風(fēng)力發(fā)電的基本原理

1、1 引言風(fēng)是最常見的自然現(xiàn)象之一，是太陽對地球表面不均衡加熱而引起的“空氣流動”，流動空氣具有的動能稱之為風(fēng)能。因此，風(fēng)能是一種廣義的太陽能。據(jù)世界氣象組織（WMO）和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)能資源為200億kW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風(fēng)能為2.53億kW，海上可利用的風(fēng)能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風(fēng)能是10m高度層的2倍，風(fēng)能資源非常豐富。風(fēng)能是一種技術(shù)比較成熟、很有開發(fā)利用前景的可再生能源之一。風(fēng)能的利用方式不僅有風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水，而且還有風(fēng)力致熱、風(fēng)帆助航等。因此，開發(fā)利用風(fēng)能對世界各國科技工作者具有極強的魅力，從而喚起

2、了世界眾多的科學(xué)家致力于風(fēng)能利用方面的研究。在本文中，將對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的基本原理和發(fā)電機的發(fā)展方向進(jìn)行論述。1.1 溫度、大氣壓力和空氣密度通過溫度計和氣壓計測試出實驗地點的環(huán)境溫度和大氣壓，由下式計算出空氣密度。 （1）式中的是空氣密度，H是當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，T是溫度（單位是攝氏度）。從空氣密度公式可以看出，空氣密度的大小與大氣壓力、溫度有關(guān)。1.2 風(fēng)能的計算公式空氣運動具有動能。風(fēng)能是指風(fēng)所具有的動能。如果風(fēng)力發(fā)電機葉輪的斷面面積為A，則當(dāng)風(fēng)速為V的風(fēng)流經(jīng)葉輪時，單位時間風(fēng)傳遞給葉輪的風(fēng)能為（本論文公式中的物理量除特殊情況說明外均采用國際單位） （2）其中：單位時間質(zhì)量流量m=AV （3）而

3、風(fēng)能發(fā)電機實際轉(zhuǎn)換的有用功率是： （4）式中的是每秒空氣流過風(fēng)力發(fā)電機葉輪斷面面積的風(fēng)能，即風(fēng)能功率，單位W，是葉輪的風(fēng)能利用系數(shù)，是齒輪箱和傳動系統(tǒng)的機械效率，一般為0.800.95，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機為1.0，是發(fā)電機效率，一般為0.700.98，是空氣密度，A是風(fēng)力發(fā)電機葉輪旋轉(zhuǎn)一周所掃過的面積，V是風(fēng)速。1.3 貝茨（Betz）理論第一個關(guān)于風(fēng)輪的完整理論是由德國哥廷根研究所的A·貝茨于1926年建立的。貝茨假定風(fēng)輪是理想的，也就是說沒有輪轂，而葉片數(shù)是無窮多，并且對通過風(fēng)輪的氣流沒有阻力。因此這是一個純粹的能量轉(zhuǎn)換器。此外還進(jìn)一步假設(shè)氣流在整個風(fēng)輪掃掠面上的氣流是均勻的，氣流

4、速度的方向無論在風(fēng)輪前后還是通過時都是沿著風(fēng)輪軸線的。通過分析一個放置在移動空氣中的“理想”風(fēng)輪得出風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功率為 （5）式中的是風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功率，是空氣密度，A是風(fēng)力發(fā)電機葉輪旋轉(zhuǎn)一周所掃過的面積，V是風(fēng)速。這個表達(dá)式稱為貝茨公式。其假定條件是風(fēng)速與風(fēng)輪軸方向一致并在整個風(fēng)輪掃掠面上是均勻的。將(5)式除以氣流通過掃掠面A時風(fēng)所具有的動能，可推得風(fēng)力機的理論最大效率 （6） (6)式即為有名的貝茲（Betz）理論的極限值。它說明，風(fēng)力機從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機和發(fā)電機的型式而

5、異，因此，風(fēng)力機的實際風(fēng)能利用系數(shù)Cp<0.593。1.4 風(fēng)力機的主要組成1.4.1 小型風(fēng)力發(fā)電機小型水平軸風(fēng)力機主要組成部分有：風(fēng)輪、發(fā)電機、塔架、調(diào)向機構(gòu)、蓄能系統(tǒng)、逆變器等。風(fēng)輪是風(fēng)力機從風(fēng)中吸收能量的部件，其作用是把空氣流動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機械能。水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪是由13個葉片組成的。在風(fēng)力發(fā)電機中，已采用的發(fā)電機有3種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。小型風(fēng)力發(fā)電機多采用同步或異步交流發(fā)電機，發(fā)出的交流電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。塔架用于支撐 發(fā)電機和調(diào)向機構(gòu)等。因風(fēng)速隨離地面的高度增加而增加，塔架越高，風(fēng)輪單位面積捕捉的風(fēng)能越多，但造價、安裝費等

6、也隨之加大。垂直軸風(fēng)力機可接受任何方向吹來的風(fēng)，因此不需要調(diào)向機構(gòu)。對于水平軸風(fēng)力機，為了得到最高的風(fēng)能利用效率，應(yīng)用風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準(zhǔn)風(fēng)向，需要對風(fēng)裝置。常用的調(diào)向機構(gòu)主要有尾舵、舵輪、電動對風(fēng)裝置。當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機的設(shè)計風(fēng)速時，為了防止葉片損壞，需要對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制需要限速裝置。貯能裝置對獨立運行的小型風(fēng)力機是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、化學(xué)能貯存。逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足交流電氣設(shè)備用電的要求。1.4.2 大型風(fēng)力發(fā)電機大型風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成：氣動機械部分和電氣部分。氣動機械部分包括風(fēng)輪、低速軸、增速齒輪箱、高速軸，其功能是驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械

7、能。電氣部分包括異步發(fā)電機、電力電子變頻器、變壓器和電網(wǎng)，其功能是將機械能轉(zhuǎn)換為頻率恒定的電能。近年來，又研制成功了直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組（無增速齒輪箱）。1.5 風(fēng)力發(fā)電的功率曲線在風(fēng)速很低的時候，風(fēng)電機風(fēng)輪會保持不動。當(dāng)?shù)竭_(dá)切入風(fēng)速時（通常每秒3到4米），風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)并牽引發(fā)電機開始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來越強，輸出功率會增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時，風(fēng)電機會輸出其額定功率。之後輸出功率大致會保持不變。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加，達(dá)到切出風(fēng)速的時候,風(fēng)電機會剎車，不再輸出功率，為免受損.風(fēng)力發(fā)電機的性能可以用功率曲線（參見圖1）來表達(dá)。功率曲線是用作顯示 在 不 同 風(fēng) 速 下 （ 切 入 風(fēng) 速 到

8、切 出 風(fēng) 速 ） 風(fēng) 電 機 的 輸 出 功 率。1.6 風(fēng)力發(fā)電機的額定輸出功率 風(fēng)力發(fā)電機的額定輸出功率是配合特定的額定風(fēng)速而設(shè)定的。由于能量與風(fēng)速的立方成正比,因此，風(fēng)力發(fā)電機的功率隨風(fēng)速變化會很大。同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑相同 的風(fēng)電機可以配以不同大小的發(fā)電機。因此兩座同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑相同的風(fēng)電機可 能有相當(dāng)不同的額定輸出功率值，這取決于它的設(shè)計是配合強風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機）還是弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機）而定。圖1 V52-850 千瓦風(fēng)力發(fā)電機功率曲線2 風(fēng)力發(fā)電的過程以及原理21 風(fēng)力發(fā)電機的工作過程及原理總體來說風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提

9、升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)(如圖2所示)：風(fēng)力發(fā)電機充電器數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。 風(fēng)力發(fā)電機因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電能

10、變成化學(xué)能。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用?，F(xiàn) 代 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的設(shè)計符合空 氣 動 力 學(xué) 原 理 ， 就 像 飛 機 的 機 翼 一 樣 。 風(fēng) 并 非 " 推 " 動 風(fēng) 輪 葉 片 ， 而 是 吹 過 葉 片 形 成 葉 片 正 反 面 的 壓 差 ， 這 種 壓 差 會 產(chǎn) 生 升 力 ， 令 風(fēng) 輪 旋 轉(zhuǎn) 并 不 斷 橫 切 風(fēng) 流 。風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 風(fēng) 輪 并 不 能 提 取 風(fēng) 的 所 有 功 率 。 根 據(jù) Betz 定 律 ， 理 論 上 風(fēng) 電 機 能 夠 提 取 的 最 大 功

11、率 ， 是 風(fēng) 的 功 率 的 59.6% 。 大 多 數(shù) 風(fēng) 電 機 只 能 提 取 風(fēng) 的 功 率 的 40% 或 者 更 少 。風(fēng) 力 發(fā) 電 機 主 要 包 含 三 部 分 風(fēng) 輪 、機 艙 和 塔 桿 。 大 型 與 電 網(wǎng) 接 駁 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 最 常 見 的 結(jié) 構(gòu) 是 橫 軸 式 三 葉風(fēng)能葉片轉(zhuǎn)動機頭產(chǎn)生電能充電器整流蓄電瓶充電逆變器轉(zhuǎn)化為交流尾翼使葉片始終對著風(fēng)轉(zhuǎn)體使機頭靈活轉(zhuǎn)動圖2 風(fēng)力發(fā)電機的工作流程圖片 風(fēng) 輪 ， 并 安 裝 在 直 立 管 狀 塔 桿 上 （參見圖3）。不 像 小 型 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 ， 大 型 風(fēng) 電 機 的 風(fēng) 輪 轉(zhuǎn) 動 相

12、 當(dāng) 慢 。 比 較 簡 單 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 是 采 用 固 定 速 度 的 。 通 常 采 用 兩 個 不 同 的 速 度 - 在 弱 風(fēng) 下 用 低 速 和 在 強 風(fēng) 下 用 高 速 。 這 些 定 速 風(fēng) 電 機 的 感 應(yīng) 式 異 步 發(fā) 電 機 能 夠 直 接 發(fā) 產(chǎn) 生 電 網(wǎng) 頻 率 的 交 流 電 。比 較 新 型 的 設(shè) 計 一 般 是 可 變 速 的 （ 比 如 Vestas 公 司 的 V52-850 千 瓦 風(fēng) 電 機（參見圖3） 轉(zhuǎn) 速 為 每 分 鐘 14 轉(zhuǎn) 到 每 分 鐘 31.4 轉(zhuǎn) ） 。 利 用 可 變 速 操 作 ， 風(fēng) 輪 的 空 氣 動 力

13、 效 率 可 以 得 到 改 善 ， 從 而 提 取 更 多 的 能 量 ， 而 且 在 弱 風(fēng) 情 況 下 噪 音 更 低 。 因 此 ， 變 速 的 風(fēng) 電 機 設(shè) 計 比 起 定 速 風(fēng) 電 機 ， 越 來 越 受 歡 迎 。機 艙 上 安 裝 的 感 測 器 探 測 風(fēng) 向 ， 透 過 轉(zhuǎn) 向 機 械 裝 置 令 機 艙 和 風(fēng) 輪 自 動 轉(zhuǎn) 向 ， 面 向 來 風(fēng) 。風(fēng) 輪 的 旋 轉(zhuǎn) 運 動 通 過 齒 輪 變 速 箱 傳 送 到 機 艙 內(nèi) 的 發(fā) 電 機 （ 如 果 沒 有 齒 輪 變 速 箱 則 直 接 傳 送 到 發(fā) 電 機 ） 。 在 風(fēng) 電 工 業(yè) 中 ， 配 有 變

14、 速 箱 的 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 是 很 普 遍 的 。 不 過 ， 為 風(fēng) 電 機 而 設(shè) 計 的 多 極 直 接 驅(qū) 動 式 發(fā) 電 機 ， 也 有 顯 著 的 發(fā) 展 。設(shè)于塔 底 的 變 壓 器 （ 或 者 有 些 設(shè) 于 機 艙 內(nèi) ） 可 提 升 發(fā) 電 機 的 電 壓 到 配 電 網(wǎng) 電 壓 。所 有 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 的 功 率 輸 出 是 隨 著 風(fēng) 力 而 變 的 。 強 風(fēng) 下 最 常 見 的 兩 種 限 制 功 率 輸 出 的 方 法 （ 從 而 限 制 風(fēng) 輪 所 承 受 壓 力 ） 是 失 速 調(diào) 節(jié) 和 斜 角 調(diào) 節(jié) 。 使 用 失 速 調(diào) 節(jié) 的 風(fēng) 電 機

15、 ， 超 過 額 定 風(fēng) 速 的 強 風(fēng) 會 導(dǎo) 致 通 過葉片 的 氣 流 產(chǎn) 生 擾 流 ， 令 風(fēng) 輪 失 速 。 當(dāng) 風(fēng) 力 過 強 時 ，葉片 尾 部 制 動 裝 置 會 動 作 ， 令 風(fēng) 輪 剎 車 。 使 用 斜 角 調(diào) 節(jié) 的 風(fēng) 電 機 ， 每 片 葉 片 能 夠 以 縱 向 為 軸 而 旋 轉(zhuǎn) ， 葉 片 角 度 隨 著 風(fēng) 速 不 同 而 轉(zhuǎn) 變 ， 從 而 改 變 風(fēng) 輪 的 空 氣 動 力 性 能 。 當(dāng) 風(fēng) 力 過 強 時 ， 葉 片 轉(zhuǎn) 動 至 迎 氣 邊 緣 面 向 來 風(fēng) ， 從 而 令 風(fēng) 輪 剎 車 。葉 片 中 嵌 入 了 避 雷 條 ， 當(dāng) 葉 片

16、遭 到 雷 擊 時 ， 可 將 閃 電 中 的 電 流 引 導(dǎo) 到 地 下 去 。 圖3 風(fēng)力發(fā)電機 圖4 Vestas V52-850 風(fēng) 力 發(fā) 電 機 機 艙 內(nèi) 的 組 成 部 份2.2 風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)的工作過程及原理風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)，不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機組運行參數(shù)，對機組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性和可靠性，而且還要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化，對機組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為3 個層次：保證可靠運行、獲取最大能量、提供良好的電力質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的作用是對整個風(fēng)力發(fā)電機組實施正常操作、調(diào)

17、節(jié)和保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)控制功能的過程為(如圖5所示)：  啟動控制當(dāng)風(fēng)速檢測系統(tǒng)在一段持續(xù)時間內(nèi)測得風(fēng)速平均值達(dá)到切入風(fēng)速，并且系統(tǒng)自檢無故障時，控制系統(tǒng)發(fā)出釋放制動器命令，機組由待風(fēng)狀態(tài)進(jìn)入低風(fēng)速起動； 并/ 脫網(wǎng)控制當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，執(zhí)行并網(wǎng)操作。為了減小對電網(wǎng)的沖擊，通常采用晶閘管軟切入并網(wǎng)。軟切入時，限制發(fā)電機并網(wǎng)電流并監(jiān)視三相電流的平衡度，如果不平衡度超出限制則需停機。除此之外，軟切入裝置還可以使風(fēng)力發(fā)電機在低風(fēng)速下起動。當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時，應(yīng)控制已并網(wǎng)的發(fā)電機脫離電網(wǎng)，并在風(fēng)速低于4 m/ s 時進(jìn)行機械制動； 偏航與解纜偏航控制即根據(jù)風(fēng)向自

18、動跟風(fēng)。由于連續(xù)跟蹤風(fēng)向可能造成電纜纏繞，因此控制系統(tǒng)還具有解纜功能； 限速及剎車當(dāng)轉(zhuǎn)速超越上限發(fā)生飛車時，發(fā)電機自動脫離電網(wǎng)，槳葉打開實行軟剎車，液壓制動系統(tǒng)動作，抱閘剎車，使槳葉停止轉(zhuǎn)動，調(diào)向系統(tǒng)將機艙整體偏轉(zhuǎn)90o側(cè)風(fēng)，對整個塔架實施保護(hù)。另外，控制系統(tǒng)還應(yīng)具有以下功能：根據(jù)功率以及風(fēng)速自動進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制；根據(jù)功率因數(shù)自動投入（或切出）相應(yīng)的補償電容；機組運行過程中，對電網(wǎng)、風(fēng)況和機組運行狀況進(jìn)行檢測和記錄，對出現(xiàn)的異常情況能夠自行判斷并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，而且還能根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)生成各種圖表，以反映風(fēng)力發(fā)電機組的各項性能指標(biāo)；對在風(fēng)電場中運行的風(fēng)力發(fā)電機組還應(yīng)具備遠(yuǎn)程通信功能。運行過

19、程中，控制系統(tǒng)需要監(jiān)測的主要參數(shù)包括以下幾個方面： 電力參數(shù)電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率及發(fā)電機功率因數(shù)等； 風(fēng)力參數(shù)風(fēng)速、風(fēng)向； 機組狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)速（ 發(fā)電機、風(fēng)輪）、溫度（ 發(fā)電機、控制器、軸承、增速器油溫等）、電纜扭轉(zhuǎn)、機械剎車狀況、機艙振動、油位（ 潤滑油位、液壓系統(tǒng)油位）； 反饋信號回收葉間擾流器、松開機械剎車、松開偏航制動器、發(fā)電機脫網(wǎng)及脫網(wǎng)后的轉(zhuǎn)速降落信號。啟動 發(fā)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速風(fēng)速的平均值達(dá)到切入風(fēng)速系統(tǒng)自檢無故障啟動風(fēng)速低于切入風(fēng)速轉(zhuǎn)速超越上限發(fā)生飛車脫網(wǎng)并網(wǎng)偏航與解纜風(fēng)速的平均值達(dá)到切入風(fēng)速系統(tǒng)自檢無故障啟動圖5 風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機組控制

20、的示意圖3風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)當(dāng)平均風(fēng)速高于3m/s時，風(fēng)輪開始逐漸起動；風(fēng)速繼續(xù)升高，當(dāng)v>4m/s時，機組可自起動直到某一設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時發(fā)電機將按控制程序被自動地聯(lián)入電網(wǎng)。一般總是小發(fā)電機先并網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)升高到78m/s，發(fā)電機將被切換到大發(fā)電機運行。如果平均風(fēng)速處于820m/s，則直接從大發(fā)電機并網(wǎng)。發(fā)電機的并網(wǎng)過程，是通過三相主電路上的三組晶閘管完成的。當(dāng)發(fā)電機過渡到穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)后，與晶閘管電路平行的旁路接觸器合上，機組完成并網(wǎng)過程，進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)。為了避免產(chǎn)生火花，旁路接觸器的開與關(guān)，都是在晶閘管關(guān)斷前進(jìn)行的。 3.1 大小發(fā)電機的軟并網(wǎng)程序1)發(fā)電機轉(zhuǎn)速已達(dá)到預(yù)置的切人點

21、，該點的設(shè)定應(yīng)低于發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速。2)連接在發(fā)電機與電網(wǎng)之間的開關(guān)元件晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通(這時旁路接觸器處于斷開狀態(tài))，導(dǎo)通角隨發(fā)電機轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速的接近而增大，隨著導(dǎo)通角的增大，發(fā)電機轉(zhuǎn)速的加速度減小。3)當(dāng)發(fā)電機達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，晶閘管導(dǎo)通角完全打開，轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。      4)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，晶閘管導(dǎo)通角繼續(xù)完全導(dǎo)通，但這時絕大部分的電流是通過旁路接觸器輸送給電網(wǎng)的，因為它比晶閘管電路的電阻小得多。并網(wǎng)過程中，電流一般被限制在大發(fā)電機額定電流以下，如超出額定電流時間持續(xù)3.0s，可以斷定晶閘管故障，需要安全停機。由于并網(wǎng)過程

22、是在轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行的，這時轉(zhuǎn)差不大，沖擊電流較小，主要是勵磁涌流的存在，持續(xù)3040ms。因此無需根據(jù)電流反饋調(diào)整導(dǎo)通角。晶閘管按照0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，180°導(dǎo)通角依次變化，可保證起動電流在額定電流以下。晶閘管導(dǎo)通角由0°大到180°完全導(dǎo)通，時間一般不超過6s，否則被認(rèn)為故障。晶閘管完全導(dǎo)通1s后，旁路接觸器吸合，發(fā)出吸合命令1s內(nèi)應(yīng)收到旁路反饋信號，否則旁路投入失敗，正常停機。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

23、組進(jìn)入正常運行。3.2 從小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換為提高發(fā)電機運行效率，風(fēng)力發(fā)電機采用了雙速發(fā)電機。低風(fēng)速時，小發(fā)電機工作，高風(fēng)速時，大發(fā)電機工作。小發(fā)電機為6極繞組，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，大發(fā)電機為4極繞組，同步轉(zhuǎn)速1500r/min。小發(fā)電機向大發(fā)電機切換的控制，一般以平均功率或瞬時功率參數(shù)為預(yù)置切換點。例如NEGMicon 750kW機組以10min平均功圖6 大小發(fā)電機的軟并網(wǎng)過程圖發(fā)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到切入點晶閘管開始導(dǎo)通轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速發(fā)電晶閘管導(dǎo)通角繼續(xù)完全導(dǎo)通大部分電流送給電網(wǎng)發(fā)電機達(dá)到同步轉(zhuǎn)速晶閘管導(dǎo)通角完全打開圖7 從小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換過程示意圖低風(fēng)速時小發(fā)電機工作斷

24、開小發(fā)電機接觸器斷開旁路接觸器發(fā)電機脫網(wǎng)執(zhí)行大小發(fā)電機的軟并網(wǎng)程序大發(fā)電機工作功率值全部大于某一預(yù)置值 率達(dá)到某一預(yù)置值或4min平均功率達(dá)到預(yù)置值為切換依據(jù)。采用瞬時功率參數(shù)時，一般以5min內(nèi)測量的功率值全部大于某一預(yù)置值，或lmin內(nèi)的功率全部大于預(yù)置值作為切換的依據(jù)。執(zhí)行小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換時，首先斷開小發(fā)電機接觸器，再斷開旁路接觸器。此時，發(fā)電機脫網(wǎng)，風(fēng)力將帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速上升，在到達(dá)同步轉(zhuǎn)速1500r/min附近時，再次執(zhí)行大小發(fā)電機的軟并網(wǎng)程序（切換的過程如圖7所示）。3.3 大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換當(dāng)發(fā)電機功率持續(xù)10min內(nèi)低于預(yù)置值時,或10min內(nèi)平均功率低于預(yù)置值

25、時，將執(zhí)行大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換。首先斷開大發(fā)電機接觸器，再斷開旁路接觸器。由于發(fā)電機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。由于存在過速保護(hù)和計算機超速檢測，因此，應(yīng)迅速投入小發(fā)電機接觸器，執(zhí)行軟并網(wǎng)，由電網(wǎng)負(fù)荷將發(fā)電機轉(zhuǎn)速拖到小發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速附近。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)電機軟并網(wǎng)。由于風(fēng)力機是一個巨大的慣性體,當(dāng)它轉(zhuǎn)速降低時要釋放出巨大的能量，這些能量在過渡過程中將全部加在小發(fā)電機軸上而轉(zhuǎn)換成電能，這就必然使過渡過程延長。高風(fēng)速時大發(fā)電機工作發(fā)電機功率低于預(yù)置值斷開大發(fā)電機接觸器斷開旁路接觸器發(fā)電機脫網(wǎng)小發(fā)電機工作執(zhí)行大小發(fā)電

26、機的軟并網(wǎng)程序圖8 從大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換過程示意圖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)電機并網(wǎng)預(yù)置點以下，再由液壓系統(tǒng)收回葉尖擾流器。稍后，發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升，重新切人電網(wǎng)。國產(chǎn)FD23200/40kW風(fēng)力發(fā)電機組便是采用這種方式進(jìn)行切換的。NEGMicon750/200kW風(fēng)力發(fā)電機組也是采用這種方式進(jìn)行切換的。3.4 電動機起動電動機起動是指風(fēng)力發(fā)電機組在靜止?fàn)顟B(tài)時，把發(fā)電機用作電動機將機組起動到額定轉(zhuǎn)速并切人電網(wǎng)。電動機起動目前在大型風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計中不再進(jìn)入自動控制程序。因為氣動性能良好的槳葉在風(fēng)速v>4ms的條

27、件下即可使機組順利地自起動到額定轉(zhuǎn)速。電動機起動一般只在調(diào)試期間無風(fēng)時或某些特殊的情況下，比如氣溫特別低，又未安裝齒輪油加熱器時使用。電動機起動可使用安裝在機艙內(nèi)的上位控制器按鈕或是通過主控制器鍵盤的起動按鈕操作，總是作用于小發(fā)電機。發(fā)電機的運行狀態(tài)分為發(fā)電機運行狀態(tài)和電動機運行狀態(tài)。發(fā)電機起動瞬間，存在較大的沖擊電流(甚至超過額定電流的10倍)，將持續(xù)一段時間(由靜止至同步轉(zhuǎn)速之前)，因而發(fā)電機起動時需采用軟起動技術(shù)，根據(jù)電流反饋值，控制起動電流，以減小對電網(wǎng)沖擊和機組的機械振動。電動機起動時間不應(yīng)超出60s，起動電流小于小發(fā)電機額定電流的3倍。3.5 小型風(fēng)力發(fā)電機的獨立運行與并網(wǎng)發(fā)電 圖

28、9 小型風(fēng)力發(fā)電機的非并網(wǎng)獨立運行應(yīng)用從圖4我們可以看到這種風(fēng)力發(fā)電機可以大量應(yīng)用于家庭使用，它的電力傳輸過程是很簡單的，首先由風(fēng)力發(fā)電機通過上述過程把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過導(dǎo)線（我們家庭常用電線即可）傳輸，中間并上蓄電池組儲存電能以便在風(fēng)力狀況不佳的情況下保障電力的供應(yīng)。逆變器的作用是把直流電轉(zhuǎn)換成符合要求的交流電供那些用電器使用。并網(wǎng)傳輸和非并網(wǎng)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)很大程度上是不同的，首先在傳輸電路中不再并入蓄電池組，因為用電設(shè)備的電力不是由發(fā)電機直接供給而是由電網(wǎng)供應(yīng)，即使風(fēng)力狀況不好電力可以在電網(wǎng)中得到補償保障用戶的正常使用。另外在電網(wǎng)和用戶之間要串入計量器以計量用戶所消費電量。4 風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展

29、方向在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中兩個主要部件是風(fēng)力機和發(fā)電機。風(fēng)力機向著變漿距調(diào)節(jié)技術(shù)、發(fā)電機向著變速恒頻發(fā)電技術(shù)，這是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)。下面簡單介紹這兩方面的情況。 4.1 風(fēng)力機的變漿距調(diào)節(jié) 風(fēng)力機通過葉輪捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。 變距調(diào)節(jié)圖10 小型風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)傳輸方式是通過改變?nèi)~片迎風(fēng)面與縱向旋轉(zhuǎn)軸的夾角，從而影響葉片的受力和阻力，限制大風(fēng)時風(fēng)機輸出功率的增加，保持輸出功率恒定。采用變距調(diào)節(jié)方式，風(fēng)機功率輸出曲線平滑。在額定風(fēng)速以下時，控制器將葉片攻角置于零度附近，不做變化，近似等同于定漿距調(diào)節(jié)。在額定風(fēng)速以上時，變漿距控制結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，

30、調(diào)節(jié)葉片攻角，將輸出功率控制在額定值附近。變漿距風(fēng)力機的起動速度較定漿距風(fēng)力機低，停機時傳遞沖擊應(yīng)力相對緩和。正常工作時，主要是采用功率控制，在實際應(yīng)用中，功率與風(fēng)速的立方成正比。較小的風(fēng)速變化會造成較大的風(fēng)能變化。 由于變漿距調(diào)節(jié)風(fēng)力機受到的沖擊較之其它風(fēng)力機要小得多，可減少材料使用率，降低整體重量。且變距調(diào)節(jié)型風(fēng)力機在低風(fēng)速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機有更好的能量輸出，因此比較適合于平均風(fēng)速較低的地區(qū)安裝。 變距調(diào)節(jié)的另外一個優(yōu)點是，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時，失速型風(fēng)力機必須停機，而變距型風(fēng)力機可以逐步變化到一個槳葉無負(fù)載的全翼展開模式位置，避免停機，增加風(fēng)力機發(fā)電量。 變距調(diào)

31、節(jié)的缺點是對陣風(fēng)反應(yīng)要求靈敏。失速調(diào)節(jié)型風(fēng)機由于風(fēng)的振動引起的功率脈動比較小，而變距調(diào)節(jié)型風(fēng)力機則比較大，尤其對于采用變距方式的恒速風(fēng)力發(fā)電機，這種情況更明顯，這樣不要求風(fēng)機的變距系統(tǒng)對陣風(fēng)的響應(yīng)速度要足夠快，才可以減輕此現(xiàn)象。 4.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機常采用交流勵磁雙饋型發(fā)電機，它的結(jié)構(gòu)類似繞線型感應(yīng)電機，只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣一來，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與勵磁的頻率有關(guān)，從而，使得雙饋型發(fā)電機的內(nèi)部電磁關(guān)系既不同于異步發(fā)電機又不同于同步發(fā)電機，但它卻具有異步機和同步機的某些特性。 交流勵磁雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機不僅可以通過控制交流勵磁的幅值、相位、頻率來實現(xiàn)變速恒頻，

32、還可以實現(xiàn)有功、無功功率控制，對電網(wǎng)而言還能起無功補償?shù)淖饔谩?交流勵磁變速恒頻雙饋發(fā)電機系統(tǒng)有如下優(yōu)點:  a) 允許原動機在一定范圍內(nèi)變速運行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時的機械應(yīng)力。同時使機組控制更加靈活、方便，提高了機組運行效率。 b) 需要變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分，使變頻裝置體積減小，成本降低，投資減少。 c) 調(diào)節(jié)勵磁電流幅值，可調(diào)節(jié)發(fā)出的無功功率；調(diào)節(jié)勵磁電流相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率。應(yīng)用矢量控制可實現(xiàn)有、無功功率的獨立調(diào)節(jié)。結(jié) 論本文在分析風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電、控制系統(tǒng)的原理和機組的并網(wǎng)過程基礎(chǔ)上，分別提出了三個過程的框圖模型。風(fēng)力發(fā)電機的工作流程模型圖包括風(fēng)輪、發(fā)電機及裝置、調(diào)向器、塔架、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件，風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，它把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機械能，發(fā)電機在風(fēng)輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)模型圖指出了控制系統(tǒng)對整個風(fēng)力發(fā)電機組實施正常操作、調(diào)節(jié)和保