機(jī)有以下幾種： 直流發(fā)電機(jī)，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。 永磁發(fā)電機(jī)，常用在小型風(fēng)力發(fā)電

34、機(jī)上?，F(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)明了交流電壓440/240v的高效永磁交流發(fā)電機(jī)，可以做成多對(duì)極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 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。 （7）塔架塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。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。 （8）調(diào)速裝置風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。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。目前世界各國(guó)所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種：可變漿距的調(diào)速裝置；定漿距葉尖失速控制的調(diào)速裝置；離心飛球調(diào)速裝置；空氣動(dòng)力

35、調(diào)速裝置；扭頭、仰頭調(diào)速裝置。（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。借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。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。通常在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。 （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)

36、電纜解繞、過振動(dòng)停機(jī)、過大風(fēng)停機(jī)等的自動(dòng)控制。自我故障診斷及微機(jī)終端故障輸出需維修的故障，由維修人員維修后給微機(jī)以指令，微機(jī)再執(zhí)行自動(dòng)控制程序。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)無人職守的自動(dòng)控制。（11）電纜扭纜計(jì)數(shù)器電纜是用來將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下的重要裝置。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)，電纜將越來越扭曲，導(dǎo)致電纜扭斷或出現(xiàn)其他故障。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)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(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

37、車停機(jī)，然后解纜。1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)理論1.4.1 貝茨(betz)理論世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的比較完整的理論是1919年由a·貝茨(betz)建立的。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(duì)氣流沒有任何阻力。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”。如圖1-3所示，我們分析一個(gè)放置在移動(dòng)的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所受到的力及移動(dòng)的空氣對(duì)風(fēng)輪葉片所做的功。風(fēng)吹到葉片上所做的

38、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 ，。如果假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得 (1-3)由流體力學(xué)可知?dú)饬鞯膭?dòng)能為 (1-4)設(shè)單位時(shí)間內(nèi)氣流流過載面積為s的氣體的體積為v，則。如果以表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量，此時(shí)氣體所具有的動(dòng)能為 (1-5)的單位是kg/m3；v的單位是m3；的單位是m/s；t的單位是w。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，其中和隨地理位置、海拔、地形等因素而變。風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 (1-6)式中 空氣當(dāng)時(shí)的密度風(fēng)輪所接受的功率為 (1-7)所以經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化 (1-8)式中 空氣質(zhì)量 (1

39、-9) (1-10)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 (1-11) (1-12)風(fēng)速是給定的，的大小取決于，是的函數(shù)，對(duì)微分求最大值得 (1-13)令其等于0，求解方程得 (1-14) (1-15)16/27=0593，稱作貝茨功率系數(shù) (1-16)而正是風(fēng)速為的風(fēng)能，故 (1-17)=0593，說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率為風(fēng)吹過葉片掃掠面積的風(fēng)能的593。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對(duì)風(fēng)輪葉片做功的最高效率是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593，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取0.25-0.45。1.4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性系數(shù)貝茨

40、理論提供了風(fēng)能的基本理論，但在討論風(fēng)輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與控制時(shí)有幾個(gè)特性系數(shù)具有特別重要的意義。（1）風(fēng)能利用系數(shù)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)表示 (1-18)（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)速之比來衡量稱為葉尖速比 (1-19)低速風(fēng)輪取較小值；高速風(fēng)輪取較大值。（3）轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)為了便于把氣流作用下的風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進(jìn)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。 (1-20) (1-21)1.4.3 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

41、終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機(jī)的性能好壞直接影響整機(jī)效率和可靠性。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)吸收無功功率以提供自身的勵(lì)磁。這一缺點(diǎn)可以通過在發(fā)電機(jī)端并聯(lián)電容器來改善。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。本論文的研究對(duì)象中使用也是異步發(fā)電機(jī)，下面我們對(duì)異步機(jī)做以下的簡(jiǎn)單介紹。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)。異步機(jī)作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛異步機(jī)作為發(fā)電機(jī)的情況則比較少。但由于異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜

42、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。異步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和同步發(fā)電機(jī)的一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。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。異步機(jī)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(chǎng)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(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。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。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的差為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率用表示 (1-22)轉(zhuǎn)差率是表證異步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)基本變量

43、。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（）則轉(zhuǎn)差率，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。此時(shí)轉(zhuǎn)子從原動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械功率通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。（2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)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。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機(jī)功率決定的參數(shù)。發(fā)電機(jī)額定功率發(fā)電機(jī)的額定功率是發(fā)電機(jī)在額定功率因數(shù)下連續(xù)運(yùn)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。它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。單位為kw；也有用視在功率表示的單位為kva。發(fā)電機(jī)是交流還是直流微小型風(fēng)力發(fā)電

44、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)。這要視用戶的用途、發(fā)電機(jī)功率而確定。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)。永磁交流發(fā)電機(jī)等。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。額定功率因數(shù)發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其有功功率與視在功率的比值用以下公式來表示 (1-23)p為有功功率 kw，s為視在功率kva，cos與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。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)速用表示。額定頻率發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)其電壓變化的頻率。中國(guó)交流電網(wǎng)電壓頻率為50hz。國(guó)外也有交流電網(wǎng)60hz的。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。發(fā)電機(jī)額定溫

45、升發(fā)電機(jī)在額定功率輸出及額定負(fù)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。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 (1-24)式中 發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；同步轉(zhuǎn)速r/min。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全效率為風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率、增速器的效率、發(fā)電機(jī)的效率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率等的積 (1-25)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(jī)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(chǎng)長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重大問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，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。往往不是控制系統(tǒng)功能而是它的可靠性直接

46、影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聲譽(yù)。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(yīng)有的作用。因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用者來說,系統(tǒng)的安全可靠性必須認(rèn)真加以考慮,必須引起足夠的重視。我們的目的是希望通過控制系統(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。2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制要求2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的控制要求(1) 控制思想3定槳距失速型機(jī)組控制風(fēng)速超過風(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

47、機(jī)組輸出功率不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過載，通過空氣動(dòng)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。變槳距失速型機(jī)組控制風(fēng)速超過風(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)組過載，通過改變槳葉節(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?？刂乒δ芎涂刂茀?shù)節(jié)距限制、功率限制、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電氣負(fù)荷的連接、起動(dòng)和停機(jī)過程、電網(wǎng)或負(fù)荷丟失時(shí)的停機(jī)、扭纜的限制、機(jī)艙對(duì)風(fēng)、運(yùn)行時(shí)電量和溫度的限制。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)過載和故障、過振動(dòng)、電網(wǎng)或負(fù)載丟失、脫網(wǎng)時(shí)的停機(jī)

48、失敗時(shí)。保護(hù)環(huán)節(jié)為多級(jí)安全鏈互鎖在控制過程中具有“與”的功能在達(dá)到控制目標(biāo)方面可實(shí)現(xiàn)邏輯“或”結(jié)果。(2) 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制要求開機(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)。小風(fēng)和逆功率脫網(wǎng):機(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)并網(wǎng)。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)。緊急故障脫網(wǎng)停機(jī):緊急故障(飛車、超速、負(fù)荷丟失等)緊急停機(jī)偏航控制（90度）脫網(wǎng)機(jī)械剎車。 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)。大風(fēng)脫網(wǎng)控制：10分平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)超速、過載脫網(wǎng)停機(jī)氣動(dòng)

49、剎車偏航控制（90度）功率下降后脫網(wǎng)剎機(jī)械閘安全停機(jī)風(fēng)速回到工作風(fēng)速區(qū)后恢復(fù)自動(dòng)對(duì)風(fēng)轉(zhuǎn)速上升后自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)動(dòng)。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。偏轉(zhuǎn)90度對(duì)風(fēng)控制：機(jī)組在大風(fēng)速或超轉(zhuǎn)速工作時(shí)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率安全停機(jī)。當(dāng)10分平均風(fēng)速大于25m/s時(shí)或超過超速上限時(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)。功率調(diào)節(jié)：當(dāng)機(jī)組在額定風(fēng)速以上并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)失速型機(jī)組發(fā)電機(jī)的功率不會(huì)超過額定功率的15%過載脫網(wǎng)停機(jī)。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1.5倍控制發(fā)電機(jī)端電壓。（3）控制保護(hù)要求主電路保護(hù)：變壓器低壓側(cè)三相四線進(jìn)線處設(shè)置低壓配電低壓斷路器維護(hù)操作安全和短路過載保護(hù)。過電壓、過電流保護(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)置過電壓、過電流保護(hù)措施。防雷設(shè)施及熔絲：控制系統(tǒng)有專門設(shè)計(jì)的防雷保護(hù)裝置。過繼電保護(hù)：運(yùn)行的所有輸出運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的過熱、過載保護(hù)控制裝置。接地保護(hù)：金屬部分均要實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地。2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理2.2.1 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)換過程的裝置。風(fēng)輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從風(fēng)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程，在考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)時(shí)應(yīng)結(jié)合它們的運(yùn)行方式