小型家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)【小型戶用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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Through to the generator for wind device and variable control system working status and wind variant is analyzed.studying pitch mediation principle analysis and system design.For wind turbine aerodynamic analysis and obtained the power of wind turbine system and tip speed ratio.Structure of this design is clear, accurate data for the subsequent research provides reference for the small household generators. Key Words: Wind driven generator；Wind turbine blade；Pitch system； Control system I 第1章 緒論 1.1 前言 由于目前石油等不可再生能源價(jià)格一直上漲，所以各國都在大力發(fā)展可再生能源，而風(fēng)能便是其中之一，因風(fēng)能不會(huì)產(chǎn)生污染，加上國家政策的支持，相關(guān)技術(shù)上的日益成熟，故風(fēng)力發(fā)電前景十分良好。 除了傳統(tǒng)的廣大農(nóng)牧區(qū)用戶應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組照明看電視以外，由于汽油、柴油、煤油價(jià)格飛漲，且供應(yīng)渠道不暢通，內(nèi)陸、江 湖、漁船、邊防哨所、部隊(duì)、氣象、微波站等使用柴油發(fā)電的用戶，逐步改用風(fēng)力發(fā)電或風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電。此外，生態(tài)環(huán)保公園、林蔭小道、別墅庭院等地方，也購買和安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，作為景觀，供人們休閑欣賞。此外，由于廣大農(nóng)牧民生活水平提高、用電量不斷增加，因此小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率在繼續(xù)提高，50W機(jī)組不再生產(chǎn)，100W、150W機(jī)組產(chǎn)量逐年下降，而200W、300W、500W、1000W機(jī)組逐年增加，占總年產(chǎn)量的80％。 廣大農(nóng)民迫切希望不間斷用電，因此“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)”的推廣應(yīng)用明顯加快，并向多臺(tái)組合式發(fā)展，成為今后一段時(shí)期的發(fā)展方向。風(fēng)光互補(bǔ)多臺(tái)組合式系列發(fā)電系統(tǒng)是將多臺(tái)小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在同一個(gè)地方，集中向配套的多個(gè)大容量蓄電池組同時(shí)充電，并由一臺(tái)大功率的控制逆變器統(tǒng)一控制輸出。 隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和風(fēng)力機(jī)理論研究的不斷深入，人們對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的具體情況和槳葉的各種受力狀態(tài)已經(jīng)有了比較深入的了解，從功率控制角度，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)不再滿足于僅僅保證風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，還開始追求更高的風(fēng)能利用效率。因?yàn)椴捎米儤鄼C(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕，并使整個(gè)風(fēng)力機(jī)的受力狀況大為改善，這對(duì)大型風(fēng)力機(jī)的總體設(shè)計(jì)十分有利。因此近幾年來，隨著風(fēng)力機(jī)功率的不斷提升，變槳距控制技術(shù)又重新成為了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究的熱點(diǎn)。 隨著國家《可再生能源法》及“可再生能源產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄”的制定，相繼還會(huì)有多種配套措施及稅收優(yōu)惠扶植政策出臺(tái)，必將提高生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)積極性，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前中國尚有2.8萬個(gè)村，700萬戶計(jì)2800萬人口沒有用上電，且分散居住在邊遠(yuǎn)山區(qū)、農(nóng)牧區(qū)、常規(guī)電網(wǎng)很難到達(dá)。有關(guān)專家分析，700萬無電戶中，300萬戶可用微水電解決用電，而400萬戶可以用小型風(fēng)力發(fā)電或風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，滿足用電需要。 1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在二十世紀(jì)九十年代后，風(fēng)電技術(shù)有著迅猛的發(fā)展。風(fēng)能作為清潔的可再生資源受到全世界的重視，國外各風(fēng)電強(qiáng)國對(duì)定槳距風(fēng)力機(jī)和變槳距風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行己有完整的理論和手段，建立了許多大型風(fēng)電技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，如美國國家風(fēng)能研究中心（NWTC）、丹麥的黑紹（RISO）實(shí)驗(yàn)室、荷蘭的風(fēng)能研究中心（ECN）等。為了提高經(jīng)濟(jì)效益、降低風(fēng)電單位千瓦造價(jià)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量朝著大型化方向發(fā)展，目前兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)己經(jīng)是國際風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，美國7兆瓦風(fēng)力機(jī)己經(jīng)研制成功，而英國正在研制10兆瓦的巨型風(fēng)力機(jī)。此外美國國家風(fēng)能技術(shù)中心目前正在研制的自適應(yīng)變槳距風(fēng)力機(jī)，力圖通過槳葉材料上的設(shè)計(jì)，使槳葉在低于額定風(fēng)速下保持最優(yōu)捕獲風(fēng)能狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，槳葉在風(fēng)力的作用下，根據(jù)風(fēng)速的大小做出相應(yīng)的變形，從而自動(dòng)改變槳葉的槳距角。 我國從20世紀(jì)80年代初就把小型風(fēng)力發(fā)電作為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化的措施之一，主要研制、開發(fā)和示范應(yīng)用小型充電用風(fēng)力發(fā) 電機(jī)，供農(nóng)民一家一戶使用。目前，1 kw以下的機(jī)組技術(shù)已經(jīng)成熟并進(jìn)行大量的推廣，形成了年產(chǎn)1萬臺(tái)的生產(chǎn)能力。近10年來，每年國內(nèi)銷售 5000~8000臺(tái)，100余臺(tái)出口國外。目前可批量生產(chǎn)100、150、200、300和500w及1、2、5和10 kw的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，年生產(chǎn) 能力為3萬臺(tái)以上，銷售量最大的是100~300w的產(chǎn)品。在電網(wǎng)不能通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，約60萬居民利用風(fēng)能實(shí)現(xiàn)電氣化。截至1999年，我國累計(jì)生產(chǎn)小 型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組18 .57萬臺(tái)，居世界第一。我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)與歐美發(fā)達(dá)國家相比，起步較晚。二十世紀(jì)五、六十年代開始研制微型和小型風(fēng)電機(jī)組，主要用于解決農(nóng)牧業(yè)區(qū)的生產(chǎn)和生活問題。在中大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上，一直發(fā)展比較緩慢。從1986年山東榮城建立了我國第一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)并且并網(wǎng)發(fā)電以來，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)才開始真正的起飛。但我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在近20年來已取得了可喜的進(jìn)展。目前，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的1.5 MW的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成功開發(fā)，標(biāo)志我國在風(fēng)電技術(shù)上取得新的突破。但是整體上來說，我國在風(fēng)電技術(shù)的理論和應(yīng)用研究工作與發(fā)達(dá)國家存在很大差距。國內(nèi)對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各項(xiàng)研究還十分薄弱，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化、變槳距控制技術(shù)、無齒輪箱風(fēng)力機(jī)直驅(qū)發(fā)電機(jī)技術(shù)、變速恒頻運(yùn)行等先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還未解決，致使我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組幾乎全部為國外進(jìn)口產(chǎn)品。因此，深入研究風(fēng)力發(fā)電的各項(xiàng)技術(shù)對(duì)于持久開發(fā)風(fēng)能和實(shí)現(xiàn)大型先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國產(chǎn)化具有重要意義。 從風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來看主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： (l)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化、單機(jī)裝機(jī)功率的提高； (2)變槳距控制技術(shù)替代了定槳距控制技術(shù)； (3)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開發(fā)和商品化； (4)機(jī)械方面的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，避免或減少由于風(fēng)的擾動(dòng)而引起的有害機(jī)械負(fù)荷，減少部件所受的應(yīng)力和有關(guān)部件及整體的重量;另一個(gè)動(dòng)向是采用新型整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，集主傳動(dòng)軸、變速箱和偏航系統(tǒng)為一體，從而減少零部件數(shù)目，增強(qiáng)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性和強(qiáng)度； (5)空氣動(dòng)力方面的改進(jìn)，在空氣動(dòng)力方面最重要的發(fā)展是進(jìn)行新型葉片的翼型設(shè)計(jì)，以捕獲更多的風(fēng)能； (6)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的開發(fā)，海上豐富的風(fēng)能資源和風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步及經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，預(yù)示海上風(fēng)能將在全球范圍內(nèi)迅速增長，也勢(shì)必推動(dòng)海上風(fēng)能的規(guī)?；_發(fā)及海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化、變槳距控制技術(shù)、無齒輪箱風(fēng)力機(jī)直驅(qū)發(fā)電機(jī)技術(shù)、變速恒頻運(yùn)行等先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還有待進(jìn)一步研究和應(yīng)用，直到今天，我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還幾乎全部為國外進(jìn)口產(chǎn)品。因此，深入研究風(fēng)力發(fā)電的各項(xiàng)技術(shù)對(duì)于持久開發(fā)風(fēng)能和實(shí)現(xiàn)大型先進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國產(chǎn)化具有重要意義。下圖為風(fēng)力發(fā)電機(jī)2012與2013年的市場(chǎng)份額餅形圖。 圖1-1 風(fēng)力機(jī)2012市場(chǎng)份額 圖1-2 風(fēng)力機(jī)2013市場(chǎng)份額 1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)概述 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和設(shè)計(jì)從技術(shù)上講，涉及到包括空氣動(dòng)力學(xué)、高分子材料、機(jī)電控制原理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造學(xué)、振動(dòng)理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來，這些學(xué)科的迅速發(fā)展為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和設(shè)計(jì)提供了良好的理論基礎(chǔ)，因此現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展越來越快，單機(jī)容量也越來越大。提高風(fēng)能利用效率、改善風(fēng)電質(zhì)量、降低風(fēng)電成本是發(fā)展風(fēng)電技術(shù)的前提條件，許多學(xué)者利用現(xiàn)代控制技術(shù)在改善風(fēng)電系統(tǒng)性能、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行和改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等方面進(jìn)行了大量的研究。隨著計(jì)算機(jī)與先進(jìn)控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用，風(fēng)力機(jī)控制方式也從基本單一的定槳距失速控制向變槳距控制方向發(fā)展，甚至向智能型控制發(fā)展。風(fēng)車分類如圖1-3所示。 圖1-3 風(fēng)車的基本分類 1.3.1 控制系統(tǒng)的類型 對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，控制單元會(huì)有所不同，但主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)或類型不同而使得控制方法不同，加上定槳距和變槳距，形成多種結(jié)構(gòu)和控制方案。根據(jù)漿葉的不同，分為以下三種： 1. 定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速是指槳葉本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流將在槳葉的表面產(chǎn)生渦流，使效率降低，產(chǎn)生失速，來限制發(fā)電機(jī)的功率輸出。為了提高風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的效率，通常采用雙速發(fā)電機(jī)（即大/小發(fā)電機(jī)）。在低風(fēng)速段運(yùn)行的，采用小電機(jī)使槳葉具有較高的氣動(dòng)效率，提高一些發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。 定槳失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)是失速調(diào)節(jié)由指槳葉本身完成，簡單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。但是在輸入變化的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只有很小的機(jī)會(huì)能運(yùn)行在最佳狀態(tài)下，因此機(jī)組的整體效率較低。通常很少應(yīng)用在兆瓦級(jí)以上的大型風(fēng)力機(jī)上。 2. 變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 變獎(jiǎng)距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小。在運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持在0°位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。此時(shí)控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。 3. 主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。在低風(fēng)速肘，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機(jī)組功率的輸出；當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值上。由于功率曲線在失速范圍的變化率比失速前要低得多，控制相對(duì)容易，輸出功率也更加平穩(wěn)。 根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分有恒速恒頻和變速恒頻兩種，恒速恒頻機(jī)組的整體效率較低,而變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向。變速恒頻的優(yōu)點(diǎn)是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功率的變化，可以最大限度的吸收風(fēng)能，因而效率較高?？刂粕弦埠? 靈活，可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 圖1-4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng) 1.3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)定槳距控制技術(shù) 定槳距失速控制是傳統(tǒng)的控制方式，采用該控制方式的風(fēng)力機(jī)葉片直接固定在輪轂上，葉片的安裝角在安裝時(shí)確定好，在運(yùn)行期間不能變化。失速型葉片氣動(dòng)外型的設(shè)計(jì)能夠使高風(fēng)速下通過上翼面的氣流出現(xiàn)分離，也就是所謂的失速現(xiàn)象。失速會(huì)導(dǎo)致葉片的升力下降而阻力上升，同時(shí)隨風(fēng)速增大氣動(dòng)效率下降，限制了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大輸出功率。但是受失速特性的影響，通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率在達(dá)到額定風(fēng)速后有所下降。另外，定槳距失速控制的風(fēng)力機(jī)最大升力對(duì)由溫度和海拔高度的變化所引起的空氣密度的變化比較敏感。定槳距失速控制的失速是由于葉片的空氣動(dòng)力特性而被動(dòng)產(chǎn)生的。當(dāng)風(fēng)速變化引起輸出功率變化時(shí)，通過槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，從而使控制系統(tǒng)大為簡化。其缺點(diǎn)是葉片重量大(與變槳距風(fēng)力機(jī)葉片比較)，輪轂、塔架等部件受力較大，機(jī)組的整體效率較低。 1.3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制技術(shù) 變槳距控制是根據(jù)風(fēng)速的變化來調(diào)整葉片的槳距角，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，變槳距控制風(fēng)力機(jī)的葉片通過軸承固定在輪轂上，可以繞葉片的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整葉片的槳距角。在高風(fēng)速情況下，槳距角隨著風(fēng)速的增加不斷向正的安裝角度方向調(diào)整，減小氣流攻角以保持較小的升力來限制功率。由于槳距角可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此在高風(fēng)速情況下可使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率，這意味著變槳距風(fēng)電機(jī)組對(duì)由溫度和海拔高度的變化所引起的空氣密度的變化并不敏感。當(dāng)輸出功率小于額定功率狀態(tài)時(shí)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用Optitip技術(shù)，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比以優(yōu)化輸出功率。且在剎車時(shí)，葉尖剎車裝置制動(dòng)葉輪的同時(shí)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于氣體剎車，從而減少了機(jī)械剎車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，減輕了剎車結(jié)構(gòu)的負(fù)荷。 圖1-5 變槳與定槳功率對(duì)比 綜上所述，與定槳距控制技術(shù)相比，變槳距控制的優(yōu)點(diǎn)是槳葉較為輕巧，槳距角可以隨風(fēng)速的大小而自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能更多的吸收風(fēng)能，同時(shí)在高風(fēng)速段保持平穩(wěn)的功率輸出。從風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，小容量的風(fēng)力機(jī)尚可使用定槳距失速控制，大容量的風(fēng)力機(jī)大多采用變槳距控制技術(shù)。 1.4 本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 本文對(duì)國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了概述，對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了了解并指出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。詳述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功能、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成以及工作原理。主要完成以下內(nèi)容： 1. 對(duì)小型家用發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對(duì)重點(diǎn)部位：風(fēng)輪葉片、變速箱齒輪軸和塔架等進(jìn)行了校核分析。 2. 分析了發(fā)電機(jī)-整流-逆變-負(fù)載的控制過程并設(shè)計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng)電路?？紤]風(fēng)力不穩(wěn)定或者風(fēng)力過剩等外界因素加入了蓄電池組，通過控制電路的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，保證系統(tǒng)在風(fēng)能充足時(shí)可蓄能，在風(fēng)能不充足時(shí)亦可為負(fù)載供電。系統(tǒng)的運(yùn)行狀況采用繼電控制電路監(jiān)控和切換。 3. 通過對(duì)發(fā)電機(jī)的對(duì)風(fēng)裝置和變槳控制系統(tǒng)工作狀態(tài)和風(fēng)力機(jī)變槳距調(diào)解原理分析而進(jìn)行變槳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 4. 對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析并得出了風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的功率和葉尖速比。 1.5 本章小結(jié) 本章首先對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了概述，對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了了解并指出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。詳述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功能、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成以及工作原理。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了了解，對(duì)控制系統(tǒng)的類型進(jìn)行了分類并重點(diǎn)對(duì)定漿控制系統(tǒng)和變漿控制系統(tǒng)細(xì)述，從而掌握了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本信息，了解了控制系統(tǒng)的基本情況，為后續(xù)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變漿控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理 2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電的主要裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的樣式雖然很多，但其原理和結(jié)構(gòu)大同小異。本文以水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例做介紹，它主要由以下幾部分組成：風(fēng)輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（增速箱）、發(fā)電機(jī)、機(jī)座、塔架、調(diào)速器（限速器）、調(diào)向器、停車制動(dòng)器等，如圖2-1所示。 圖2-1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu) （1）風(fēng)輪 風(fēng)輪一般由2~3個(gè)葉片和輪轂所組成，其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件，同時(shí)輪轂也是控制葉片槳距角（使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)）的所在。 （2）調(diào)速或限速裝置 在很多情況下，要求不論風(fēng)速如何變化風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速總保持恒定或不超過某一限定值，為此目的而采用了調(diào)速或限速裝置。調(diào)速或限速裝置從原理上來看大致有三類：一類是使風(fēng)輪偏離主風(fēng)向，另一類是利用氣動(dòng)阻力，第三類是改變?nèi)~片的槳距角。 （3）調(diào)向裝置 調(diào)向裝置的作用是在外界風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)能夠使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，以盡可能高效的吸取能量。 （4）傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等。 （5）發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪傳遞來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力機(jī)常用的發(fā)電機(jī)有四種直流發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)，同步交流發(fā)電機(jī)，異步交流發(fā)電機(jī)。 （6）塔架 風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量，還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)載荷。 對(duì)于變槳距控制風(fēng)力機(jī)而言，除了上述各主要裝置外，還有一個(gè)變槳距機(jī)構(gòu)。變槳距機(jī)構(gòu)一般可以分為兩種：一種是電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另一種是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過液壓系統(tǒng)推動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，改變槳葉的槳距角，該類機(jī)構(gòu)以其響應(yīng)頻率快、扭矩大、便于集中布置等優(yōu)點(diǎn)目前占有主要的地位。此外電機(jī)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)是另一種重要方法，該機(jī)構(gòu)利用電動(dòng)機(jī)對(duì)槳葉進(jìn)行控制，由于其結(jié)構(gòu)緊湊可靠，不像液壓變槳距機(jī)構(gòu)那樣結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、存在非線性，但該機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性相對(duì)較差、有較大的慣性，且電機(jī)本身如果連續(xù)頻繁地調(diào)節(jié)槳葉，將產(chǎn)生過量的熱負(fù)荷使電機(jī)損壞。 2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和設(shè)計(jì)從技術(shù)上講，涉及到包括空氣動(dòng)力學(xué)、高分子材料、機(jī)電控制原理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造學(xué)、振動(dòng)理論等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來，這些學(xué)科的迅速發(fā)展為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和設(shè)計(jì)提供了良好的理論基礎(chǔ)，因此現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展越來越快，單機(jī)容量也越來越大。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體運(yùn)行狀況為風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。通過連接的齒輪變速箱來提高輸出端轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，該軸與發(fā)電機(jī)相連。轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)單相交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始發(fā)電。（此時(shí)發(fā)出的是頻率和幅值都不穩(wěn)定的交流電）。引出的單相交流電通過整流器變成穩(wěn)定的直流電。若風(fēng)能充足，直流電經(jīng)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電；若風(fēng)能不足，控制電路切換為蓄電池供電狀態(tài)。直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-2所示。 圖2-2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.2.1 風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理 空氣動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ) （1） 風(fēng)能的計(jì)算 由流體力學(xué)知，在單位時(shí)間內(nèi)氣體的動(dòng)能為： （2－1） 式中：m－單位時(shí)間內(nèi)氣體的質(zhì)量，kg； ν－氣體的速度，m/s。 設(shè)單位時(shí)間內(nèi)，氣體流過截面積為S的氣體的體積為V，則 （2－2） 該體積的空氣質(zhì)量為： （2－3） 式中：ρ－空氣密度，。 單位時(shí)間通過該截面的氣流動(dòng)能可表示為： （2－4） 式（2－4）即為風(fēng)能的表達(dá)式。 從風(fēng)能的公式可以看出，風(fēng)能的大小與氣流密度ρ、通過截面面積S成正比，與氣流速度ν的立方成正比。其中ρ和ν與地理位置、海拔、地形等因素有關(guān)。 （2） 貝茲理論 風(fēng)力機(jī)的第一個(gè)氣動(dòng)理論由德國科學(xué)家貝茲（Betz）于1926年建立，Betz假設(shè)風(fēng)輪是由無限多個(gè)葉片組成，風(fēng)輪沒有輪轂，氣流通過風(fēng)輪時(shí)沒有阻力。此外，還假設(shè)氣流經(jīng)過整個(gè)風(fēng)輪掃掠面時(shí)是均勻的，并且氣流通過風(fēng)輪前后的速度方向?yàn)檩S向方向。 現(xiàn)分析氣流通過上述理想風(fēng)輪的情況，如圖2-2所示。 圖2-3 流過風(fēng)輪的氣流圖 圖中：ν1表示距離風(fēng)力機(jī)一定距離的上游風(fēng)速；ν表示通過風(fēng)輪時(shí)的實(shí)際風(fēng)速；ν2表示距離風(fēng)輪遠(yuǎn)處的下游風(fēng)速。 設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面為S1，下游截面為S2。假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得： （2－5） 由于通過風(fēng)輪后的氣流動(dòng)能會(huì)降低，ν2必然低于ν1，所以通過風(fēng)輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即S2>S1。 風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由動(dòng)量定理寫出： （2－6） 故風(fēng)輪吸收的功率為： （2－7） 氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪的功率，從上游到下游的動(dòng)能的變化為： （2－8） 令式（2－7）與式（2－8）相等可得： （2－9） 將上式代入式（2－6）和式（2－7），可得作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率分別為： （2－10） （2－11） 對(duì)于給定的上游速度ν1，將P看成ν2的函數(shù)。寫出以ν2為自變量的功率變化關(guān)系，將式（2－11）微分得： （2－12） 令，解得，代入式（2－11）可得最大功率。最大的功率為： （2－13） 將上式除以氣流通過掃掠面S時(shí)風(fēng)所具有的動(dòng)能，可推出風(fēng)力機(jī)的理論最大效率（理論上的風(fēng)能利用系數(shù)）： （2－14） 上式就是有名的貝茲理論的極限值。。由此可知風(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(dòng)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(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)CP<0.593。風(fēng)力機(jī)實(shí)際的有用功率輸出為： （2－15） （3） 風(fēng)力機(jī)的特性系數(shù) 討論風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與控制時(shí)，以下特性系數(shù)具有特別重要的意義。 （1）風(fēng)能利用系數(shù)CP 風(fēng)能利用系數(shù)CP用來表示風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度。 （2－16） 式中：P－風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲取的輸出軸功率，W； ρ－空氣密度，； ν1－上游的風(fēng)俗，； S－風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，。 （2）葉尖速比λ 葉尖速比λ表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片的圓周速度和風(fēng)速之比來衡量。 （2－17） 式中：n－風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，； ω－風(fēng)輪角速度，； R―風(fēng)輪半徑，m。 風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)的研究 （1） 風(fēng)輪在靜止情況下葉片的受力 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪由輪轂及均勻分布安裝在輪轂上的若干槳葉所組成。在安裝槳葉時(shí)，必須對(duì)每支槳葉的翼片按同一旋轉(zhuǎn)方向，槳葉圍繞自身軸心線轉(zhuǎn)過一個(gè)給定的角度，即使每個(gè)葉片的翼弦與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面（風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)槳葉柄所掃過的平面）形成一個(gè)角度β，這個(gè)角度稱為槳距角。圖2-4是風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)的受力圖。風(fēng)輪的中心軸位置與風(fēng)向一致（保持兩者的一致由偏航系統(tǒng)控制，本文不作研究），當(dāng)氣流以速度v流經(jīng)風(fēng)輪時(shí)，在槳葉I和槳葉II上將產(chǎn)生氣動(dòng)力F和F'。將F和F'分解成沿氣流方向的分力Fx和Fx’（阻力）及垂直氣流方向的分力Fy和Fy’（升力）。阻力Fx和Fx’形成對(duì)風(fēng)輪的正面壓力，而升力Fy和Fy’則對(duì)風(fēng)輪中心軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來。 圖2-4 風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)的受力情況 （2） 風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)情況下葉片的受力 假設(shè)在理想狀態(tài)下，風(fēng)速與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面保持垂直，當(dāng)風(fēng)輪在某個(gè)風(fēng)速ν下以角速度ω穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取葉片上距轉(zhuǎn)軸中心r處一小段葉片元（葉素）為研究對(duì)象，此葉片元相對(duì)氣流的速度Wr是風(fēng)速ν與該葉片元繞輪轂軸向線速度ωr的矢量和。如圖2-5所示，此時(shí)槳葉與該葉片元的攻角α是Wr與翼弦的夾角。 圖2-5 旋轉(zhuǎn)槳葉的氣流速度及受力情況 氣流以相對(duì)速度Wr吹向葉片元，在葉片上產(chǎn)生氣動(dòng)力F。參考葉輪靜止時(shí)受力分析，F(xiàn)可以分解為在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面內(nèi)使槳葉旋轉(zhuǎn)的力Fy1以及對(duì)風(fēng)輪正面的壓力Fx1；如果參考?xì)饬飨鄬?duì)于葉片元的方向，F(xiàn)可分解為垂直于Wr方向的升力Fy和沿Wr方向阻力Fx。 由于風(fēng)速是在經(jīng)常變化的，風(fēng)速的變化也將導(dǎo)致攻角的變化。如果葉片裝好后槳距角不再變化，那么雖在某一風(fēng)速下可能得到最好的氣動(dòng)力性能，但在其它風(fēng)速下則未必如此。為了適應(yīng)不同的風(fēng)速，可以隨著風(fēng)速的變化，調(diào)節(jié)整個(gè)葉片的槳距角，從而有可能在很大的風(fēng)速范圍內(nèi)均可以得到優(yōu)良的氣動(dòng)力特性，這種控制方式即變槳距控制。 2.2.2 風(fēng)力機(jī)電力學(xué)原理 1. 發(fā)電機(jī)原理 小型家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)常采用硅整流自勵(lì)單相交流發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)采用蓄電池組為勵(lì)磁功供電，并在蓄電池組合勵(lì)磁繞組之間串聯(lián)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心和 定子繞組組成，定子繞組為單相，Y型連接，放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組（即勵(lì)磁繞組）和轉(zhuǎn)子軸組成，轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或形，一般都用爪形磁極，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵(lì)磁電流。獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)葉片多數(shù)是固定槳距的，當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，與風(fēng)力機(jī)相連的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機(jī)的出口電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化，并造成勵(lì)磁磁場(chǎng)的變化，這樣又造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動(dòng)。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機(jī)的出口電壓的波動(dòng)范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動(dòng)得不到控制，在向負(fù)載供電的情況下，將會(huì)影響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設(shè)備。此外獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都帶有蓄電池組，電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的過充電，從而降低蓄電池組的使用壽命。發(fā)電機(jī)原理圖如圖2-6所示。 圖2-6風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖 2. 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)能自動(dòng)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流（即勵(lì)磁磁通）的大小，來抵消因風(fēng)速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響。 圖2-7 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器原理圖 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機(jī)端電壓低于額定值時(shí)，電壓繼電器V1不動(dòng)作，其動(dòng)斷觸點(diǎn)V1閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵(lì)磁繞組上，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速加大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機(jī)端電壓高于額定電壓時(shí)，動(dòng)斷觸電V1斷開，勵(lì)磁回路中被串入了電阻R2，勵(lì)磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機(jī)輸出端電壓隨之下降；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至額定值時(shí)，觸點(diǎn)V1重新閉合，發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常勵(lì)磁狀態(tài)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)用戶投入的負(fù)載過多時(shí)，可能出現(xiàn)負(fù)載電流過大超過額定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的使用壽命有較大的影響，甚至損壞發(fā)電機(jī)的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行。電流繼電器I1的動(dòng)斷觸點(diǎn)I1串接在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路中，發(fā)電機(jī)輸出的負(fù)荷電流則通過電流繼電器的繞組；當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流低于額定值時(shí)，繼電器不工作，動(dòng)斷觸點(diǎn)I1閉合，發(fā)電機(jī)屬于正常勵(lì)磁狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電流高于額定值時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn)I1斷開，電阻R2被串入勵(lì)磁回路，勵(lì)磁電流減小，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出端的電壓，并減小了負(fù)載電流。 為了防止無風(fēng)或風(fēng)速太低時(shí)，蓄電池組向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電，及蓄電池組由充電運(yùn)行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)，這不僅會(huì)消耗蓄電池組所儲(chǔ)電能，還可能燒毀勵(lì)磁繞組，因此在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器I2。發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，逆流繼電器的電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動(dòng)合觸點(diǎn)I2閉合；當(dāng)風(fēng)速太低，發(fā)電機(jī)端電壓低于蓄電池組電壓時(shí)，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機(jī)電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電流所產(chǎn)生的總磁場(chǎng)的吸力減弱，是的動(dòng)合觸點(diǎn)I2斷開，從而斷開了蓄電池想發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組送電的回路。 采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機(jī)，與永磁發(fā)電機(jī)比較，其特點(diǎn)是能隨風(fēng)速變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對(duì)蓄電池組過充電，延長蓄電池組的使用壽命；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)，但由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)斷、動(dòng)合觸點(diǎn)動(dòng)作頻繁，需對(duì)出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當(dāng)?shù)奶幚?。而且用該交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須達(dá)到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時(shí)才能對(duì)蓄電池組充電。 3. 整流原理 由于風(fēng)力的不穩(wěn)定導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)輸出的交流電頻率不穩(wěn)定，故其不能直接被負(fù)載利用，需要先將風(fēng)力機(jī)輸出的交流電整流成直流電再逆變成交流電被用戶利用。 目前在所有的整流電路中采用最廣泛的是單相橋式全波整流電路，單相橋式整流電路由4個(gè)二極管接成橋式電路，RL為負(fù)載電阻。單相橋式全波整流電路圖如圖2-8所示。 圖2-8單相橋式全波整流電路圖 在U2的正半周，其極性為上（+）下（-），即a點(diǎn)的點(diǎn)位高于b點(diǎn)時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，電流由a經(jīng)D1→R1→D3→b形成通路，。此時(shí)，電源電壓全部加在負(fù)載電阻RL上，得到一個(gè)半波電壓；D2和D4則承受反向電壓。 在u2的負(fù)半周，其極性與上述相反，即b點(diǎn)的電壓高于a點(diǎn)時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止，電流由b經(jīng)D2→RL→D4→形成通路。同樣，在負(fù)載電阻RL上也得到一個(gè)半波電壓；D1和D3則承受反向電壓。 有上述可見，盡管U2的方向是交變的，通過負(fù)載RL的電流io及其兩端電壓U0的方向都不變，因此在負(fù)載上得到大小變化而方向不變的脈動(dòng)直流電流和電壓。 4. 逆變?cè)? 在獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中通常需要將直流電再變換成交流電，這種變換過程叫逆變，具有逆變功能的電力電子設(shè)備稱為逆變器，逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量。逆變?cè)砣缦滤尽? 圖2-9 逆變?cè)韴D 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆向過程，是通過功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用來實(shí)現(xiàn)的。最基本的逆變電路是單相橋式逆變電路，本設(shè)計(jì)亦采用此逆變路圖，其電路圖如下所示。 圖2-10單相橋式逆變電路 Ud為輸入直流電壓，Uo為輸出交流電壓，R為逆變器的輸出負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管T1、T4閉合，T2、T3斷開時(shí)，逆變器輸出電壓Uo=Ud；當(dāng)開關(guān)管T1、T4斷開，T2、T3閉合時(shí)，輸出電壓Uo=-Ud。當(dāng)以頻率Fs交替切換開關(guān)管T1、T4和T2、T3時(shí)，則在電阻R上獲得交變電壓波形，其周期Ts=1/fs。這樣，就將滯留電壓Ud變成了交流電壓Uo。Uo含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器獲得。 2.3 本章小結(jié) 本章主要分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和基本原理。掌握了風(fēng)力發(fā)電機(jī)重點(diǎn)部位的基本構(gòu)造和作用。從空氣動(dòng)力學(xué)和電學(xué)兩方面分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理，理解了風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片的受力情況，掌握了發(fā)電機(jī)、整流和逆變的電學(xué)原理，為后續(xù)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。 第3章 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 電氣部分的設(shè)計(jì) 3.1.1 發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能時(shí)，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機(jī)以超同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這個(gè)特征在速度高于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)損失了風(fēng)能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行的。為使異步發(fā)電機(jī)作為一種變速、恒頻裝置運(yùn)行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個(gè)整流器、一個(gè)直流耦合變換器和一個(gè)有源逆變器相連，使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導(dǎo)體整流器整流為直流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機(jī)。此時(shí)整流器和逆變器兩者組成了一個(gè)從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置?？刂颇孀兤鞯哪孀兘?，就可以改變逆變器的電壓。該異步發(fā)電機(jī)是作為一臺(tái)雙輸出感應(yīng)發(fā)電機(jī)以超同步速度運(yùn)行的。這實(shí)際上是異步發(fā)電機(jī)的串級(jí)調(diào)速在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。雙輸出異步發(fā)電機(jī)的工作原理工作原理如圖3-1所示 。 圖3-1發(fā)電機(jī)的工作原理圖 3.1.2 三相異步發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算 （1）額定功率 ＝600 KW （2）額定電壓 =690 V ； 398.4 V （3）功電流 = 502.04 A （4）效率 （5）功率因數(shù) （6）極對(duì)數(shù) ＝2 （7）定、轉(zhuǎn)子槽數(shù) ＝48 , ＝40 (取 ＝4 ) （8）定、轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)： 定子 ＝＝12 轉(zhuǎn)子 ＝＝10 （9）定、轉(zhuǎn)子每極每相槽數(shù)： 定子 ＝＝4 轉(zhuǎn)子 ＝＝10/3 （10）定子外徑： 由經(jīng)驗(yàn)公式可得2極對(duì)小型電機(jī)滿載電勢(shì)標(biāo)么值 ＝0.975 計(jì)算功率： ＝664.773 VA 初選 ＝0.72 ，＝1.12 ，＝0.98，＝46000 A/m , =0.72 T,假定=1450 r/min.于是得： ＝0.10685 ?。?.74 則 ＝0.569 m =1.015m 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸最后確定 ＝1.02 m （11）定子內(nèi)徑 ＝0.57 m 鐵心的有效長度 ＝0.329 m 取鐵心長 ＝0.325 m （12）氣隙 由經(jīng)驗(yàn)公式 ＝1.02m （13）轉(zhuǎn)子外徑 ＝0.568 m （14）轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 ＝0.08 m （15）鐵心有效長度（無徑向通風(fēng)道） ＝＋0.325+21.02=0.327m （16）極距 =0.4477 m （17）定、轉(zhuǎn)子齒距： 定子 ＝ 0.0373 m 轉(zhuǎn)子 ＝0.0448 m （18）定子繞組采用單層繞組 （19）轉(zhuǎn)子斜槽寬 （取一個(gè)定子齒距）于是 ＝0.0375 m （20）每相導(dǎo)體數(shù) =48 單層線圈＝每相線圈匝數(shù)=3 （21）每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù) ＝48 每相串聯(lián)匝數(shù) ＝24 （22）繞組線規(guī)設(shè)計(jì) ＝98.36 ＝570.5 A （23） 槽滿率 ： 初步取＝1.5 T 估計(jì)定子齒寬 ＝＝0.01885 m 初步取 ＝1.5 T ==0.977m =0.0196 m （取 ） （） 1）槽面積 ＝0.00217 （） 2）槽絕緣占面積： 單層 ＝0.00059 3）槽有效面積 ＝0.00158 （24）繞組系數(shù) 1）分布系數(shù) ＝ 2）短距系數(shù) ＝1 所以 ＝10.9254＝0.9254 （25） 每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù) ＝480.9254＝ 44 發(fā)電機(jī)采用市場(chǎng)購買的方式，其價(jià)格在1000元左右。實(shí)物圖如圖3-2所示。 圖3-2 發(fā)電機(jī)實(shí)物圖 電機(jī)的基本參數(shù)如表3-1所示。 表3-1. 電機(jī)基本參數(shù) 電機(jī)基本參數(shù) 額定輸出功率 600 KW 額定功率因數(shù) 0.88 額定電壓 690 V 極數(shù) 4 極 頻率 50 HZ 效率 0.9594 轉(zhuǎn)速 1490 轉(zhuǎn) 最大轉(zhuǎn)矩 2.45 牛米 槽滿率 0.78 電路類型 三相星型 定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表3-2所示。 表3-2定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù) 定子結(jié)構(gòu)基本參數(shù) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù) 定子槽數(shù) 48 轉(zhuǎn)子槽數(shù) 40 定子外徑 1.02 m 轉(zhuǎn)子外徑 0.568 m 定子內(nèi)徑 0.57 m 轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 0.08 m 定子槽型 短距槽 鐵心長 0.325 m 定子齒距 0.0373 m 轉(zhuǎn)子齒距 0.0448 m 定子齒磁密 1.7276 T 轉(zhuǎn)子齒磁密 1.6115 T 定子軛磁密 1.0260 T 轉(zhuǎn)子軛磁密 1.4613 T 3.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械部分主要包括風(fēng)輪葉片、齒輪箱以及塔架構(gòu)成。機(jī)械部分主要是承受風(fēng)力、自身重量和進(jìn)行加速。 3.2.1 風(fēng)輪葉片 風(fēng)輪一般由2~3個(gè)葉片和輪轂所組成，其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件，同時(shí)輪轂也是控制葉片槳距角（使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)）的所在。 在三維設(shè)計(jì)軟件solidworks軟件中利用放樣特征可得到葉片，其實(shí)物設(shè)計(jì)后的三維模型如圖3-3所示。 a)實(shí)物圖 b)三維模型圖 圖3-3 風(fēng)輪葉片 3.2.2 加速齒輪箱 由于風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)速度一般不是很高，這樣的速度帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電不是很理想。所以要經(jīng)過齒輪箱變速。齒輪箱是一級(jí)加速齒輪箱，主要包括大小兩個(gè)齒輪、齒輪軸、軸承以及潤滑和密封裝置。大小齒輪的三維模型如圖3-4所示。 圖3-4 大小齒輪三維模型 3.2.3 塔架設(shè)計(jì) 風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量，還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)載荷。其三維模型如圖3-5所示。 圖3-5 塔架三維模型 3.3 本章總結(jié) 本章主要進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)電氣和機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，電氣部分主要設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)。通過對(duì)發(fā)電機(jī)各個(gè)理論部分的設(shè)計(jì)，對(duì)電學(xué)原理有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。機(jī)械部分主要設(shè)計(jì)了葉片、齒輪箱和塔架。三維設(shè)計(jì)主要采用三維設(shè)計(jì)軟件solidworks，通過風(fēng)力機(jī)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，對(duì)運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件的能力有很大的提升。 第4章 風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)和伺服傳動(dòng)技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，這是因?yàn)樽匀伙L(fēng)速的大小和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)和退出電網(wǎng)、輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對(duì)風(fēng)以及對(duì)運(yùn)行過程中故障的檢測(cè)和保護(hù)必須能夠自動(dòng)控制。同時(shí)，風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常都是邊遠(yuǎn)地區(qū)或是海上，分散布置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常要求能夠無人值班運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控，這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性提出了很高的要求。采用全變槳距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，起動(dòng)時(shí)可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著和改善。由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)的水平提高到一個(gè)新的階段。目前的控制方法是：當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩或風(fēng)力機(jī)漿距角使葉尖速比保持最佳值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。控制方法基于線性化模型實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比的跟蹤，利用風(fēng)速測(cè)量值進(jìn)行反饋控制，或電功率反饋控制。但在隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此近些年國內(nèi)外都開展了這方面的研究。一些新的控制理論開始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。如采用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制、魯棒控制等使風(fēng)機(jī)控制向更加智能方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要討論變槳系統(tǒng)。 變槳系統(tǒng)是現(xiàn)代大型風(fēng)機(jī)的重要組成部分。變槳伺服控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的外環(huán)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中起著十分重要的作用。它控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片節(jié)距角可以隨風(fēng)速的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。在低風(fēng)速起動(dòng)時(shí)，槳葉節(jié)距可以轉(zhuǎn)到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的起動(dòng)力矩；當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，通過調(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，使發(fā)電機(jī)功率輸出保持穩(wěn)定。 變槳系統(tǒng)主要由PLC、交流伺服系統(tǒng)、交流伺服電機(jī)、絕對(duì)式位置編碼器等組成，并由UPS作為后備電源。結(jié)構(gòu)上分成一個(gè)控制箱、三個(gè)軸箱、三個(gè)蓄電池箱共七個(gè)電氣箱。 4.1 變槳系統(tǒng)的控制原理 在發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與給定信號(hào)直接控制；發(fā)電機(jī)并人電網(wǎng)后，速度控制器B與功率控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給小相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。 節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。如圖4-1所示: 圖4－1 控制系統(tǒng)分布圖 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并人電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并人電網(wǎng)后由速度控制器B給出。 4.1.1 變矩控制 變距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，其控制過程如圖4－2所示。 變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制電機(jī)即上章所選的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)給S7-200后變成脈沖信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)齒輪箱，推動(dòng)變槳軸承，使槳葉節(jié)距角變化。軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的角度反饋信號(hào)由磁電式編碼器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。與電機(jī)上的光電編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較以確定系統(tǒng)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定性。 4.1.2 轉(zhuǎn)速控制 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)A在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或從待機(jī)狀態(tài)重新起動(dòng)時(shí)投入工作，如圖4－3所示在這些過程中通過對(duì)節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升，控制器也用于在額定轉(zhuǎn)速1750rpm時(shí)的控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以上3分鐘時(shí)發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。 圖4-3 轉(zhuǎn)速控制 控制器包含著常規(guī)的PD和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)子空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的非線性，因?yàn)楫?dāng)功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩對(duì)節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過主軸上的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量，每個(gè)周期信號(hào)被送到PLC作進(jìn)一步處理，以產(chǎn)生新的控制信號(hào)。 4.1.3 功率控制 為了有效地控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動(dòng)，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了RCC(Rotor Current Control)技術(shù)，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，從而改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，吸收由于瞬變風(fēng)速引起的功率波動(dòng)。 （1） 功率控制系統(tǒng) 功率控制系統(tǒng)如圖4-5所示，它由兩個(gè)控制環(huán)組成。外環(huán)通過測(cè)量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。發(fā)電機(jī)的功率參考曲線，參考功率以額定功率的百分比的形式給出，在點(diǎn)畫線限制的范圍內(nèi)，功率給定曲線是可變的。內(nèi)環(huán)是一個(gè)功率伺服環(huán)，它通過轉(zhuǎn)子電流控制器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，使發(fā)電機(jī)功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功