風(fēng)力發(fā)電的基本原理

畢業(yè)設(shè)計論文第16頁共16頁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(qiáng)的魅力，從而喚起了世界眾多的科學(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(jī)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(yùn)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(jī)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=ρAV（3）而風(fēng)能發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)械效率，一般為0.80—0.95，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為1.0，是發(fā)電機(jī)效率，一般為0.70—0.98，是空氣密度，A是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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，ρ是空氣密度，A是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異，因此，風(fēng)力機(jī)的實際風(fēng)能利用系數(shù)Cp<0.593。1.4風(fēng)力機(jī)的主要組成1.4.1小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)小型水平軸風(fēng)力機(jī)主要組成部分有：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、塔架、調(diào)向機(jī)構(gòu)、蓄能系統(tǒng)、逆變器等。風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)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(jī)械能。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪是由1~3個葉片組成的。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，已采用的發(fā)電機(jī)有3種，即直流發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用同步或異步交流發(fā)電機(jī)，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(jī)和調(diào)向機(jī)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(fèi)等也隨之加大。垂直軸風(fēng)力機(jī)可接受任何方向吹來的風(fēng)，因此不需要調(diào)向機(jī)構(gòu)。對于水平軸風(fēng)力機(jī)，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(jī)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(jī)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(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力機(jī)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(jī)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成：氣動機(jī)械部分和電氣部分。氣動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。電氣部分包括異步發(fā)電機(jī)、電力電子變頻器、變壓器和電網(wǎng)，其功能是將機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)開始發(fā)電。隨著風(fēng)力越來越強(qiáng)，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(jī)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(jī)會剎車，不再輸出功率，為免受損.風(fēng)力發(fā)電機(jī)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1.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)可以配以不同大小的發(fā)電機(jī)。因此兩座同樣構(gòu)造和風(fēng)輪直徑相同的風(fēng)電機(jī)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(qiáng)風(fēng)地帶（配較大型發(fā)電機(jī)）還是弱風(fēng)地帶（配較小型發(fā)電機(jī)）而定。圖1V52-850千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線2風(fēng)力發(fā)電的過程以及原理2．1風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)＋充電器＋數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)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(jī)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(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)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(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V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(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(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。風(fēng)風(fēng)能葉片轉(zhuǎn)動機(jī)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(jī)頭靈活轉(zhuǎn)動圖2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作流程圖圖3風(fēng)力發(fā)電機(jī)2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的工作過程及原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)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(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)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(yùn)行、獲取最大能量、提供良好的電力質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的作用是對整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實施正常操作、調(diào)節(jié)和保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)控制功能的過程為(如圖5所示)：①

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(jī)組由待風(fēng)狀態(tài)進(jìn)入低風(fēng)速起動；②并/脫網(wǎng)控制當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)。除此之外，軟切入裝置還可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)脫離電網(wǎng)，并在風(fēng)速低于4m/s時進(jìn)行機(jī)械制動；③偏航與解纜偏航控制即根據(jù)風(fēng)向自動跟風(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；④限速及剎車當(dāng)轉(zhuǎn)速超越上限發(fā)生飛車時，發(fā)電機(jī)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(jī)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(bǔ)償電容；機(jī)組運(yùn)行過程中，對電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)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(jī)組的各項性能指標(biāo)；對在風(fēng)電場中運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還應(yīng)具備遠(yuǎn)程通信功能。運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)需要監(jiān)測的主要參數(shù)包括以下幾個方面：①電力參數(shù)———電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率及發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等；②風(fēng)力參數(shù)———風(fēng)速、風(fēng)向；③機(jī)組狀態(tài)參數(shù)———轉(zhuǎn)速（發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪）、溫度（發(fā)電機(jī)、控制器、軸承、增速器油溫等）、電纜扭轉(zhuǎn)、機(jī)械剎車狀況、機(jī)艙振動、油位（潤滑油位、液壓系統(tǒng)油位）；④反饋信號———回收葉間擾流器、松開機(jī)械剎車、松開偏航制動器、發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)及脫網(wǎng)后的轉(zhuǎn)速降落信號。啟動發(fā)電機(jī)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)自檢無故障啟動啟動發(fā)電機(jī)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(jī)組的控制系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的示意圖3風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組可自起動直到某一設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時發(fā)電機(jī)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(jī)先并網(wǎng)；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)升高到7～8m/s，發(fā)電機(jī)將被切換到大發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如果平均風(fēng)速處于8～20m/s，則直接從大發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)組完成并網(wǎng)過程，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)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(jī)的軟并網(wǎng)程序1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速已達(dá)到預(yù)置的切人點，該點的設(shè)定應(yīng)低于發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。2)連接在發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的加速度減小。3)當(dāng)發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)。由于并網(wǎng)過程是在轉(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)30～40ms。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(jī)。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(yùn)行。3.2從小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換為提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了雙速發(fā)電機(jī)。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。小發(fā)電機(jī)為6極繞組，同步轉(zhuǎn)速為1000r/min，大發(fā)電機(jī)為4極繞組，同步轉(zhuǎn)速1500r/min。小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)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NEGMicon750kW機(jī)組以10min平均功圖6圖6大小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)過程圖發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換過程示意圖低風(fēng)速時小發(fā)電機(jī)工作斷開小發(fā)電機(jī)接觸器斷開旁路接觸器發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)執(zhí)行大小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)程序大發(fā)電機(jī)工作功率值全部大于某一預(yù)置值率達(dá)到某一預(yù)置值圖7從小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換過程示意圖低風(fēng)速時小發(fā)電機(jī)工作斷開小發(fā)電機(jī)接觸器斷開旁路接觸器發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)執(zhí)行大小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)程序大發(fā)電機(jī)工作功率值全部大于某一預(yù)置值執(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。此時，發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，風(fēng)力將帶動發(fā)電機(jī)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(jī)的軟并網(wǎng)程序（切換的過程如圖7所示）。3.3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)10min內(nèi)低于預(yù)置值時,或10min內(nèi)平均功率低于預(yù)置值時，將執(zhí)行大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換。首先斷開大發(fā)電機(jī)接觸器，再斷開旁路接觸器。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。由于存在過速保護(hù)和計算機(jī)超速檢測，因此，應(yīng)迅速投入小發(fā)電機(jī)接觸器，執(zhí)行軟并網(wǎng)，由電網(wǎng)負(fù)荷將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速拖到小發(fā)電機(jī)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(jī)軟并網(wǎng)。由于風(fēng)力機(jī)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(jī)軸上而轉(zhuǎn)換成電能，這就必然使過渡過程延長。高風(fēng)速時高風(fēng)速時大發(fā)電機(jī)工作發(fā)電機(jī)功率低于預(yù)置值斷開大發(fā)電機(jī)接觸器斷開旁路接觸器發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)小發(fā)電機(jī)工作執(zhí)行大小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)程序圖8從大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)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(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。稍后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，重新切人電網(wǎng)。國產(chǎn)FD23—200/40kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組便是采用這種方式進(jìn)行切換的。NEGMicon750/200kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也是采用這種方式進(jìn)行切換的。圖8從大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換過程示意圖3.4電動機(jī)起動電動機(jī)起動是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)時，把發(fā)電機(jī)用作電動機(jī)將機(jī)組起動到額定轉(zhuǎn)速并切人電網(wǎng)。電動機(jī)起動目前在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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>4m／s的條件下即可使機(jī)組順利地自起動到額定轉(zhuǎn)速。電動機(jī)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(jī)起動可使用安裝在機(jī)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(jī)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)組的機(jī)械振動。電動機(jī)起動時間不應(yīng)超出60s，起動電流小于小發(fā)電機(jī)額定電流的3倍。3.5小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行與并網(wǎng)發(fā)電圖9小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的非并網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行應(yīng)用從圖4我們可以看到這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(fèi)電量。4風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展方向在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中兩個主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)力機(jī)向著變漿距調(diào)節(jié)技術(shù)、發(fā)電機(jī)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(jī)的變漿距調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)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(jī)械轉(zhuǎn)矩。變距調(diào)節(jié)圖10小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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，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(jī)的起動速度較定漿距風(fēng)力機(jī)低，停機(jī)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(jī)受到的沖擊較之其它風(fēng)力機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)必須停機(jī)，而變距型風(fēng)力機(jī)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(jī)，增加風(fēng)力機(jī)發(fā)電量。變距調(diào)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(jī)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(jī)則比較大，尤其對于采用變距方式的恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種情況更明顯，這樣不要求風(fēng)機(jī)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(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)常采用交流勵磁雙饋型發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)類似繞線型感應(yīng)電機(jī)，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(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系既不同于異步發(fā)電機(jī)又不同于同步發(fā)電機(jī)，但它卻具有異步機(jī)和同步機(jī)的某些特性。交流勵磁雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)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，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(bǔ)償?shù)淖饔?。交流勵磁變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有如下優(yōu)點:

a)允許原動機(jī)在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時的機(jī)械應(yīng)力。同時使機(jī)組控制更加靈活、方便，提高了機(jī)組運(yùn)行效率。b)需要變頻控制的功率僅是電機(jī)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(dú)立調(diào)節(jié)。結(jié)論本文在分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電、控制系統(tǒng)的原理和機(jī)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(jī)的工作流程模型圖包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)及裝置、調(diào)向器、塔架、限速安全機(jī)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(jī)械能，發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組實施正常操作、調(diào)節(jié)和保護(hù)的控制過程。大小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)過程圖、小發(fā)電機(jī)和大發(fā)電機(jī)間的互切換過程圖清晰地展示了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)過程，解決了一些并網(wǎng)帶來的問題。參考文獻(xiàn)1西北水利設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊.第1版.北京：中國電力出版社.19992宮靖遠(yuǎn),風(fēng)電場工程設(shè)計手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.3葉杭冶，風(fēng)能利用可望成為我國21世紀(jì)的新興產(chǎn)業(yè)［J］．能源工程，1999（4）：18—19．4王錫凡，電力工程基礎(chǔ)［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，199