《風力發(fā)電原理》教案

第1章緒論風力發(fā)電過程中，風輪將風能轉(zhuǎn)化機械能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化電能在能量轉(zhuǎn)化與傳遞過程中，風能的特性是決定因素自然風是一種隨機的湍流運動，影響風電機組中機械設(shè)備、電氣設(shè)備的穩(wěn)定性，對電網(wǎng)造成沖擊風能是太陽能的一種表現(xiàn)形式風能密度高低關(guān)系到風電度電成本高低1.1風的形成溫度不是獨立參量，而是系統(tǒng)的幾何參量、力學參數(shù)、化學參數(shù)和電磁參量的函數(shù)大氣運動遵循大氣動力學和熱力學變化的規(guī)律。空氣運動與大氣壓力的分布及變化靜力學方程：當dz>0時，dp<0，即氣壓是隨高度的增加而減小的。氣壓隨高度增加而減少的快慢主要取決于空氣的密度。某一高度z上的氣壓等于從該高度直到大氣上界的單位截面積空氣柱的重量。這是大氣靜力學氣壓定義。單位氣壓高度差（氣壓差）：在垂直氣柱中，每改變單位氣壓時所對應的高度差氣壓愈低（即溫度愈高），單位氣壓高度差愈大溫度愈高，單位氣壓高度差愈大1.1.1大氣環(huán)流環(huán)流原因：日地距離和方位不同，所接受的太陽輻射強度各異科氏力：由于地球自轉(zhuǎn)形成的地球偏向力的存在，這種力稱為科里奧利力，簡稱偏向力或科氏力。在此力作用下，在北半球使氣流向右偏轉(zhuǎn)，在南半球使氣流向左偏轉(zhuǎn)。三圈環(huán)流

1.1.2季風環(huán)流季風環(huán)流 季風：在一個大范圍地區(qū)內(nèi)，它的盛行風向或氣壓系統(tǒng)有明顯的季風變化。這種在一年內(nèi)隨著季節(jié)的不同，有規(guī)律轉(zhuǎn)變風向的風 東北亞季風和南亞季風對我國天氣氣候變化都有很大影響形成季風環(huán)流的因素：海陸差異：冬季，風從大陸吹向海洋；夏季，風從海洋吹向大陸行星風帶的季節(jié)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換：5個風帶在北半球的夏季向北移動，冬季向南移動地形特征：青藏高原季風指數(shù)它是由地面冬夏盛行風向之間的夾角來表示的，當夾角在120°-180°之間，認為是屬于季風，然后1月和7月盛行風向出現(xiàn)的頻率相加除以2，即I=（f1+f2）/2為季風指數(shù) I>40%季風區(qū) I=40%-60%為較明顯區(qū)季風區(qū) I>60%為明顯季風區(qū)。局地環(huán)流海陸風：以日為周期（湖陸風）山谷風

1.1.3風力等級根據(jù)風速大小來劃分的。國際上采用英國人蒲福于1805年所擬定的，稱為“蒲福風級”。從靜風到颶風共分為13級。1946年以來風力等級修改，由13級變?yōu)?7級。風級稱謂一般描述m/s0無風calm煙直上<0.31軟風lightair僅煙能表示風向，但不能轉(zhuǎn)動風標0.3-1.52輕風slightbreeze人面感覺有風，樹葉搖動，普通之風標轉(zhuǎn)動1.6-3.33微風gentlebreeze樹葉及小枝搖動不息，近期飄展3.4-5.44和風freshbreeze塵土及碎紙被風吹揚，樹分枝搖動5.5-7.95清風strongbreeze有葉小樹開始搖擺8.0-10.76強風neargale樹木枝搖動，電線發(fā)出呼呼嘯聲，張傘困難10.8-13.87疾風gale小樹枝被吹折，步行不能前進13.9-17.18大風stronggale建筑物有損壞，煙囪被吹倒17.2-20.79烈風violentstrom樹被風拔起，建筑物有相當破壞20.8-24.410狂風storm極少見，如出現(xiàn)必有重大災害24.5-28.411暴風violentstorm28.5-32.612颶風hurricane32.7-36.9風力等級換算

1.1.4風的測量測風系統(tǒng)風的測量包括風向測量和風速測量風向測量：風的來向風速測量：單位時間內(nèi)空氣在水平方向上所移動的距離組成傳感器：將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。包括：風速傳感器、風向傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器主機：對傳感器發(fā)出的信號進行采集、計算和存儲，由數(shù)據(jù)記錄裝置、數(shù)據(jù)讀取裝置、微處理器、就地顯示裝置組成數(shù)據(jù)存儲裝置：電源：提高系統(tǒng)工作可靠性，要求兩備用電源安全與保護裝置：要求在輸入信號和主機、環(huán)境之間增設(shè)保護和隔離裝置。提高數(shù)據(jù)準確的可靠性風速測量風速計旋轉(zhuǎn)式風速計：風杯和螺旋槳葉片，最常用的傳感器是風杯壓力式風速計：利用流體的全壓力與靜壓力之差來測定風的動壓散熱式風速計：被加熱物體的散熱速率與周圍空氣的流速有關(guān)聲學風速計風速記錄機械式，電接式，電機式，光電式風速表示風速大小與風速計安裝高度和觀測時間有關(guān)高度：10m時間：2min，10min和瞬時風速。風能資源計算時選用10min平均風速風向測量分類：單翼型、雙翼型和流線型等組成：尾翼、指向桿、平衡錘和旋轉(zhuǎn)主軸傳送和指示方法：電觸點盤、環(huán)形電位、自整角機和光電碼盤。最常用的是光電碼盤風向桿的安裝方位指向正北

1.2風能資源1.2.1風能的特點在1個標準大氣壓、0℃條件下，空氣的密度是淡水密度的1.293‰，淡水密度是空氣密度的773.3倍風能資源的儲量取決于這一地區(qū)風速的大小和有效風速的持續(xù)時間風吹過后必須經(jīng)過前后、左右各10倍直徑距離后才能恢復到原來的速度理論開發(fā)風能儲量：實際可開發(fā)量：全國風能實際可開發(fā)量為2.53×1011W有效風能密度和可利用的年累計小時兩個指標表示等級年有效風功率密度W/m2風速年累計小時數(shù)h年平均風速m/s風資源豐富區(qū)>200>5000>6風資源次豐富區(qū)200-1505000-40005.5風資源可利用區(qū)150-1004000-20005風資源貧乏區(qū)<100<20004.5風資源豐富區(qū)風資源次豐富區(qū)風資源可利用區(qū)風資源貧乏區(qū)東南沿海、山東和遼東半島沿海及島嶼內(nèi)蒙古和甘肅北部松花江下游地區(qū)沿海地區(qū)三北地區(qū)青藏高原中部和北部地區(qū)兩廣沿海大、小興安嶺山地三北中部以四川為中心雅魯藏布江河谷塔里木盆地西部

1.2.2中國風能資源分布特點

1.3風能的數(shù)字描述1.3.1風特性100m高度以下的地表層的風風特性分為平均風特性和脈動風特性平均風特性包括：平均風速平均風向風速輪廓風頻曲線脈動風特性包括：脈動風速脈動系數(shù)風向湍流強度平均風速和風向瞬時風速由平均風速和脈動風速組成：平均風速：不同時距計算平均風速時，其值不同，時距10min到1h范圍內(nèi)功率譜曲線比較平坦我國規(guī)范規(guī)定的時距為10min我國規(guī)范規(guī)定的高度為10m平均風向風向一般由16個方位表示，即北東北（NNE）、東北（NE）、東東北（ENE）、東（E）、東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NWN）、北（N）。靜風記為C平均風向以正北為基準，順時針，東風為90°，南風為180°，西風為270°，北風為360°脈動風速在某時刻t，空間某點上的瞬時風速與平均風速的差值，其時間的平均值為零：湍流強度：描述風速隨時間和空間變化的程度，反映風的脈動強度，是確定結(jié)構(gòu)所受脈動風載荷的關(guān)鍵參數(shù)。湍流強度描述風速隨時間和空間變化的程度，反映風的脈動強度，是確定結(jié)構(gòu)所受脈動風載荷的關(guān)鍵參數(shù)。湍流強度：10min時距的脈動風速均方根與平均風速的比值：與離地高度與地表面粗糙度有關(guān)陣風因子：陣風持續(xù)期內(nèi)平均風速的最大值與10min時距的平均風速之比持續(xù)期越大，對應的陣風因子越小陣風系數(shù)同湍流強度有關(guān)，湍流強度越大，則陣風系數(shù)越大湍流功率譜密度形成原因：許多不同尺度的渦運動組合而成的，空間某點的脈動風速是由不同尺度的渦在該處形成的各種頻率的脈動疊加而成的作用：描述渦流中不同尺度的渦的動能在湍流脈動動能所占的比例平均風速和風向的表示風（向）玫瑰圖：根據(jù)各方向風出現(xiàn)的頻率按相應的比例長度繪制在圖上盛行風向風向旋轉(zhuǎn)方向最小風向頻率平均風速和風向的表示風能玫瑰圖：反映風能資源，包含風向和風速的信息風向頻率：在一段時間內(nèi)各種風向出現(xiàn)的次數(shù)占觀測總次數(shù)的百分比風速頻率：在一個月或一年的周期中發(fā)生相同風速的時數(shù)占這段時間刮風總時數(shù)的百分比。直線的長度表示一年內(nèi)這個方向的風的時間百分數(shù)生產(chǎn)中用到圖種類風速分布圖風功率密度分布圖風速功率密度月變化圖風速功率密度日變化圖風向玫瑰圖風功率玫瑰圖風速和功率分布月風向玫瑰圖月風能玫瑰圖月風速功率玫瑰圖平均風速隨高度變化在大氣邊界層中，平均風速隨高度發(fā)生變化，其變化規(guī)律稱為風剪切或風速廓線風速廓線符合對數(shù)律分布或指數(shù)分布對數(shù)律分布在近地層中，造成風在近地層中的垂直變化的原因有動力因素和熱力因素指數(shù)律分布α值的變化與地面粗糙度有關(guān)類別α值場所A0.12近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠B0.16田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū)C0.20密集建筑物群的城市市區(qū)D0.30密集建筑群且建筑面較高的城市市區(qū)

1.3.2風能公式空氣密度p—氣壓，hPat—氣溫，℃e—水汽壓，hPa風的統(tǒng)計特性的重要形式是風速的頻率分布，資料的長度至少有3年以上的觀測記錄，風電場前期的風資源測量工作要求1年以上，且數(shù)據(jù)的完成率為95%風速的統(tǒng)計特性威布爾分布其中，k和c為威布爾分布的兩個參數(shù)，k稱為形狀參數(shù)，c稱為尺度參數(shù)c=1，標準威布爾分布k=1，指數(shù)型；k=2，瑞利分布；k=3.5，正態(tài)分布風速頻率分布一般為偏態(tài)，風力愈大的地區(qū)，分布曲線愈平緩，峰值降低右移風能公式風能：風功率：平均風能密度和有效風能密度風能密度平均風能密度實際應用，計算某地年（月）風能密度：

第2章風力發(fā)電的基本原理2.1工作原理為什么大型并網(wǎng)風力機僅到20世紀的中后期才獲得應用？常規(guī)發(fā)電還能滿足需要，社會生產(chǎn)力水平不夠高，還無法顧及降低環(huán)境污染和解決偏遠地區(qū)的供電能夠并網(wǎng)的風力發(fā)電機的設(shè)計與制造，只有在現(xiàn)代高技術(shù)出現(xiàn)后才有可能，20世紀初期是造不出現(xiàn)代風力發(fā)電機風力機風輪運轉(zhuǎn)（葉片旋轉(zhuǎn)）工作原理當氣流流經(jīng)上下翼型形狀不同的葉片時，因凸面的彎曲而使氣流加速，壓力較低，凹面較平緩，使氣流速度減緩，壓力較高，因而產(chǎn)生作用于葉面的升力。現(xiàn)代風力發(fā)電的原理利用風力帶動風輪葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促進發(fā)電機發(fā)電兩種物質(zhì)流能量流信息流：控制系統(tǒng)的功能是過程控制和安全過程。過程控制包括起動、運行、暫停、停止信息流的作用變槳距風機根據(jù)風速變槳變速型風機根據(jù)風速變速根據(jù)風向變化對風需停機時，執(zhí)行氣動剎車和機械制動風力機的主要組成機械組成：風輪、機艙、塔架和基礎(chǔ)功能構(gòu)成：變槳系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)風輪作用：把風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的重要部件要求：強度高、重量輕材料：玻璃鋼或其他復合材料（如碳纖維）發(fā)電機作用：由風輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過升速傳遞給發(fā)電機均勻運轉(zhuǎn)，把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置塔架作用：支承風輪、尾翼和發(fā)電機的構(gòu)架要求：高且強度高

2.2風力發(fā)電基本原理1919年德國的A·貝茨（Betz）理論貝茨（茲）假設(shè)風輪沒有錐角、傾角和偏角，全部接受風輪風能（沒有輪轂），葉片無限多，對空氣流沒有阻力風輪葉片旋轉(zhuǎn)時么有摩擦阻力；風輪前未受擾動的氣流靜壓和風輪后的氣流靜壓相等風輪流動模型可簡化成一個單元流管，不考慮尾流旋轉(zhuǎn)作用在風輪上的推力是均勻的貝茨理論質(zhì)量守恒歐拉定理（動量定理）風輪吸收額功率為動能定理能量守恒求P的最大值當則理論最大效率（理論風能利用系數(shù)）：風力機實際吸收的有用功率為:推導過程所用理論質(zhì)量守恒歐拉定理（動量定理）動能定理能量守恒葉素理論1889年，RichardFroude提出葉素理論作用：從葉素附近流動來分析葉片上的受力和功能交換葉素：風輪葉片在風輪任意半徑r處的一個基本單元，它是由r處翼型剖面延伸一小段厚度dr而形成葉素葉素理論假設(shè)葉片分割成無限多個葉素，每個葉素厚度無限小，葉素為二元翼型葉素都是獨立，之間不存在相互作用，通過各葉素氣流不相互干擾忽略葉片長度的影響葉素剖面和氣流角、受力關(guān)系升力：阻力：合速度：進一步計算的 其中 周推力：轉(zhuǎn)矩：渦流理論渦流流動假設(shè)忽略葉片翼型阻力和葉梢損失的影響忽略有限葉片數(shù)對氣流的周期性影響葉片各個徑向環(huán)斷面之間相互獨立風輪渦流示意圖渦流引起的風速可看成是由3個渦流系統(tǒng)疊加的結(jié)果中心渦：轉(zhuǎn)軸上附著渦：葉片上螺旋渦（自由渦）：葉片尖部在風輪旋轉(zhuǎn)平面處氣流的軸向速度：其中，α為軸向誘導因子；風輪變徑r處的切向速度

第3章風力機風力發(fā)電的優(yōu)越性建造費用低廉產(chǎn)生電力無需其他任何消耗沒有環(huán)境污染運行簡單，無人值守實際占地少3.1風力機概念風力機是以風力作能源，將風力轉(zhuǎn)化為機械能而做功的一種動力機一種能截獲流動的空氣所具有的動能并將風輪葉片迎風掃掠面積內(nèi)的一部分動能轉(zhuǎn)化為有用機械能的裝置又稱風動機、風力發(fā)動機和風車

3.2風力機的分類按風力機風輪軸所在的空間位置來分水平軸風力機：風輪軸平行或接近平行于水平上風向風力機下風向風力機垂直軸風力機：風輪軸垂直于水平面按風力機功率大小來分微型風力機：1kW以下小型風力機：1~10kW中型風力機：10~100kW大型風力機：100~1000kW巨型風力機或兆瓦級風力機：1000kW以上按正常工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速分：高速風力機：葉尖速比λ（高速性系數(shù)）大于3低速風力機按葉片數(shù)目的多少分少葉（翼）式風力機：葉片數(shù)目小于或等于4片多葉片風力機按葉片工作原理分升力型風力機阻力型風力機按葉片升力翼型的形狀分螺旋槳式達里厄式按功率調(diào)節(jié)方式分定槳距風力機普通變槳距型（正變距）風機主動失速型（負變距）風機按傳動形式分高傳動比齒輪箱型（雙饋型）直接驅(qū)動型中傳動比齒輪箱型（半直驅(qū)）

3.3水平軸風力機水平軸風力機的優(yōu)勢升力比阻力大得多升力裝置可以得到較大的葉尖速比λ價格和功率之比較低上風式風力機：水平軸風力機的風輪在塔架的前面迎風旋轉(zhuǎn)固定槳距：在高風速時依靠葉片翼型及葉片內(nèi)部構(gòu)造達到自動失速以限制風力機轉(zhuǎn)速及輸出功率的目的槳距可調(diào)：分全翼展槳距可調(diào)及部分翼展可調(diào)風輪作用：將風能轉(zhuǎn)化為機械能，是風力發(fā)電機接收風能的部件葉片的翼型和材料強度決定了風輪吸收風能的效率和葉片壽命相對輪轂安裝葉片轉(zhuǎn)動的稱變槳距風輪風力發(fā)電機直流發(fā)電機同步交流發(fā)電機異步交流發(fā)電機交流永磁發(fā)電機塔架作用：用來支撐風力機及機艙內(nèi)（或機座上）各種設(shè)備，并使之離開地面一定高度，以使風力機能處于良好的風況環(huán)境下運轉(zhuǎn)機艙（或機座）作用：用來支撐風輪以及與風輪相連的齒輪傳動（變速）裝置、調(diào)速裝置及調(diào)向機構(gòu)等調(diào)向裝置使風輪能隨著風向的變化隨時都迎著風向，以最大限度地獲取風能調(diào)速裝置當風速不斷變化時使風輪的轉(zhuǎn)速維持在一個接近穩(wěn)定不變的范圍內(nèi)。剎車制動裝置使風力發(fā)電機停止動轉(zhuǎn)的裝置增速器及聯(lián)軸器由于風輪的轉(zhuǎn)速低而發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，為匹配發(fā)電機，要在低速的風輪軸與高速的發(fā)電機軸接一個增速器高速聯(lián)軸器：增速器與發(fā)電機之間低速聯(lián)軸器：風輪軸與增速器之間

3.4垂直軸風力機優(yōu)點壽命長，易安裝利于環(huán)保無需偏航對風葉片制造工藝簡單葉片僅受沿展向的張力無塔影效應運行條件寬松缺點風能利用率啟動風速增速結(jié)構(gòu)難控制易失速加工工藝不成熟達里厄型風力機旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機

第4章風力發(fā)電機組4.1風力發(fā)電機組的分類和構(gòu)成風力發(fā)電機組的分類根據(jù)風力機軸的空間位置分類水平軸風力發(fā)電機組風輪圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，風輪的旋轉(zhuǎn)平面與風向垂直垂直軸風力發(fā)電機組風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向，可以接受來自任何方向的風，無須對風；齒輪箱和發(fā)電機可以安裝在地面上，減輕風力機發(fā)電機組承重，且方便維護葉片越多，轉(zhuǎn)得越慢，葉片數(shù)多的風力機通常稱為低速風力機，它在低速運行時，有較大的轉(zhuǎn)矩。它的啟動力矩大、啟動風速低，因而適用于磨面、提水葉片數(shù)目少的風力機通常稱為高速風力機，它在高速運行時有較高的風能利用系數(shù)，但啟動風速較高，適用于發(fā)電根據(jù)風輪的迎風方式分類上風型水平軸風力發(fā)電機組風首先通過風輪再穿過塔架，風輪總是面對來風方向，風輪在塔架“前面”，必須有某種調(diào)向裝置來保持風輪迎風下風型水平軸風力發(fā)電機組風首先通過塔架在穿過風輪，風輪在塔架“后面”，能夠自動對準風向。根據(jù)風輪與發(fā)電機之間的連接方式分類變速式風力發(fā)電機組帶有增速齒輪箱直驅(qū)式風力發(fā)電機組風輪直接驅(qū)動同步多極發(fā)電機根據(jù)葉片能否圍繞其縱向軸線轉(zhuǎn)動分類定槳距式風力發(fā)電機組當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化，在轉(zhuǎn)速恒定的條件下，風速增加超過額定風速時，如果風流與葉片分離，葉片將處于“失速”狀態(tài)，風輪輸出功率降低變槳距式風力發(fā)電機組風速變化時，槳葉的迎風角能隨之變化根據(jù)發(fā)電機組負載形式分類并網(wǎng)型風力發(fā)電機組通過并網(wǎng)逆變器直接饋入電網(wǎng)，然后電力通過電網(wǎng)再輸送給用電戶離網(wǎng)型風力發(fā)電機組獨立于現(xiàn)有電網(wǎng)，需要蓄電池蓄能風力發(fā)電機組的構(gòu)成一次能源系統(tǒng)：葉片、輪轂主傳動系統(tǒng)：主軸、主軸軸承、齒輪箱、聯(lián)軸器支撐系統(tǒng)：導流罩、機艙罩、底盤、塔筒、基礎(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)：同步發(fā)電機（永磁式同步發(fā)電機）、異步發(fā)電機（雙饋式異步發(fā)電機）制動系統(tǒng)：機械制動（液壓系統(tǒng)）、空氣動力制動、偏航系統(tǒng)變槳系統(tǒng)避雷系統(tǒng)

4.2一次能源系統(tǒng)葉片的構(gòu)造材料：玻璃纖維增強塑料（GFRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）、木材、鋼和鋁。復合材料以玻璃纖維或碳纖維為增強材料，樹脂為基體。優(yōu)點：比重小，強度較高；易成型性好；耐腐蝕性強；維護少，以修補。鋼材主要用于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接件葉片葉柄結(jié)構(gòu)采用螺栓與輪轂連接，形成懸臂形式：螺紋件預埋件、鉆孔組裝式木質(zhì)、鋁合金擠壓成型等弦長、鋼制、鋼縱梁玻璃鋼、玻璃鋼葉片數(shù)兩葉片風輪對應最大風能利用系數(shù)的轉(zhuǎn)速比較高。對剛性輪轂來說，作用在兩葉片風輪的脈動載荷要大于三葉片風輪。接受程度輪轂固定式輪轂：鑄造結(jié)構(gòu)或焊接結(jié)構(gòu)鉸鏈式輪轂用于有葉柄的單葉片和二葉片風輪。葉片被懸掛的角度與風輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，角度越大。葉片的基本幾何定義葉尖葉片投影面積葉片翼型中弧線前緣后緣幾何弦平均幾何弦長氣動弦長厚度相對厚度彎度安裝角扭角幾何攻角葉片的基本幾何定義當攻角增大時，升力系數(shù)Cl成線性遞增，當攻角達到某一值α時，Cl突然下降，這一現(xiàn)象稱為失速。α稱為臨界攻角。壓力中心點：對于某一特定攻角，翼型總對應一特殊點，空氣動力對這個點的力矩為零，將該點稱為壓力中心點氣動力效率：在某一攻角下，升力與阻力之比稱為升阻比，又稱氣動力效率，即：風輪的幾何定義與參數(shù)風輪直徑風輪掃掠面積風輪偏角槳距角風輪錐角風輪仰角風輪額定轉(zhuǎn)速風輪最高轉(zhuǎn)速風輪實度葉尖速比

4.3主傳動系統(tǒng)組成：主軸、主軸承、齒輪箱、聯(lián)軸器主軸及主軸承受力形式：軸向力、徑向力、彎矩、轉(zhuǎn)矩和剪切力主軸軸心通孔作用？主軸安裝方式：挑臂梁：兩點支撐懸臂梁：三點支撐優(yōu)點：前點為剛性支撐；后點為彈性支撐（齒輪箱）。主軸承雙列調(diào)心滾子軸承。特點：能夠補償軸的繞曲和同心誤差。結(jié)構(gòu)特點。徑向孔：潤滑油通道進行淬火原因？軸承座運行時允許有微量油滲出！齒輪箱（增速箱）潤滑油凈化和溫控系統(tǒng)粘度對溫度的影響?粘度高，齒輪箱潤滑部位不能得到充分潤滑。粘度下降，對嚙合齒面油膜的形成不利。為何要控制溫度？易生成點蝕、膠合和磨損現(xiàn)象。潤滑方式飛濺潤滑強制潤滑過濾器工作方式粘度高，液壓油通過粗、精兩個過濾裝置（單向閥開）。粘度低，液壓油只通過粗過濾器裝置（單向閥關(guān)）截止閥作用：更換濾芯時將過濾器殼體內(nèi)的油液排出放氣接頭作用：將系統(tǒng)中的氣泡排除。潤滑系統(tǒng)冷卻方式：風冷式機組起動前，先啟動潤滑油泵！齒輪箱安裝過程激光對中人工盤動電機反向拖動分階段加負載聯(lián)軸器撓性聯(lián)軸器無彈性彈性元件聯(lián)軸器金屬撓性元件聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器無鍵連接，可傳遞轉(zhuǎn)矩、軸向力或兩者的復合載荷，承載能力高，定心性好萬向聯(lián)軸器：適用于有大角位移的兩軸之間的連接輪胎聯(lián)軸器：補償性能和緩沖減振能力大，但隨扭角增加，兩軸會產(chǎn)生相當大的附加軸向力膜片聯(lián)軸器：中間體帶有力矩限制器，當傳動力矩過大時可以自動打滑。連桿聯(lián)軸器：特點：保護套的表面有不同的圖層，保護套與軸之間的摩擦力始終是保護套和軸套之間摩擦力的2倍，從而保證滑動永遠只會發(fā)生在保護套與軸套之間。

4.4支撐系統(tǒng)機艙機艙底盤性能要求：高強度、高剛度和減振特性結(jié)構(gòu)特點分為兩部分：前機艙底盤為鑄件；后機艙底盤為焊接件。機艙罩結(jié)構(gòu)特點分為下艙罩和上艙罩兩部分，加中空式加強筋與底盤連接利用帶有橡膠減震器的螺栓將機艙連接板與機艙底盤支架連接。整流罩外部呈流線型，有利于減小風對機艙的作用力塔筒功能支撐位于空中的風力發(fā)電系統(tǒng)，塔架與基礎(chǔ)相連接，承受風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的各種載荷，同時傳遞這些載荷到基礎(chǔ)，使整個風力發(fā)電機組能穩(wěn)定可靠地運行。分類拉索式塔架通過數(shù)根鋼索固定在離散的地基上，由每根鋼索的調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)長短，保證整個風力發(fā)電機組對地基的垂直度。適用小型風電機組。桁架式塔架采用鋼管或角鐵焊接成截錐形桁塔支撐在地基上，桁塔的橫截面多為正方形或正多邊形。適用于中小型風力機塔筒式塔架鋼制塔架采用強度和塑性較好的多段鋼板進行滾壓，對接焊成截錐式筒體，兩端與法蘭盤焊接而構(gòu)成截錐塔筒鋼混組合塔架鋼筒夾混塔塔架結(jié)構(gòu)安裝方式采用高強度螺栓穿過內(nèi)翻式法蘭將塔筒連接。高度確定≤25m：>25m：平臺為方便安裝螺栓，平臺距法蘭處1.1m左右。電纜及其固定通過電纜卷筒與支架固定電纜卷筒作用保證電纜有一定的自由旋轉(zhuǎn)，同時承載相應部分的電纜重量。內(nèi)梯與外梯塔架的固有頻率振幅大小于激振頻率和塔架的固有頻率有關(guān)。受力頻率風輪轉(zhuǎn)子殘余的旋轉(zhuǎn)不平衡質(zhì)量引起的振動頻率=轉(zhuǎn)速n塔影、不對稱空氣來流、風切變、尾流引起的振動頻率=Nnf≥（1+20%）n或Nnf>Nn：剛性塔n<f<Nn：半剛性塔f<n：柔塔塔架-風輪系統(tǒng)振動模態(tài)分析模態(tài)作用在交變力、交變力矩作用下的振型、振幅和頻率，為解決風力機的動態(tài)穩(wěn)定性問題提供依據(jù)固有頻率改變隨著離心力增加，葉片的剛性增加，從而固有頻率提高?；A(chǔ)厚板塊基礎(chǔ)抵制傾覆力矩和機組重力偏心力?？沙惺芷牧酁閃B/6。形式平面板塊基礎(chǔ)平放機座基礎(chǔ)嵌入式塔架和傾斜板塊基礎(chǔ)巖石床打錨基礎(chǔ)多樁基礎(chǔ)適用土質(zhì)疏松的地質(zhì)?；炷羻螛痘A(chǔ)支撐系統(tǒng)保護連接件的維護力矩檢測；防腐結(jié)構(gòu)件的維護外觀檢查；防銹及補漆（底漆、面漆）；焊點處檢查；電纜破損檢查塔基水平度檢測 下塔筒外法蘭盤上選取4個監(jiān)測點塔筒標識維護標識清晰

4.5制動系統(tǒng)制動的兩種分類：運行制動緊急制動制動裝置：機械制動空氣動力制動機械制動工作原理：利用非旋轉(zhuǎn)元件和旋轉(zhuǎn)元件之間的相互摩擦來阻止轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動的趨勢。分類常開式常閉式制動器工作狀態(tài)分類常閉式和常開式盤式制動器鉗盤式：固定式和浮動式（固定和擺動）全盤式錐盤式制動器安裝方式避免制動軸受到徑向力和彎矩，鉗盤式制動器應成對分布。，制動力矩在低速軸很大。失速型風力機常用低速軸機械制動（可靠性角度考慮）變槳距風力機在高速軸制動，但易發(fā)生制動的不均勻性?？諝鈩恿χ苿犹攸c空氣動力制動并不能使風輪完全靜止下來，只能使其轉(zhuǎn)速限定在允許的范圍內(nèi)。定槳距風力機采用的空氣動力裝置為葉尖擾流器工作過程：當轉(zhuǎn)速增加時，葉尖的離心力增大，葉尖擾流器克服液壓力的作用脫離葉片主體轉(zhuǎn)動到制動位置。葉尖擾流器還可以作為液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障的保護裝置。

4.6變槳系統(tǒng)變槳距使葉片繞其安裝軸旋轉(zhuǎn)，改變?nèi)~片的槳距角，從而改變風力機的氣動特性類型液壓變距型電動變距型液壓變槳距系統(tǒng)類型組成槳距控制器、數(shù)碼轉(zhuǎn)換器、液壓控制單元、執(zhí)行機構(gòu)、位移傳感器驅(qū)動形式分類單獨變槳特點：可靠性高；需要精確的同步變距控制統(tǒng)一變槳工作過程電動變槳距系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)工作過程主控制器根據(jù)風速、發(fā)電機功率和轉(zhuǎn)矩等，把指令信號發(fā)送至電動變槳距控制系統(tǒng)電動變槳距系統(tǒng)把實際值和運行狀況反饋至主控器。單元組成伺服電機的作用。電機編碼器的作用。減速器采用的形式。變槳減速器的潤滑潤滑方式浸油潤滑、油脂潤滑油脂檢查變槳軸承一般采用4點角接觸球軸承

4.7偏航系統(tǒng)偏航定義水平軸風力發(fā)電機風輪繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)偏航分類主動偏航被動偏航偏航系統(tǒng)的功能跟蹤風向的變化，驅(qū)動機艙圍繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，使風輪掃掠面與風向保持垂直。解纜功能在反復調(diào)整方向過程中，有可能發(fā)生沿著同一方向累計轉(zhuǎn)了許多圈，造成機艙與塔底之間的電纜扭絞現(xiàn)象。偏航阻尼器功能使機艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動偏航計數(shù)器功能記錄偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的裝置。偏航系統(tǒng)的組成和工作原理偏航計數(shù)器功能記錄偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的裝置。偏航具體過程組成偏航軸承；偏航驅(qū)動裝置；偏航制動器；偏航液壓回路齒圈與偏航軸承做成一體齒圈形式內(nèi)齒圈外齒圈偏航軸承內(nèi)、外齒圈特點偏航驅(qū)動偏航驅(qū)動的安裝方式。偏航制動與主傳動制動器的區(qū)別：不設(shè)置彈簧。偏航系統(tǒng)的維護偏航軸承維護：密封帶必須保持沒有灰塵，清洗其他部件時，避免清潔劑接觸到密封帶或進入滾道系統(tǒng)。安裝偏航軸承后要找出4個合適的測量點并在支承和連接支座上標注，并記錄相應數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)作為以后測量數(shù)據(jù)的基準。偏航系統(tǒng)的常見故障齒圈齒面磨損液壓管路泄露偏航壓力不穩(wěn)異常噪聲偏航定位不準確偏航計數(shù)器故障

4.8液壓系統(tǒng)作用：液壓系統(tǒng)主要用于控制變槳距機構(gòu)和機械制動，也用于偏航驅(qū)動與制動。液壓元件動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件。動力元件：將機械能轉(zhuǎn)換為液壓壓力能?？刂圃嚎刂葡到y(tǒng)壓力、流量、方向以及進行信號轉(zhuǎn)換和放大。執(zhí)行元件：將流體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能。輔助元件：保證系統(tǒng)正常工作。液壓泵分類：按結(jié)構(gòu)與壓力分類液壓泵的性能參數(shù)額定壓力理論排量功率效率液壓閥分類方向控制閥壓力控制閥流量控制閥方向控制閥：普通單向閥液控單向閥換向閥壓力控制閥溢流閥（作用）：定壓；安全；卸載；減壓閥；順序閥壓力繼電器流量控制閥節(jié)流閥（作用）：節(jié)流調(diào)速；阻尼；壓力緩沖調(diào)速閥分流集流閥電液伺服閥：根據(jù)輸入電信號連續(xù)成比例地控制系統(tǒng)流量和壓力的液壓控制閥電液比例閥：用比例電磁鐵代替普通電磁換向閥電磁鐵的液壓控制閥。它也可以根據(jù)輸入電信號連續(xù)成比例地控制系統(tǒng)流量和壓力。液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，是將輸入的液壓能轉(zhuǎn)化為機械能的能量裝置，它可以方便地獲得直線往復運動。輔助裝置蓄能器應急油源吸收壓力脈動減小液壓沖擊輔助能源過濾器作用：保證液壓油的清潔分類：表面型；深度型；磁性油箱分為總體式和分體式熱交換器分為風冷式、水冷式和冷媒式密封裝置分為接觸性密封和非接觸性密封定槳距風力機液壓系統(tǒng):蓄能器的作用當主油路斷開時，由蓄能器儲存的能量提供壓力，使葉尖擾流器與葉片保持一致。突開閥的作用當風速超過切出風速時，突開閥自動換向，系統(tǒng)的壓力被釋放，葉尖擾流器脫離葉片，實現(xiàn)緊急剎車保證機組的運行安全性。壓力繼電器作用監(jiān)測剎車油缸的壓力大小，保持油缸中壓力穩(wěn)定，使剎車裝置安全可靠。變槳距風力機液壓系統(tǒng)停機、待機開槳順槳液壓系統(tǒng)的維護設(shè)備的檢查油位行程開關(guān)和限位塊油溫緊固件過濾器和空氣濾清器液壓油選用原則液壓系統(tǒng)的液壓油應該與生產(chǎn)企業(yè)指定的牌號相符。溫度高選用粘度高的油液更換液壓油的要求液壓系統(tǒng)中的油液或添加到液壓系統(tǒng)中的油液必須經(jīng)常過濾，即使是初次用的新油也要過濾清洗過濾器和空氣濾清器清洗前要確保電機未起動。故障排除和更換元件通常液壓系統(tǒng)元件都可以用現(xiàn)場維護人員來完成液壓系統(tǒng)常見故障：出現(xiàn)異常振動和噪聲輸出壓力不足油溫過高液壓泵的起停太頻繁

4.9避雷系統(tǒng)風輪葉尖和風速傳感器保護葉尖處設(shè)有接閃器風速傳感器的避雷針機艙外殼瞬態(tài)電流不允許經(jīng)過軸承等精密部件機艙的保護傳動系統(tǒng)齒輪箱、發(fā)電機、鋼架和機艙構(gòu)成等位體，避免電壓過高對部件的破壞。電氣設(shè)備的保護電源系統(tǒng)的保護三級保護原理防雷擊浪涌保護器浪涌保護器終端設(shè)備保護器控制柜內(nèi)主控器的電源保護變壓器輸出端并聯(lián)加裝防雷器測控線的保護在變送器前段加裝模擬信號防雷器或開關(guān)信號防雷器。地基防雷接地體由垂直接地體和環(huán)形接地體組成。

第5章風力發(fā)電技術(shù)變槳距控制是為了盡可能地提高風力機風能轉(zhuǎn)化效率和保持風力機輸出功率平穩(wěn)變槳距型風力機在各種工況可按最佳參數(shù)運行，使輸出功率曲線得到優(yōu)化，可使槳葉和整機的受力狀況大為改善，還可以使發(fā)動機在額定風速以下的工作區(qū)段有較高的發(fā)電量，而在額定風速以上的高風速區(qū)段不超載，不需要過載能力大的發(fā)電機變槳控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，變槳距控制器是一個非線性比例控制器5.1發(fā)電系統(tǒng)5.1.1發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)變壓器變壓器的工作原理通常兩個繞組中一個接到交流電源，稱為一次繞組，簡稱一次側(cè)。另一個接到負載，稱為二次繞組，簡稱二次側(cè)。原理：一次、二次電壓決定于一次二次繞組匝數(shù)之比。變壓器的分類及結(jié)構(gòu)用途分類：電力變壓器（220kV超高壓，35-110kV中壓，10kV配電變壓器）特種變壓器（電爐、整流）儀用互感器（電壓、電流互感器）冷卻方式：油浸式變壓器和干式變壓器變壓器的分類及結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)鐵心：分鐵心柱和鐵軛材料：表面涂的含桂量較高的厚度為0.35mm硅鋼片制成。目的：提高磁路的磁導率和降低鐵心內(nèi)的渦流損耗。開關(guān)電器開關(guān)電器分類低壓刀開關(guān)、接觸器、高壓負荷開關(guān)：正常工作下開端或閉合正常工作電流。熔斷器：開斷過負荷電流或短路電源高壓隔離開關(guān)：檢修時隔離電源。自動分斷器：預定的記憶時間內(nèi)根據(jù)選定的計數(shù)次數(shù)在無電流的瞬間自動分段故障電路。高壓短路器、低壓空氣短路：開斷或閉合正常工作電流，或過負荷電流或短路電流。具有滅弧裝置真空斷路器真空滅弧室斷路器的結(jié)構(gòu)分裝式、固定式、手車式三種結(jié)構(gòu)。用途以真空作為滅弧和絕緣介質(zhì)的斷路器，多用于10~35kV的配電系統(tǒng)中交流接觸器用途：接通或斷開電動機或其他設(shè)備的主電路結(jié)構(gòu)主觸頭：電流較大，接在電動機主電路輔助觸頭：電流較小，接在控制電路。滅弧裝置熔斷器最簡單且最有效的短路保護電路。繼電器用途：用來保護電動機使之免受長期過載的危害。不能用作短路保護熱慣性中間繼電器用途：傳遞信號和同時控制多個電路，或直接用來控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件。母線與電纜母線定義：在各級電壓配電裝置中，將發(fā)電機、變壓器與各種電器連線的導線。分類軟母線：電壓較高的戶外配電裝置硬母線：電壓較低的戶內(nèi)外配電裝置母線材料銅母線鋁母線：電阻率稍高于銅，但比銅經(jīng)濟鋼母線：電阻率高于銅7倍，適用于高壓小容量電路。母線的截面形狀矩形截面：一般用于35kV及以下的戶內(nèi)配電裝置中。圓形截面：35kV以上的戶外配電裝置中（可防電暈）。槽型截面：配電時，當三條以上矩形母線不能滿足要求。電力電纜電力電纜的種類電壓、使用環(huán)境、線芯數(shù)、結(jié)構(gòu)特征、絕緣材料電力電纜的結(jié)構(gòu)特點油紙絕緣電纜塑料絕緣電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜橡膠絕緣電纜電力電纜基本結(jié)構(gòu)：電纜的基本結(jié)構(gòu)由線芯、絕緣層、保護層組成

5.1.2變流器電力電子器件電力電子器件的概念和特征被廣泛用于處理電能的主電路中，是實現(xiàn)電能的傳輸、變換及控制的電子器件。主要參數(shù)：電功率大小處理功率級別大由信息電子來控制電力電子器件。電力電子器件的分類按控制性分類不控型器件：不能用控制信號控制其導通和關(guān)斷的電力電子器件半控型器件：通過控制極（門極）控制器件導通，但不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。全控型器件：既可以通過器件的控制極（門極）控制其導通，又可控制其關(guān)斷。按驅(qū)動信號分類電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型不可控器件—電力二極管特征：正向?qū)щ娦院头聪蜃钄嘈栽恚赫螂妷篣F大于閾值電壓UT0時，導通。UF為二極管的正向同態(tài)壓降。當反向電壓超過一定數(shù)值（URB0）后，二極管的反向電流迅速增大，產(chǎn)生雪崩擊穿，URB0稱為反向擊穿電壓。半控型器件—晶閘管又稱可控硅整流器組成：門極（G）、陽極（A）和陰極（K）特征：電流觸發(fā)性；單向特性；半控型特性電力場效應晶體管——電力MOSFET原理：用柵極電壓來控制漏極電流，實現(xiàn)電流的通斷。分類：P溝道和N溝道特點：柵極電壓UGS越高，反型層越厚，導電溝道越寬，漏極電流越大；驅(qū)動功率小；反應效率快絕緣柵型雙極性晶體管——IGBT特點驅(qū)動方便，開關(guān)速度快導通后呈電阻性質(zhì)，電力壓降高。電壓驅(qū)動型通流能力強、耐壓等級高AC-DC變換電路不控整流—二極管大小取決于輸入電壓和電路形式特點電流穩(wěn)定——電感濾波電壓穩(wěn)定——電容濾波同時穩(wěn)定——電感與電容組成LC濾波電路分類半控橋和全控橋相控整流—晶閘管通過控制門極的觸發(fā)延遲角，就能控制晶閘管的導通時刻。分類半控橋全控橋特點控制方便產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)會產(chǎn)生二次污染斬波整流—PWM特點網(wǎng)側(cè)功率因素高、諧波含量低網(wǎng)側(cè)電流畸變小，功率因素任意可控體積、質(zhì)量小分類拓撲結(jié)構(gòu)：電壓型和電流型是否有能量回饋：無能量回饋的整流器（PFC）和有能量回饋的開關(guān)模式整流器（SMR）動態(tài)響應速度適當控制整流器交流端的幅值和相位可獲得所需大小和相位的輸入電流。DC-DC交換電路特點可將一種電流電變換成另外一種固定或可調(diào)電壓的直流電。分類不隔離式隔離式DC-AC變換電路分類電壓型電流型單相半橋單相全橋三相橋式AC-AC變換電路分類頻率不變而僅改變電壓大小的AC-AC電壓變壓器直接將一定頻率的交流電變換為較低頻率交流電的相控式AC-AC直接變換器，在直接變頻的同時也可以實現(xiàn)電壓變換，實現(xiàn)降頻降壓變換。風力發(fā)電機組變流器的應用技術(shù)支撐風力發(fā)電機組大功率變流器的主要技術(shù)有：正弦脈寬調(diào)制技術(shù)將參考波形與輸出調(diào)制波形進行比較，并根據(jù)兩者比較結(jié)果確定逆變橋壁的開關(guān)狀態(tài)大功率變流技術(shù)采用器件串聯(lián)技術(shù)來提高電壓等級采用器件并聯(lián)技術(shù)來提高輸出電流采用模塊并聯(lián)技術(shù)多重化技術(shù)指在電壓源型變流器中，為減少諧波，提高功率等級，將輸出的PWM波錯位疊加，使輸出波形更加正弦波。低電壓穿越技術(shù)當電網(wǎng)發(fā)生故障如電壓跌落時，風力發(fā)電機組仍需要保持與電網(wǎng)的連接，只有故障嚴重時才允許脫網(wǎng)。計算機軟件控制技術(shù)

5.2發(fā)電機及其并網(wǎng)發(fā)電機輸出頻率恒定的方法有兩種：恒轉(zhuǎn)速/恒頻系統(tǒng)變轉(zhuǎn)速/恒頻系統(tǒng)異步感應發(fā)電機同步發(fā)電機繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機雙饋感應發(fā)電機5.2.1異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)籠型和繞線型籠型組成定子由鐵心和定子（勵磁）繞組組成轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，槽中嵌入金屬導條。鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導條短接，轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁，沒有集電環(huán)和電刷。繞線型定子與籠型異步發(fā)電機相同，轉(zhuǎn)子繞組電流通過集電環(huán)和電刷流入流出。發(fā)電：發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，并且恒速運行。異步發(fā)電機6極，輸入轉(zhuǎn)速為？r/min。工作原理同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)差率工作狀態(tài)當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時（n<n1）電機中的電磁轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩，電機從電網(wǎng)中吸收無功功率建立磁場，吸收的有功功率將電能轉(zhuǎn)化為機械能。當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時（n>n1）電機中的電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，電機從外部吸收無功功率建立磁場，風力機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。并網(wǎng)方式直接并網(wǎng)條件：發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速缺點產(chǎn)生沖擊電流（5~6倍額定電流）并網(wǎng)過程降壓并網(wǎng)原理：在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器，或者接入自耦變壓器，降低并網(wǎng)時沖擊電流和電網(wǎng)下降的幅度。晶閘管軟并網(wǎng)原理：定子和電網(wǎng)之間每相串入一只雙向晶閘管，通過晶閘管的導通角來控制并網(wǎng)時的電流沖擊。并網(wǎng)過程并網(wǎng)運行時的功率輸出及無功功率補償并網(wǎng)運行時的功率輸出發(fā)電機輸出的電流大小及功率因素決定于轉(zhuǎn)差率s和發(fā)電機的參數(shù)。轉(zhuǎn)差率的大小由發(fā)電機的負載決定。飛車產(chǎn)生的原因當風輪傳給發(fā)電機機械功率增加時，發(fā)電機制動轉(zhuǎn)矩也相應增大，當超過最大輸出功率時，制動轉(zhuǎn)矩不增反減，發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速增加。轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)電壓二次方成正比，電網(wǎng)電壓下降，制動力矩相應減小，發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩無法有效控制，造成飛車。變速恒頻技術(shù)變速恒頻：發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風速變化，發(fā)出的電流通過適當?shù)淖兓?，使輸出頻率與電網(wǎng)頻率相同。設(shè)備：AC-DC-AC變頻器缺點：變頻器體積過大，成本過高。

5.2.2同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)定子：由定子鐵心和三相定子繞組組成轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組（勵磁）組成集電環(huán)轉(zhuǎn)子軸分類凸極式和隱極式勵磁系統(tǒng)直流發(fā)電機作為勵磁電流的直流勵磁系統(tǒng)。用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁的整流勵磁系統(tǒng)（大容量發(fā)電機）。工作原理在風力機的拖動下，轉(zhuǎn)子（含磁極）以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場切割定子上的三相對稱繞組，在定子繞組中產(chǎn)生頻率為f1的三相對稱的感應電動勢和電流輸出，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。優(yōu)缺點即可輸出有用功率，也可提供無功功率，提高功率因數(shù)。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須恒定，需要精確的調(diào)速機構(gòu)并網(wǎng)條件和方式并網(wǎng)條件波形；幅值；頻率；相序；相位并網(wǎng)方式自動準同步并網(wǎng)自同步并網(wǎng)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性功率調(diào)節(jié)和補償有功功率的調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的功率角：轉(zhuǎn)子勵磁磁場軸線與定、轉(zhuǎn)子合成磁場軸線之間的夾角。調(diào)節(jié)方法當轉(zhuǎn)速增加，定子電流增加，附加定子勵磁磁場增加時，功率角增大，輸出功率增加。當功率角達到90°時，定子電流最大，發(fā)電機轉(zhuǎn)速將失去同步，機組將無法監(jiān)理平衡。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流使功率角小于90°，提高穩(wěn)定性。（用于短時間陣風調(diào)節(jié)）無功功率的補償無功功率不足，電網(wǎng)的電壓將會下降同步發(fā)電機帶感性負載時，由于定子電流建立的磁場對電機中的勵磁磁場有去磁作用。過勵時，發(fā)電機輸出滯后無功功率，改善功率因數(shù)；欠勵時，從電網(wǎng)吸收滯后無功功率，降低功率因數(shù)。同步發(fā)電機通常在過勵狀態(tài)下運行，確保機組穩(wěn)定運行。變速恒頻技術(shù)使用變頻器的優(yōu)點由于同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間通過變流器相連接，發(fā)電機的頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨立，并網(wǎng)時一般不會發(fā)生因頻率偏差而產(chǎn)生較大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，并網(wǎng)過程比較平穩(wěn)。

5.2.3雙饋異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)組成：定子和轉(zhuǎn)子（結(jié)構(gòu)上帶有集電環(huán)和電刷）與異步發(fā)電機相同。變流器（AC-AC，AC-DC-AC，正弦波脈寬調(diào)制雙向變流器）電流組成定子輸出轉(zhuǎn)子通過逆變器輸出工作原理當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時，可通過調(diào)節(jié)f2來維持f1不變，以保證與電網(wǎng)頻率相同雙饋異步發(fā)電機運行時的功率分析：定子輸出的電能（有用功率）：轉(zhuǎn)子輸出/輸入的功率（無功功率）雙饋電機在四象限運行過程中的能流關(guān)系轉(zhuǎn)子運行在亞同步的電動狀態(tài)（1>s>0）電動運行狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩，機械功率由電機輸出給機械負載，轉(zhuǎn)差功率回饋給轉(zhuǎn)子外界電源轉(zhuǎn)子運行于亞同步的定子回饋制動狀態(tài)（1>s>0）電磁功率由定子回饋給電網(wǎng)，機械功率由風力機輸入電機，電磁轉(zhuǎn)矩為制動性轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子運行于與超同步速的電動狀態(tài)（s<0）電磁功率由定子輸給電機，機械功率由電機輸給負載，轉(zhuǎn)差功率由電網(wǎng)輸給負載，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)為什么采用雙向變流器？變流器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值、相位和相序，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)連接。當風力機運行在亞同步狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子中的電流從電網(wǎng)流向轉(zhuǎn)子繞組線圈；當風力機運行在超同步狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子中的電流流向電網(wǎng)。并網(wǎng)過程？雙饋式風力機的優(yōu)點通過調(diào)節(jié)勵磁電流，實現(xiàn)變速運行下的恒頻及功率調(diào)節(jié)只有電流頻率通過變流器，變流器容量減小。系統(tǒng)具有很強的抗干擾性和穩(wěn)定性缺點電刷和集電環(huán)降低可靠性。

5.1.6永磁同步發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定子與普通交流電機相同轉(zhuǎn)子采用永磁材料勵磁優(yōu)點無勵磁繞組的銅損耗無集電環(huán)發(fā)電機體積較小極對數(shù)可做的很多省去齒輪箱，提高系統(tǒng)的效率和運行可靠性缺點運行時溫度高，所以永磁發(fā)電機常做成轉(zhuǎn)子型，便于散熱直驅(qū)式風力發(fā)電機采用電機永磁發(fā)電機電勵磁式同步發(fā)電機（目前應用）

5.3控制系統(tǒng)5.3.1功率調(diào)節(jié)在超過額定風速后（一般為12~16m/s）以后，由于部件機械強度和發(fā)電機、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風輪的能量捕獲，使功率輸出保持在額定值附近，減少葉片承受負荷和整個風力機受到的沖擊，保證風力機不受損害功率調(diào)節(jié)方式定槳距失速調(diào)節(jié)控制最簡單，利用高風速時升力系數(shù)降低和阻力系數(shù)增加，限制功率在高風速時保持恒定變槳距調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動槳距葉片安裝角以減小攻角，高風速時減小升力系數(shù)，以限制功率主動失速調(diào)節(jié)利用槳距調(diào)節(jié)，在中低風速區(qū)可優(yōu)化功率輸出風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展在功率調(diào)節(jié)方式：變速恒頻技術(shù)和變槳調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)電機類型：無刷雙饋型感應發(fā)電機和永磁式發(fā)電機在控制技術(shù)：計算機分布式控制技術(shù)和新的控制理論驅(qū)動方式：免齒輪箱的直接驅(qū)動技術(shù)世界風力發(fā)電機組的統(tǒng)一形式水平軸三葉片上風向管式塔發(fā)展趨勢單機容量不斷增大變槳距功率調(diào)節(jié)方式代替定槳距功率調(diào)節(jié)方式變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)迅速取代恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)免齒輪箱系統(tǒng)的直取方式發(fā)電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)方式三種功率調(diào)節(jié)方式定槳距失速控制變槳距調(diào)節(jié)主動失速調(diào)節(jié)定槳距失速控制優(yōu)點：控制簡單缺點：功率曲線由葉片的失速特性決定，功率輸出不確定阻尼較低，振動幅度較大，葉片易疲勞損壞高風速時氣動載荷較大，葉片及塔架等受載荷較大低風速段風輪轉(zhuǎn)速較低時的功率輸出較高變槳距調(diào)節(jié)優(yōu)點：獲取更多的風能，提供氣動剎車，減少作用在機組上額極限載荷變槳速率約為5°/s，緊急變槳速率為10°/s主動失速調(diào)節(jié)特點：可以補償空氣密度、葉片粗糙度、翼型變化對功率輸出的影響，優(yōu)化中低風速的出力額定點之后可維持額定功率輸出葉片可順槳，制動平穩(wěn)，沖擊小，極限載荷小概述控制器一：電力電子裝置控制發(fā)電機的反力矩在額定風速以下時，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比控制器二：伺服系統(tǒng)控制槳葉節(jié)距在高于額定風速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳距角來限制風力機獲取能量，使風力發(fā)電機組保持在額定值下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負荷最小化

5.3.2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（離散控制）控制系統(tǒng)的功能原因：風能密度低、穩(wěn)定性差風速和風向隨機性目標：保證系統(tǒng)的可靠性運行、能量利用率最大電能質(zhì)量高機組壽命長常規(guī)控制內(nèi)容風力發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)工作點穩(wěn)態(tài)工作點：當外部條件（如：負載、風速和空氣密度等）和自身的參數(shù)確定，風力發(fā)電機組經(jīng)過動態(tài)調(diào)整后將工作在某一平衡工作點。最佳風能利用系數(shù)曲線：在不同風速下，風力機輸出功率最大點的連線?？刂葡到y(tǒng)的任務：保證機組安全可靠運行的前提下，使風力發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)工作點盡可能靠近風力發(fā)電機的最佳風能利用系數(shù)曲線。風力發(fā)電機組工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)運行狀態(tài)暫停狀態(tài)停機狀態(tài)緊急停機狀態(tài)當緊急停機電路動作時，所有接觸器斷開，計算機輸出信號被旁路，使計算機沒有可能去激活任何機構(gòu)。提高工作狀態(tài)層次只能一層一層地上升，而要降低工作狀態(tài)層次可以一層或多層故障處理方式故障檢測故障記錄對故障的反應故障處理后的重新起動當外部條件良好，此外部原因引起的故障狀態(tài)可能自動復位。一般可以通過遠程控制復位，如果操作者發(fā)現(xiàn)故障可接受并允許起動風力發(fā)電機組，可以復位機組的起動自起動本地起動遠程起動偏航系統(tǒng)的運行設(shè)置一定的允許偏差偏航控制系統(tǒng)包括：主動偏航90°側(cè)風自動解纜頂部機艙控制偏航面板控制偏航和遠程控制偏航

5.3.3定槳距風電機組的控制（恒頻/恒速）概念在風力發(fā)電過程中保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變，從而得到和電網(wǎng)頻率一直的恒頻電能調(diào)節(jié)類型定槳距失速型：利用風輪葉片翼型的氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風能變槳距失速型：通過葉輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)控制風力機的輸出功率機組的控制特征失速和制動核心問題自動失速性能突甩負載下的安全停機定義：失速安裝角的調(diào)整失速只與風速有關(guān)，失速型風機冬夏兩季的輸出功率不同。夏季空氣密度低，氣壓小，定槳距風力機發(fā)電量小。增加安裝角大小，提高失速點，控制發(fā)電機的輸出功率在額定功率附近波動。反之亦然。主動失速風力機雙速發(fā)電機風力機在低于額定風速下運行的時間約占風力機全年運行時間60%~70%，為了充分利用低風速時的風能，增加全年的發(fā)電量，近年來廣泛應用雙速異步發(fā)電機改變電機定子繞組的極對數(shù)3種方法：采用兩臺定子繞組極對數(shù)不同的異步電機在一臺電機定子上放置兩套不同相互獨立的繞組，即是雙繞組的雙速電機在一臺電機的定子上僅安置一套繞組，靠改變繞組的連接方式獲得不同的極對數(shù)，即單繞組雙速電機通過改進發(fā)電裝置實現(xiàn)不連續(xù)變速功能方法雙速發(fā)電機雙繞組雙速感應發(fā)電機雙速極幅調(diào)制感應發(fā)電機運行過程待機狀態(tài)當風速達到切入風速，不足以將風力發(fā)電機組拖動到切入的轉(zhuǎn)速，或者風力發(fā)電機組從小功率（逆功率）狀態(tài)切出，沒有重新并入電網(wǎng)。風力發(fā)電機組的自起動風輪在自然風速的作用下，不依靠其他外力的協(xié)助，將發(fā)電機拖動到額定轉(zhuǎn)速。自起動的條件電網(wǎng)：低、過電壓（10min）風況機組風輪對風并制動解除，準備自起動風輪對風時間常數(shù)控制（10s）自動解除擾流器回收與松開鉗式制動器風力發(fā)電機組并網(wǎng)與脫網(wǎng)并網(wǎng)主電路晶閘管完成。為避免火花產(chǎn)生需用旁路接觸器首先接通。大小發(fā)電機軟并網(wǎng)程序達到預置切入點→晶閘管接通，加速度由大變小→轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速發(fā)電→從旁路接觸器輸送電能至電網(wǎng)從小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換切換依據(jù)：平均功率或瞬時功率發(fā)電機向小發(fā)電機的切換切換依據(jù)：持續(xù)功率或平均功率電動機起動只在調(diào)試期間或某些特殊情況下使用參數(shù)監(jiān)測和處理電力參數(shù)監(jiān)測電壓：電網(wǎng)沖擊電流：電路短路保護（斷路器保護）；過電流保護（軟件）頻率：電網(wǎng)上下限功率進行比較功率因數(shù)：通過電壓相角和電流相角獲得功率監(jiān)測：過低、過高。風力參數(shù)監(jiān)測風速監(jiān)測25m/s，正常停機33m/s，持續(xù)2s，正常停機50m/s，持續(xù)2s，緊急停機，90側(cè)風風向監(jiān)測風向與機艙中心線的偏差角機組狀態(tài)檢測轉(zhuǎn)速監(jiān)測溫度監(jiān)測機艙振動監(jiān)測電纜扭轉(zhuǎn)監(jiān)測機械制動狀況油位監(jiān)測各種反饋信號的監(jiān)測

5.3.4變槳距風電機組的控制機組的控制特性輸出功率特征控制發(fā)電功率方式調(diào)節(jié)槳距角控制發(fā)電機轉(zhuǎn)差率（控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流來）在額定點具有較高的風能利用系數(shù)V<V額，Cp最大。定槳距風力發(fā)電機發(fā)電量高于變槳距風力機V=V額，Cp最大。由于未達到V額，定槳距風力機已經(jīng)失速，所以發(fā)電量略低于變槳距風力機V>V額，Cp緩慢下降。變槳距風力機發(fā)電量高于定槳距風力機。V=V切出，Cp最小運行狀態(tài)變槳距風力機組運行狀態(tài)起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）欠功率狀態(tài)（不控制）額定功率狀態(tài)（功率控制）狀態(tài)風速力矩發(fā)電功率槳距角控制系統(tǒng)啟動狀態(tài)0~V切入增大090°~0°×欠功率狀態(tài)V切入~V額定增大至最大0°×額定功率V額定~V切出減小P額定0°~90°√帶調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率的變槳系統(tǒng)變槳距系統(tǒng)有風速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來進行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制。在發(fā)電機并入電網(wǎng)前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器A直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制器B與功率控制器起作用。功率控制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。風力機葉輪起動變槳過程發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)原理通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，從而改變風輪轉(zhuǎn)速。應用RCC的功率控制系統(tǒng)外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生參考曲線內(nèi)環(huán)是一個功率伺服環(huán)，它通過轉(zhuǎn)子電流控制器（RCC）對電機轉(zhuǎn)差率進行控制，是發(fā)電機功率跟蹤給定值。轉(zhuǎn)子電流控制器原理轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個等效電阻構(gòu)成。轉(zhuǎn)子電流控制器的結(jié)構(gòu)將普通三相異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子引出，外接轉(zhuǎn)子電阻，電阻值從0變化到100%，則發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率絕對值增大值10%。特點：開關(guān)速度快提高了發(fā)電機的效率電路結(jié)構(gòu)簡單采用轉(zhuǎn)子電流控制器的功率調(diào)整（了解）為什么要在短暫風速下使用轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)反映速度快，可以對發(fā)電功率瞬時調(diào)節(jié)降低變槳距動作頻率，延長變槳距機構(gòu)的使用壽命

5.3.5變速恒頻風力發(fā)電機組的控制優(yōu)點低風速時它能夠根據(jù)風速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；高風速時利用風輪轉(zhuǎn)速的變化，儲存或釋放部分能量，提高傳動系統(tǒng)的柔韌性，使輸出更加平穩(wěn)。控制器采用PID型控制系統(tǒng)控制器采用PID型控制系統(tǒng)比例（P）環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。微分（I）環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。積分（D）環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。最佳風能利用系數(shù)風能利用系數(shù)是葉尖速比λ和槳距角的函數(shù)葉尖速比：由于機組本身因素（機械強度和物理性能），如下的特性要受到限制：功率轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)