1風力發(fā)電起源于20世紀70年代，技術成熟于80年代，自90年代以來風力發(fā)22006年6月3第一章風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理1.1風力發(fā)電的基本原理的原理說起來非常簡單，最簡單的風力發(fā)電機可由葉片和發(fā)電機1.1.2風力發(fā)電的特點風向發(fā)電機(1)可再生的潔凈能源發(fā)電機風力發(fā)電是一種可再生的潔凈能(2)建設周期短圖1-1風力發(fā)電原理圖圖1-1風力發(fā)電原理圖(3)裝機規(guī)模靈活(4)可靠性高機組可靠性從80年代的50%提高到了98%,高于火力發(fā)電且機組壽命可達20年。(5)造價低從國外建成的風電場看，單位千瓦造價和單位千瓦時電價都低于火力發(fā)電，和(6)運行維護簡單現(xiàn)代中大型風力發(fā)電機的自動化水平很高，完全可以在無人職守的情況下正常4(7)實際占地面積小(8)發(fā)電方式多樣化機組形成互補系統(tǒng)，還可以獨立運行，因此對于解(9)單機容量小由于風能密度低決定了單臺風力發(fā)電機組容量不可能很大，與現(xiàn)在的火力發(fā)電1.2風資源及風輪機概述(1)風的起源的公轉軸之間存在66.5°的夾角，因此對地球上不同地點太陽照射角度是不同的，(2)風的參數(shù)風速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風速的平均值。一般以草地上空(3)風能的基本情況15風能的大小實際就是氣流流過的動能，因此可以推導出氣流在單位時間內垂直w=0.5pV31.3風力發(fā)電機的結構與組成風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型(10kw以下)、中型(10—100kw)和大型(100kw以上)風力發(fā)電機組。按主軸與地面相對前世界各國風力發(fā)電機最為成功的一種形式的國家很少，主要原因是垂直軸風力發(fā)電機效率低，需啟動設備，同時還有些技術61.3.2水平軸風力發(fā)電機的結構控制系統(tǒng)及附屬部件(機艙機座回轉體制動器等)組成的。葉片是風力發(fā)電機組最關鍵的部件，現(xiàn)代風力發(fā)電機上每個轉子葉片的測量長度大約為20米葉片數(shù)通常為2枚或3枚，大部分轉子葉片用玻璃纖維強化塑料(GRP)制造。葉片可分為變漿距和定漿距兩種葉片，其作用都是為了調速，當風力達到風力發(fā)電機組設計的額定風速時，在風輪上就要采取措施，以保證風力發(fā)電有夾渣、砂眼、裂紋等缺陷，并按槳葉可承受的最大離心力載荷來設計。主軸也稱低速軸，將轉子軸心與齒輪箱連接在一起，由于承受的扭矩較大，其轉速一般小于50r/min,一般由40Cr或其他高強度合金鋼制成。7(3)增速器(4)聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動器(5)制動器(6)發(fā)電機機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。大型風電機(100-150千瓦)通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風電機旁的變壓器(或在塔內),電壓被提高②永磁發(fā)電機，常用在小型風力發(fā)電機上?，F(xiàn)在我國已經(jīng)發(fā)明了交流電壓(8)調速裝置8(9)調向(偏航)裝置(10)風力發(fā)電機微機控制系統(tǒng)1(11)電纜扭纜計數(shù)器XX本科畢業(yè)設計說明書9世界上第一個關于風輪機風輪葉片接受風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)的假設條件是假定風輪是理想的，能全部接受風能并且沒有輪轂，葉片是無限多，對氣流沒有任何阻力。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(或稱為是平行風輪軸線的),滿足以上條件的風輪稱為“理如圖1-3所示，我們分析一個放置在移動的空氣中的“理想風輪”葉片上所受到的力及移動的空氣對風輪葉片所做的功。風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉化為葉片轉動的機械能，則有V?<V?,S?>S?。如果假設空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得由流體力學可知氣流的動能為設單位時間內氣流流過載面積為s的氣體的體積為V,則V=sv。如果以表示空氣密度，該體積的空氣質量m=psv,此時氣體所具有的動能為從風能公式可以看出風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V隨地理位置、海拔、地形等因素而變。風作用在葉片上的力由歐拉定理求得式中空氣當時的密度風輪所接受的功率為所以經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉化式中P=△TXX本科畢業(yè)設計說明書因此，風作用在風輪葉片上的力F和風輪輸出的功率P分別為風速V?是給定的，P的大小取決于V?,P是V?的函數(shù)，對P微分求最大值得令其等于0,求解方程得16/27=0.593,Cp稱作貝茨功率系數(shù)而正是風速為V的風能T,故Cp=0.593,說明風吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率Pmax為風吹過葉片掃掠面積S的風能的59.3%。貝茨理論說明理想的風能對風輪葉片做功的最高效率是59.3%。通常風輪機風輪葉片接受風能的效率達不到59.3%,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。貝茨理論提供了風能的基本理論，但在討論風輪機的能量轉換與控制時有幾個特性系數(shù)具有特別重要的意義。(1)風能利用系數(shù)C風輪機從自然風能中吸到能量的大小和程度可以用風能利用率系數(shù)Cp表示XX本科畢業(yè)設計說明書為了表示風輪在不同的風速中的狀態(tài)用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量稱為葉尖速比低速風輪取較小值；高速風輪取較大值。為了便于把氣流作用下的風輪機產(chǎn)生的轉矩和推力進行比較常以為變量作成轉矩和推力的變化曲線，因此轉矩和推力也要無因次化。圖2●13風輪的典型Cp—λ特性曲線1.4.3異步發(fā)電機基本原理(1)異步發(fā)電機基本原理發(fā)電機是風力發(fā)電機組中最關鍵的零部件，是將風能最終轉變成電能的設備。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。使用異步機作為風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的優(yōu)點是：發(fā)電機結構簡單成本低并網(wǎng)控制容易，缺點是要從電網(wǎng)吸收無功功率以提供自身的勵磁。這一缺點可以通過在發(fā)電機端并聯(lián)電容器來改善。由于風電場的特殊性，它的并網(wǎng)和解列的操作十分頻繁，而且由于投資成本的XX本科畢業(yè)設計說明書限制以及管理、維修等方面的優(yōu)點，現(xiàn)在大多數(shù)的大型風電場都采用異步發(fā)電機作為主力機型。本論文的研究對象中使用也是異步發(fā)電機，下面我們對異步機做以下的簡單介紹。異步電機一般稱感應電機即可作為發(fā)電機也可作為電動機。異步機作為電動機應用非常廣泛異步機作為發(fā)電機的情況則比較少。但由于異步發(fā)電機具有結構簡單價格便宜堅固耐用維修方便啟動容易并網(wǎng)簡單等特點在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。異步發(fā)電機的基本結構和同步發(fā)電機的一樣，也是由定子和轉子兩大部分組成。異步機的定子與同步機基本相同，其轉子可分為繞線式和鼠籠式，繞線式異步機的轉子繞組和定子繞組相同，鼠籠式異步機的轉子繞組是由端部短接的銅條或鑄鋁制成像鼠籠一樣。異步機是利用電磁感應原理通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉磁場并與轉子繞組中的感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉矩以進行能量轉換。通常異步機的轉子轉速總是略低于或略高于旋轉磁場的轉速。旋轉磁場的轉速n?與轉子轉速n之間的差為轉差，轉差n與同步轉速n,的比值稱為轉差率用S表示轉差率是表證異步機運行狀態(tài)的一個基本變量。此時電磁轉矩的方向與轉子轉向和旋轉磁場兩者的方向相反即電磁轉矩為制動轉矩。此時轉子從原動機吸收機械功率通過電磁感應由定子輸出電功率電機處于發(fā)電機狀風輪額定轉速風輪額定轉速是風輪在額定風速時的轉速。風輪額定轉速也是風力發(fā)電機設計的重要參數(shù)之一。它是由葉尖速比及發(fā)電機功率決定的參數(shù)。發(fā)電機額定功率發(fā)電機的額定功率是發(fā)電機在額定功率因數(shù)下連續(xù)運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。它是風力發(fā)電機設計的最基礎數(shù)據(jù)。單位為KW;也有用視在功率表示的單位為KVA。發(fā)電機是交流還是直流微小型風力發(fā)電機常用直流發(fā)電機中、大型風力發(fā)電機常用交流發(fā)電機。這要視cosφ=P/S發(fā)電機在額定功率輸出及額定負載下定子繞組與轉子繞組允許的最高溫度與額式中P——發(fā)電機的極對數(shù)；第二章風力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立我們的目的是希望通過控制系統(tǒng)的設計，采取必要的手段使我們的系統(tǒng)在規(guī)定2.1風力發(fā)電機組的基本控制要求風速超過風力發(fā)電機組額定風速以上時，為確保風力發(fā)電機組輸出功率不再增風速超過風力發(fā)電機組額定風速以上時，為確保風力發(fā)電機組輸出功率不再增偏轉90度對風控制：機組在大風速或超轉速工作時→降低風力發(fā)電機組的功率(3)控制保護要求主電路保護：變壓器低壓側三相四線進線處設置低壓配電低壓斷路器→維護操2.2風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的結構原理能到電能的能量轉換過程，在考慮風力發(fā)電機組控制目標時應結合它們的運行方式，(1)控制系統(tǒng)保持風力發(fā)電機組安全可靠運行同時高質量地將不斷變化的風能(2)控制系統(tǒng)采用計算機控制技術對風力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示(3)利用計算機智能控制實現(xiàn)機組的功率優(yōu)化控制定槳距恒速機組主要進行軟(4)大于開機風速并且轉速達到并網(wǎng)轉速的條件下風力發(fā)電機組能軟切入自動并網(wǎng)保證電流沖擊小于額定電流。當風速在4～7m/s之間切入小發(fā)電機組(小于300kW)并網(wǎng)運行當風速在7～30m/s之間切入大發(fā)電機組(大于500kW)并網(wǎng)運大風情況下當風速達到停機風速時風力發(fā)電機組應葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘樣在小風自動脫網(wǎng)停機后5分內不能軟切并網(wǎng)。當風速小于停機風速時為了避免風力發(fā)電機組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應狀態(tài)下(大風停機、斷電和故障等)均應抱閘。余時間(運行期間、正常和故障停機期間)均處于歸位狀態(tài)。(1)主要技術參數(shù)主發(fā)電機輸出功率(額定)P(KW)發(fā)電機最大輸出功率1.2P(KW)工作風速范圍4正25m/s額定風速V.(m/s)切入風速(1min平均值)4m/s切出風速(1min平均值)25m/s風輪轉速N(r/min)發(fā)電機輸出電壓V口10%并網(wǎng)最大沖擊電流(有效值)01.51(2)控制指標及效果電纜纏繞2.5圈自動解纜手動操作響應時間超電壓保護范圍欠電流保護范圍風輪轉速極限發(fā)電機轉速極限發(fā)電機過功率保護值發(fā)電機過電流保護值大風保護風速系統(tǒng)接地電阻防雷感應電壓來是90°,現(xiàn)在恢復為0°,風輪開始轉動。計算機開始時監(jiān)測各個參數(shù)、輸入，判斷其中相位補償?shù)淖饔迷谟谑构β室驍?shù)保持在0.95至0.99之間。風力發(fā)電機組的變距系統(tǒng)主要包括兩種控制方式，即并網(wǎng)前的速度控制與并網(wǎng)變槳距風輪的葉片在靜止時節(jié)距角為90°,這時氣流對葉片不產(chǎn)生力矩，整個葉片實際上是一塊阻尼板。當風速達到起動風速時，葉片向0度方向轉動，直到氣流風向當轉速達到額定轉速后電機并入電變化不大，主要取決于電機的轉差，電了優(yōu)化功率曲線，在進行功率控制的同時通過轉子電流控制器對電機轉差進行風輪轉差調到很小(1%),轉速在同步速風向停止狀態(tài)差要調整到很大(10%),使葉尖速比停止狀態(tài)(2)變距控制[7]變槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動圖2-1不同節(jié)距角時的槳葉截面2.3風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略功率變換器的絕對極限和常用上限的差風力發(fā)電系統(tǒng)的各種控制策略在國內外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風力發(fā)電機中均有應功率變換器的絕對極限和常用上限的差風力發(fā)電系統(tǒng)的各種控制策略在國內外大中型并網(wǎng)發(fā)電的風力發(fā)電機中均有應2.3.1風輪機的氣動特性181風輪機通過葉片捕獲風能，將風能0XX本科畢業(yè)設計說明書尖速比可表示為R為葉片半徑(m);V為來流的線性風速(m/s)。根據(jù)風機葉片的空氣動力特性，風能轉換效率Cp是尖速比λ和槳矩β的函數(shù)，即β的關系可用圖2-3來表示。由圖中可見，對于同一個Cp值風輪機可能運行在A和B兩個點，它們分別對應于風20圖2-3風輪的典型Cp-TSR特性曲線輪機的高風速運行區(qū)和低風速運行區(qū)，當風速發(fā)生變化時風輪機的運行點將要發(fā)生變化。在恒頻應用中，發(fā)電機轉速的變化只比同步轉速高百分之幾，但風速的變化范圍可以很寬。按(2-1)式，尖速比便可以在很寬范圍內變化(取決于葉片設計),風輪機捕獲風力可以寫成Cp是風輪機的功率系數(shù)。由(2-2)式可知，風機整體設計和相應的運行控制策略應在追求Cp最大的情況下進行相應的調整，便可增加其輸出功率。如圖2-4所示是理想風輪機的功率曲線。從理論上講風輪機組的輸出功率是無限大的，它是風速立方的函數(shù)。但在實際應用中，它卻受到了如下的限制：(1)功率限制：由于構成電路的所有電氣元件都受到了功率限制；(2)轉速限制：由于系統(tǒng)中的齒輪箱、電機都存在轉速的上限。因而風輪機的運行存在三個典型區(qū)：在低風速段，按恒定Cp途徑控制風輪機直XX本科畢業(yè)設計說明書到轉速達到極限；然后按恒定轉速控制風輪機，直到功率最大；功率最大后，風輪機按恒定功率控制。6圖2-4理想風輪機組功率特性曲線2.3.2定槳距風力發(fā)電機的控制策略傳統(tǒng)概念的風力發(fā)電機一般都是上風向、三葉片的風輪機，通過齒輪增速箱來驅動異步發(fā)電機，并與電網(wǎng)相連來發(fā)電的。風輪機的功率調節(jié)完全依靠葉片的氣動特性的風力發(fā)電機組稱為定槳距風力發(fā)電機組。風輪機吸收的功率隨風速不停地變化，發(fā)電機工作于同步轉速附近，而風電機組的設計一般在額定功率時風輪的轉換效率Cp在最佳區(qū)段。當風速超過額定風速時，為了保持發(fā)電機輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應特性來降低Cp值，以維持輸出功率的恒定。對于定槳距系統(tǒng)，發(fā)電機正常工作的滑差小于1%,允許滑差范圍一般在5%以內，而風速的變化范圍卻很大。從變槳距風力發(fā)電機圖2-5:風輪機組功率行性曲線在低風速段。通常系統(tǒng)設計有兩個不同功率、不同極機則工作于低風速區(qū)，由此來調整尖速比λ,實現(xiàn)追求Cp最大下的整體運行控制。定槳矩風機的功角一般設定在0°,在不同風頻密度的2.3.3變槳距風力發(fā)電機的控制策略為了盡可能提高風輪機風能轉換效率和保證風輪機輸出功率平穩(wěn)，風輪機將進槳距風力發(fā)電機組的功率調節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，主要依靠與葉片相匹配系統(tǒng)，通常采用典型的PID轉速、功圖2-6風機調整目標功率曲線距風輪機的起動風速較定槳距風輪機低，但率fe=fn+fr?？刂苀k的值以使fe等于電網(wǎng)頻率。這一點與鼠籠式轉子電流頻率IGBT管，一般通過查表獲得調節(jié)信號：風速5~7m/s,風機工作于同步轉速以下(1100~1500RHM);風速7~9m/s風機工作于同步轉速附近(15作方式一致；風速9~15m/s,風機工作于同步轉速以上(1500~1625RFM);風速2.4.1變槳距風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)電機組的起動狀態(tài)(轉速控制)、欠功率控制(不控制)和額定功率狀態(tài)(功率控制)。(1)起動狀態(tài)器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(2)欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功即根據(jù)風速的大小，調整發(fā)電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)(3)額定功率狀態(tài)距控制方式中，將轉速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號發(fā)電機功率發(fā)電機功率功率控制器節(jié)距轉速給定速度變距圖2-7傳統(tǒng)的秋槳距風力發(fā)電機組的控制框圖系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉速來進行平衡，即通過轉子電流控制器對發(fā)電機轉差率進行控制，當風速高于額定風速時，允許發(fā)電機轉速升高，將瞬變的風能以風輪動能的形制器的任務主要是根據(jù)發(fā)電機轉速給出相應的功率曲線，調整發(fā)電機轉差率，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)風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖2-8所示，B電網(wǎng)發(fā)電機轉速電流給定控制器制器A節(jié)距控制器發(fā)電機B風速圖2-8新型變槳距控制系統(tǒng)分布圖當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。(2)變距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉換后變成電壓信號控制比例閥(或電液伺服閥),驅動液壓活塞桿位移活塞桿位移察繞位移轉換為節(jié)距信號節(jié)距給定節(jié)距圖2-9變槳距控制系統(tǒng)(3)速度控制器A速度速地增大時能夠快速起動。(4)速度控制器B額定的速度給定值是1569r/min,相應的發(fā)電機轉差率是4%。如果風速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉差率將降低到2%,節(jié)距控制將根據(jù)風速調整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風速高于額定值，發(fā)電機轉速通過改變節(jié)距來跟蹤相應的速度給定值。功率XX本科畢業(yè)設計說明書2.4.3功率控制葉尖速比優(yōu)化節(jié)距給定節(jié)距及速度感應傳感器速度非線性化速度出速度給定濾波器風速濾波器計時器控制器轉速圖2-11速度控制器B(1)功率控制系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)如圖2-12所示，它由兩個控制環(huán)節(jié)組成。外環(huán)通過測量轉速產(chǎn)生速度出速度入電功率測量轉速計時器圖2-12功率控制系統(tǒng)(2)轉子電流控制器原理18]轉子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個等效變阻器構成。它根據(jù)給定的電流值，通過改變轉子電路和電阻來改變發(fā)電機的轉差率。在額定功率時，發(fā)電機的轉差率能夠從1%到10%(1515到1650r/min)變化，相應的轉子平均電阻從0到100%變化。當功率變化即轉子電流變化時，PI調節(jié)器迅速調整轉子電阻，使轉子電定，從而使功率輸出保持不變。電流給定異步發(fā)電機功率轉矩轉速WW三相整流橋IGBT限電壓保護過電壓保護驅動板電源控制單元信號過電壓保護板AYY圖2-13轉子電流控制器原理圖從電磁轉矩的關系式來說明轉子電阻與發(fā)電機轉差率的關系。發(fā)電機的電磁轉矩為式中P—電機極對數(shù)；U?—定子額定相電壓；R?—折算到定子側的轉子每相電阻；式中只要R?/S不變，電磁轉矩T就可以不變，發(fā)電機的功率可保持不變。當風速變大時，風輪及發(fā)電機上的轉速上升，即發(fā)電機的轉差率S增大，只要改變發(fā)電機的轉子電阻即可保持輸出功率不變。RCC控制單元有效地減少了變槳距機構的動作頻率及動作幅度，使得發(fā)電機的輸出功率保持平衡，實現(xiàn)了變槳距風力發(fā)電機組在額定風速以上的額定功率輸出，有效地減少了風力發(fā)電機因風速的變化而造成的對電網(wǎng)的不良影響。2.5變槳距風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型的建立在控制選擇器的模型中，當輸入的時間值低于1秒時，輸出為低水平輸出值0;當輸入的時間值超過1秒時，輸出為高水平輸出值1。0圖2-14系統(tǒng)控制選擇器模型根據(jù)系統(tǒng)控制選擇器來實現(xiàn)在w和1之間的選擇，利用乘法器乘以轉速的基準(1)選擇器參數(shù)：選擇器功能是當運行時間在0到所設域值時，由B通道輸入，(2)選擇器A、B端輸入?yún)?shù)：A端輸入變量發(fā)電機轉子轉速w;B端輸入常數(shù)(3)乘法模塊輸入?yún)?shù)：乘法模塊功能是把兩個輸入相乘后在輸出。在軟件環(huán)境中輸入同步轉速314rad/s。(4)時鐘脈沖ONT控制參數(shù)：時鐘脈沖控制是由一個時間信號模型與一個單信號輸入比較儀組成，其功能是當輸入時間信號低于所設域值時，輸出Lowoutputlevel通道所設值，當輸入時間信號高于所設域wW圖2-15風輪機轉速控制模型2.5.3發(fā)電機轉速控制的模型(在發(fā)電機并網(wǎng)前)WF發(fā)電機WF發(fā)電機ModelExciterMass9發(fā)電機圖2-16發(fā)電機轉速控制的模型及參數(shù)(1)槳距角控制輸入量模型根據(jù)控制選擇器來選擇異步發(fā)電機的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功(2)槳距角控制功率的參照量(Pref)模型以發(fā)電機的額定功率作為控制系統(tǒng)功率輸入的參照量，由實際值與其進行比較，根據(jù)所得值的大小可以判斷功率輸出是否穩(wěn)定，從而可以通過改變槳距角進行功率AWirB圖2-17槳距角控制輸入模型圖2-18槳距角控制功率的參照量(Pref)模型(3)槳距角控制比例積分環(huán)節(jié)模型古古B圖2-19比例積分控制器模型的參數(shù)圖2-20傳遞函數(shù)的參數(shù)00圖2-21節(jié)距限制的參數(shù)(4)濾波器模型及參數(shù)濾波器對比例積分器輸出的波形進行修整，以便出現(xiàn)諧波分量對系統(tǒng)造成不良影圖2-22濾波器模型及參數(shù)(5)槳距角調整限制環(huán)節(jié)模型FF十角度限制Beta圖2-23槳距角調整限制環(huán)節(jié)模型由槳距角輸出反饋值和經(jīng)濾波器濾波后的輸入值進行比較后，輸入微分限制和Orderoftransferfunction.NoXX本科畢業(yè)設計說明書的參數(shù)圖2-25微分器環(huán)節(jié)傳遞函的參數(shù)圖2-26槳距角的角度限制參數(shù)以上是對完整的風力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立過程，通過以上模型可以對風力發(fā)電機組進行相應的轉速控制和功率控制，使風力發(fā)電系統(tǒng)運行在安全穩(wěn)定的狀態(tài)。第三章樣例系統(tǒng)模型的建立3.1風速模型的建立3.1.1風能的數(shù)學模型風能作用于風輪機的槳葉上，是風力發(fā)電機的原動力，為了能較準確的描述自然界的風能變化的特點，在工程上一般采用簡化的四分量模型來模擬風速隨時間變化的特征。(1)基本風Vw基本風可以由風電場測量所得的威布爾分布參數(shù)近似確定式中AπK表示威布爾分布尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；在實際與仿真時我們近似認為Vwβ是一個不隨時間變化的分量，也就是取Vβ為一個常數(shù)。VwG用于表述風速的突然變化，在三個時間段內有不同的風速，陣性風變化過程如圖3-2所示。XX本科畢業(yè)設計說明書(3)漸變風VwRXX本科畢業(yè)設計說明書t≥T?k+T圖3-3漸變風隨時間變化曲線圖(4)隨機噪聲風vwNVwN用以描述在指定的高度的風速變化的隨機風的特性，由許多諧波分量構成其表達式為式中△w——隨機分布的離散間距；——第I個分量的初相角為0~2P;之間分布的隨機量；s(第I個分量的振幅。式中K——地表摩擦系數(shù)；F——攏動范圍m2;相對高度的平均風速(m/s)。(5)綜合風速表達式v綜合風速表達式即是對前面的四個分量風速表達式的求和，其表達式如下T圖3-4綜合風速模型(1)外部風速輸入控制模型參數(shù)外部風速輸入控制模型(如圖3-5所示)是調節(jié)外加風速的模型，它可以隨意陣行風Vwc用于描述風速的突然變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值Vax=2m/s,起始時間3s,持續(xù)周期為1s,陣性風數(shù)量為1個。如圖3-7所示。漸變風w用于描述風速的逐漸變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值Vmx=2m/s,起始時間為4s,持續(xù)周期為1s,陣性風數(shù)量為1.5個，如圖3-8所示。圖3-7陣行風輸入?yún)?shù)34圖3-8漸變風輸入?yún)?shù)實際數(shù)據(jù)可以給出其噪聲分量數(shù)為50個，如圖3-9所示。Noisexndoa5WP圖3-10風輪機模型圖3-11風輪機輸入?yún)?shù)0XX本科畢業(yè)設計說明書圖3-13齒輪箱速比控制模型輸入?yún)?shù)3.3異步發(fā)電機模型的建立異步電機一般稱為感應電機，既可作為發(fā)電機使用也可作為電動機使用。由于異步發(fā)電機具有結構簡單、價格便宜、堅固耐用、維修方便、啟動容易、并網(wǎng)簡單等特點，在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。3.3.1發(fā)電機控制選擇器參數(shù)(1)轉子轉速控制參數(shù)輸入同步轉速(標么值)的99%,即為0.99。0CSWAT圖3-14異步發(fā)電機模型選擇開關StoT控制是用于發(fā)電機轉速控制和轉矩控制選擇的控制器，選擇開關模型是當選擇1時，異步發(fā)電機由轉子轉速控制，當選擇0時，異步發(fā)電機由輸入機械轉矩控制。它是由一個時間信號模型與一個單信號比較儀來控制。圖3-15選擇開關StoT控制模型當輸入值低于0.5秒時，輸出為低水平輸出值1;當輸入值超過0.5秒時，輸出為高水平輸出值0.輸入為自然數(shù)，則輸出整數(shù)NumberofCoherentMachMLSFSRMnsaturatedMagnetizingReactanceotorUnsaturatedMutualReactecondCageUnsaturatedReac3.23[p.u.]圖3-17異步發(fā)電機參數(shù)A岸1BCCC岸1CB圖3-18無窮大系統(tǒng)模型ABC圖3-20普通三相斷路器模型及參數(shù)(2)有同步監(jiān)視的斷路器ABC圖3-22斷路器分合控制選擇器模型當輸入時間值低于1秒時，輸出為低水平輸出值1;當輸入時間值超過1秒時，BBBBBABB 圖3-23斷路器分合控制選擇器模型輸入?yún)?shù)AnimationStates圖3-24圖3-25(1)#1主變壓器模型及參數(shù)圖3-26#1主變壓器模型及參數(shù)(2)#2主變壓器模型及參數(shù)AA日WndingVoltaoesACC##1.0[sec]1.25[pu]1[%]33圖3-27#2主變壓器模型及參數(shù)無窮大系統(tǒng)模型及參數(shù)RAA圖3-28電網(wǎng)(三相電壓源)模型及參數(shù)第四章風力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結果分析在低于額定風速的條件下，風力發(fā)電機組的基本控制目標是跟蹤Cpmax曲線，以獲4.1.1風速模擬仿真分析(1)風速模型輸出及參數(shù)設置Displaytitleonicon?在前面我們已經(jīng)討論過，風是近似的服從威布速的曲線波動很大，在3s和4s時分別又受到陣行風與漸變風的影響，波形也出現(xiàn)了相應的波動，其綜合風速的最大值可達到15.96m/s。所示說，用以上的四個風的分量在一定的程度上是可以大體的描述風的波形，但在一些細節(jié)上還需要進一步修正，所以它的使用范圍是有限的，只是可以用在一些要求的精確程度不高的模型的XX本科畢業(yè)設計說明書圖4-2綜合風速模型模擬仿真結果4.1.2風輪機模擬仿真分析圖4-3風輪機機械轉矩輸出及參數(shù)設置己圖4-4風輪機機械轉矩模擬仿真結果(1)機械轉矩輸出及仿真結果如圖4-3和圖4-4所示。(2)機械功率輸出及仿真結果如圖4-5和圖4-6所示。(3)仿真結果分析如圖4-3和圖4-4曲線所示，風輪機的輸出轉矩和輸出功率都是標么值，則它們的曲線是完全一致的，在0-3s時變槳距控制系統(tǒng)在調節(jié)槳葉節(jié)距使轉矩和功率輸出逐漸達到穩(wěn)定，由于又突然受到在3s與4s分別受到陣行風與漸變風的影響，從而使波形在這兩個時間有的突變，之后繼續(xù)達到穩(wěn)定。Displaytitleonicon?6(2)發(fā)電機有功功率輸出及仿真結果分析異步發(fā)電機有功功率輸出及參數(shù)設置如圖4-8,由于異步發(fā)電機只能輸出有功功率，根據(jù)電力系統(tǒng)對異步機作為電動機狀態(tài)的有關規(guī)定，它的基本參量的正方向異步發(fā)電機有功功率仿真結果分析線有很小的下降，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。NNNNNNNNNameforRealPower(+=in)(p.u.)ameforOutputMechanicalTorque(p.U)PQwPPNo2圖4-8異步發(fā)電機有功功率輸出及參數(shù)設置P圖4-9異步發(fā)電機有功功率模擬仿真結果(3)發(fā)電機無功功率輸出及仿真結果分析異步發(fā)電機無功功率輸出及參數(shù)設置如圖4-9,由于作為異步發(fā)電機勵磁的無功功率只能從電網(wǎng)吸收，根據(jù)電力系統(tǒng)對異步機作為電動機狀態(tài)的有關規(guī)定，它的基本參量的正方向是按電動機狀態(tài)定義的，則無功功率輸出為正值。0圖4-10異步發(fā)電機無功功率輸出及參數(shù)設置Q圖4-11異步發(fā)電機無功功率模擬仿真結果異步發(fā)電機無功功率仿真結果分析在1s時異步發(fā)電機并網(wǎng)，由于采用的是直接并網(wǎng)，在并網(wǎng)時出現(xiàn)了很大的沖擊電流，導致無功功率在1s時發(fā)生突變，然后無功功率下降并逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。無功功率穩(wěn)定值為0.315MVar。在3s和4s分別受到陣行風和漸變風的影響，無功功率的曲線有很小的上升，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。在0~1s時無功功率為零，主要原因是雖然發(fā)電機端加了電容給發(fā)電機補償無功，但此時發(fā)電機端沒有電壓，則電容兩端也沒有電壓，因此這段時間發(fā)電機并未得到無功補償，即此時無功功率曲線為零。(4)發(fā)電機轉速輸出及仿真結果分析圖4-12異步發(fā)電機轉速模擬仿真結果異步發(fā)電機在0.5s前對轉速進行控制，則這段時間轉速穩(wěn)定在0.99,此時異步電機運行在電動機狀態(tài)；在0.5s以后對異步發(fā)電機的轉距速開始上升，并超過發(fā)電機轉速標玄值1,異步電機此時運行在發(fā)電機狀態(tài)，之后(5)發(fā)電機機械轉矩輸出及仿真結果分析DefaultMin/MaxLi圖4-13異步發(fā)電機機械轉矩輸出及參數(shù)設置等于機械功率Pm除以轉軸的角速度Ω,即T=P/2fe 圖4-17異步發(fā)電機發(fā)電機三相電壓輸出及參數(shù)設置>K由NK如圖4-18所示，在發(fā)電機并入電網(wǎng)前低壓側電壓為0,在1S時發(fā)電機并入電網(wǎng)，XX本科畢業(yè)設計說明書≤≤KVVK圖4-20低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結果低壓母線和高壓母線的線電壓仿真結果分析在正常運行時，低壓母線和高壓母線電壓均從0迅速上升并均達到各自的額定值，然后一直保持穩(wěn)定。低壓母線電壓穩(wěn)定在0.69KV左右，高壓母線電壓穩(wěn)定在121KV左右。(3)低壓母線相電流輸出及仿真結果分析并網(wǎng)前電流為0,在1s時斷路器合閘并網(wǎng)，出現(xiàn)很大的沖擊電流，其沖擊電流值達到11KA,最后開始衰減至0.07KA,然后又開始上升，最后趨于穩(wěn)定，其電流最大穩(wěn)定值為0.64KA。b圖4-21低壓電流輸出及參數(shù)設置aabb圖4-22低壓母線相電流輸出及仿真結果圖4-23變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真結果風輪機啟動時風力發(fā)電機組開始自動運行于風輪葉尖本來值90°,即槳矩角初始值為90度，在機組起動的過程中逐漸變小，這樣葉片4.2低于額定風速時控制的模擬仿真結果分析發(fā)電機轉速控制器是一個六階的動態(tài)模型，W用時間控制選擇器來選擇發(fā)電機使用轉速控>發(fā)電機在準備起動時轉速為0,發(fā)電機并網(wǎng)前由于風輪機的機械轉矩在不斷升漸變風影響了發(fā)電機的轉速，使發(fā)電機的轉速出現(xiàn)了風輪機轉速控制是根據(jù)發(fā)電機的轉速反饋值和器乘以轉速的基準值314rad/s得到風輪機轉速的值，輸入到風輪機并對風輪機的轉出機械轉矩，但是由于風模型的輸入的風速有波動，所以風輪機的輸出后，在3s時受到的陣性風和4s時受到漸變風的影響而出現(xiàn)了明顯的突變，可見風風輪機的機械功率是低風速時風輪產(chǎn)生的氣動功率，與風速和瞬時C值有關，功率極限取作恒定的話，功率輸出如圖4-26所示輸出曲線完全一致，這樣電功率輸出的變化可從起點跟蹤，在起動區(qū)電功率是負值風力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)在發(fā)電機準備起動XX本科畢業(yè)設計說明書小到45度，處于待起動狀態(tài)；然后在起動風速持續(xù)10秒時，槳距角再從45度逐漸變小。在槳距變小的過程中，葉片吸收風功率在逐漸的增加，同樣葉片的轉速也逐漸圖4-27并網(wǎng)后風輪機轉矩受風影響的模擬仿真結果加快，則風輪機的輸出功率在不斷增大，帶動異步發(fā)電機轉動，從而發(fā)出電來。根據(jù)圖4-5所示我們可知風輪機在并網(wǎng)前，槳距角已經(jīng)變到8度左右，風輪機吸收的功槳葉節(jié)距角>圖4-28變槳距控制模擬仿真結果率已接近額定功率。在發(fā)電機并入電網(wǎng)后，在1.4s時槳矩角變?yōu)榱闱冶３植蛔儯@電壓和低壓側電流均為0,這時變槳距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉速信號控制4.3高于額定風速時控制的模擬仿真結果分析4.3.1發(fā)電機轉速控制模擬仿真結果分析發(fā)電機如果在起動前給定了一個起動轉速的于額定風速時，發(fā)電機由轉速的控制轉換為轉矩的發(fā)電機并網(wǎng)前由于風輪機的機械轉矩在不斷w圖4-30高于額定風速時異步發(fā)電機轉速W>圖4-31發(fā)電機并網(wǎng)后高于額定風速時轉速控制模擬仿真結果4.3.2風輪機轉速控制模擬仿真結果分析高于額定風速時，風輪機的轉速是根據(jù)發(fā)電機的轉速反饋值乘以轉速的基準值314rad/s得到的，然后輸入到風輪機并對其轉速進行相應控制的。由于風模型的輸入具有一定的波動性，使得受到一定的影響。在3s時受到的陣性風和4s時受到漸變風的影響，風輪機輸出的機械轉矩和電磁轉矩出現(xiàn)了明顯的突變，可見風的變化對風輪機轉矩的輸出是有直接影響的。風輪機的機械功率是低風速時風輪產(chǎn)生的氣動功率，與風速和瞬時C值有關，功率極限取作恒定的話，電磁功率輸出如圖4-33所示。電磁功率的輸出曲線大于機械功率的輸出曲線，這樣電功率輸出的變化可從起點跟蹤，在起動區(qū)電功率是負值，說明是作電動機起動的區(qū)域。圖4-32高于額定風速時風輪機轉矩模擬仿真結果4.3.3變槳距控制模擬仿真結果分析度變化時在保持風力發(fā)電機恒定的功率輸出，通過調們能夠通過使用PI比例積分和DAC干攏調節(jié)控制來改變槳葉節(jié)距角的方法來控制槳葉節(jié)距角>態(tài)時，發(fā)電機電壓和低壓側電流均呈正弦規(guī)律變由發(fā)電機的有功功率信號來控制，根據(jù)功率反饋值的跟蹤來使xX本科畢業(yè)設計說明書的轉速是一個負的偏差，風葉最初的節(jié)距是3度左右。當風輪機的轉速達到給定值時，葉片的節(jié)距就會增加以抵御風速增加的作用，則風速的增加會使葉尖速比降低，使風輪機的轉速提升，這時控制器增大了節(jié)距角，則減小了槳葉的攻角，使得氣流沒有在槳葉表面產(chǎn)生分離?？刂破鲿诳耧L時將節(jié)距角增加，這樣將迅速減少轉矩系數(shù)，造成空氣動力轉矩的下降，從而使風輪減速。如果風速繼續(xù)增大，則風輪的節(jié)距角會繼續(xù)增大，直到風力發(fā)電機不能承受的風速出現(xiàn)時，槳距角變?yōu)?0度后自動停機。a圖4-35高于額定風速時風力發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流模擬仿真結果[4]王承煦張源.風力發(fā)電.中國電力出版社.2002[7]S.M.B.Wilmshurst.ControlstrategiesforWindturbines.Wi[8]E.A.Bossnyi.Adaptivepitchcontrolfora250kWWind[9]R.Chedid,F.Mradand[10]李東東，風力發(fā)電機組并網(wǎng)與仿真分析.水電能源科學.2006年.第24卷第1心的一PSCAD(電力系統(tǒng)CAD)是一個以圖形為基礎的電力系統(tǒng)模擬工具族，而A.1.2RTDS軟件簡介的電壓和電流信號的放大可以模擬系統(tǒng)故障并觀察繼電器的響應，繼電器的觸頭可由于PSCAD嚴格遵守工業(yè)標準，如UNIX、以態(tài)網(wǎng)、形式，確保這一軟件能在不同的微機工作站上運用了專門的技巧，允許高性能的網(wǎng)絡服務器或輕載的工作站被安排用作大量的數(shù)據(jù)建議使用的系統(tǒng)至少應具備16MB的內部RAM。安裝的PSCAD軟件需占用不到(1)安裝和管理手冊(2)文件管理系統(tǒng)手冊(6)單曲線繪圖手冊(7)多曲線繪圖手冊(8)用戶圖形界面手冊當用戶涉及PSCAD時所遇到的第一個軟件模塊就是文件管理系統(tǒng)。采用一種工程算題/文件的分層結構來表示用戶進行電力系統(tǒng)模擬研究的數(shù)據(jù)庫結構。如果得到授權可以進入該數(shù)據(jù)庫，這樣，局部網(wǎng)上的不同用戶可以共享同一個數(shù)據(jù)庫。從文件管理軟件模塊可以直接進行諸如備份、儲存、文件編緝、拷貝和刪除等操作。通過選擇文件管理模塊屏幕右上角的菜單可調用PSCAD的其它軟件模塊，很多情況下將所有的軟件模塊同時激活，有些模塊的圖像可能暫時隱藏在正在處理的模塊圖像之下。建模程序包是PSCAD程序族中最有起作用的模塊。借助于建模模塊包，用戶可以用圖形的方法建立需要進行模擬研究的電力系統(tǒng)模型。通過選擇不同的功能，建模包可以為EMTDC或RTDS模擬研究準備必需的文件。側),通過將各個元部件的模型進行互連便完成了電力系統(tǒng)模型的建立過程。不同元量互聯(lián)元部件的電力系統(tǒng)模型同樣很容易得到當用戶完成了模型構筑時，可以通過基于PS格式的激光打印機或者可以接受HP-的確定架空輸電線和電纜的行波模型所需數(shù)據(jù)的計算過程是相當復雜的。為了確定變換矩陣、模式傳輸時間和波阻抗，需要進行特征值分析。為了完成這種分析，需要使用T-LINE和CABLE模塊。通過功能選擇可以產(chǎn)生單頻率模式模型或者完全的頻率相關行波模型。架空線模型所需要的數(shù)據(jù)有導線的空間相對位置以及導線的半徑和電阻率。對于電纜，每一導電層和絕緣層的半徑和特性都是必需的。由T-LINE和CABLE模塊所產(chǎn)的運行模塊中的EMTDC操作員控制臺軟件模塊和RTDS控制臺軟件模塊可分別為運行EMTDC和RTDS提供控制操作功能和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)功能。軟件中提供了完善的使用界面，允許使用者安裝、啟動或停止一個模擬算題，并可在模擬過程中與之進行通訊。由于采用多種儀表和模擬過程數(shù)據(jù)在線繪圖，允許使用者獲得相關模擬算題的即時反饋。使用者所激發(fā)的動態(tài)過程，如整定值改動、開關操作以及故障觸發(fā)可以通過操縱滑觸頭、電位器、開關和按鈕進行。EMTDC和RTDS所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的分析和繪圖是通過單曲線繪圖模塊進行的?？梢詫?shù)據(jù)進行標尺整定和通用格式整定。對于繪圖用的數(shù)據(jù)可直接進行傅里葉分析。如果要處理大量的數(shù)據(jù)，可以通過編程的辦法形成自動處理順序。線組合安排在單張紙上。使用者可以直接處理曲線并在紙面上添加需要的文字說明并可繪制其它美化標志。用。用戶可以通過調用隨EMTDC主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結構。EMTDC的最大的特點之一是可以較為簡單地模擬復雜電力系統(tǒng)，包括直流輸電系統(tǒng)和其相關的控制系統(tǒng)。(1)利用文件管理系統(tǒng)生成一個工程和算題名(2)利用建模模塊建立電力系統(tǒng)模型(3)利用運行模塊進行EMTDC模擬計算(4)通過單曲線繪圖對模擬結果進行分析并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報告的模擬結果圖形sXX本科畢業(yè)設計說明書B.2風力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型圖1BwWconnkokkrkkBkAABcccTWWw應w8wt匹世世也kk你們好!敬禮學生：田敏2006年6月10日第二章世界風力發(fā)電現(xiàn)狀2.1全球風力發(fā)電綜述盡管全球風力發(fā)電發(fā)展歷史不長，但在過去20多年的時間內，已在開發(fā)成功55千瓦風機；到了1985年則開發(fā)出110千瓦風機；進入90年代，出現(xiàn)了250千瓦風機；90年代中期又有600千瓦風機，現(xiàn)在兆瓦級達到2500千瓦。丹麥是全球風電設備制造最主要國家之一，其風機制造商銷售的風機單機平均容量2000年為861千瓦，2001年已經(jīng)達到遞增，從1995年的480萬千瓦增加到2002年的3100萬千瓦，增長了5.5倍(見表2-1),是世界上增長最快的能源。年度表2-1全球風機裝機容量銷售容量(MW)總裝機容量(MW)資料來源：歐洲風能協(xié)會、美國風能協(xié)會等相關資料措施，因而風電裝機容量增長迅速。2002年，新增風電裝機的93%來自于歐洲和美國。鑒于風電裝機容量迅速增長的趨勢，歐洲風能協(xié)會于2002年將歐洲風能計劃2010年的發(fā)展目標從4000萬千瓦修正到了6000在丹麥，盡管2001年是弱風年，但全國風力發(fā)電仍達到43億千瓦時，相當于其全國電力消耗總量的13%左右。2002年，丹麥風電約占全國電力消費總量的18%-19%。從2002年開始，丹麥還將新建5個裝機容量為15-16萬千瓦的風電場。丹麥風機制造業(yè)2001年又一次改寫了歷史記錄，所有風機制造企業(yè)共銷售了345萬千瓦的風機，比上年增長了美國和德國是丹麥風機制造業(yè)最大的兩個市場，超過60%的丹麥風電機在美國，過去5年內，風電年均增長24.5%02002年新增風電裝機41萬千瓦，累計裝機達到470萬千瓦。2003年預計將新增裝機110-140萬千瓦，到年底累計裝機將達到600萬千瓦左右。美國政府更長遠目標是將風電從目前占全國電力供應量1%的份額提高到2020年不低于6%的作為世界上風電裝機最多和發(fā)展最快的國家，德國2002年新增裝機320萬千瓦，累計超過1200萬千瓦，已提前達到其2010年風電發(fā)展2.2.1德國風力發(fā)電發(fā)展狀況00NumberofinstalledunitsinGermany*2,000Accumul00圖2,-2,德國風力發(fā)電已安裝機組數(shù)量l4在北海水深20米處建設一座總功率為100萬千瓦的大型風電場，計劃2.2.2德國風力發(fā)電發(fā)展趨勢其次，風機向大型化兆瓦級發(fā)展。1989年，德國風機的單臺平均標稱功率僅為145千瓦，而2002年已經(jīng)達到1400千瓦，增大了約10倍115。早期風機的葉片直徑只有15米，現(xiàn)在葉片直徑已經(jīng)達到100米，甚至更大。2002年，德國所安裝的風機中由70%為兆瓦級風機，其中2兆瓦或以上的風機280臺，占同期安裝風機總標稱功率的18%161?？梢灶A料，在未來幾年內，2-3兆瓦的風機將是主打產(chǎn)品。海轉移。2002年，65%的風電產(chǎn)自內陸平原區(qū)，只有8%是產(chǎn)自沿海地區(qū)。還有，風電的投資主體由早期的以農(nóng)場主為主的個體私人向專門以經(jīng)營風電為目的的企業(yè)協(xié)會和經(jīng)營者聯(lián)合會轉移。這是由購買市場上銷售的大型風機需要大額資金和德國政府正在推行的大規(guī)模風電生產(chǎn)計劃的現(xiàn)實決定的。最后，德國政府對風力發(fā)電實施鼓勵政策，正是政府的資助對風力發(fā)電市場的發(fā)展和風力發(fā)電技術進步起到了決定性作用，使風電能夠蓬勃發(fā)展。具體資助政策(171包括：一是風電上網(wǎng)，法律規(guī)定電網(wǎng)公司必須允許風電上網(wǎng)，并統(tǒng)一收購風電。二是資金補貼，政府為每臺風力發(fā)電機組提供一定的資金補貼。它刺激了風電發(fā)展和風機制造企業(yè)改進技術，只有機組賣給用戶并且并網(wǎng)發(fā)電后，制造商才能得到政府的資助。此外，某些州還提供額外補貼，數(shù)額在風機價格的20%至45%。三是提高上網(wǎng)電價，電網(wǎng)公司支付的風電上網(wǎng)電價不低于最終售電價格的90%。四是發(fā)電補貼，從1991年開始，對風電提供一定的補貼。五是融資，德國銀行(DAB)為風電提供融資。2.3風力發(fā)電技術大型風力發(fā)電機的設計向優(yōu)良的發(fā)電質量、減少材料利用率、減少噪音降低成本、提高效率的方向發(fā)展。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，風力發(fā)電機組的技術形式逐步形成了目前最為常見的水平軸、三葉片、上風向和管式塔的統(tǒng)一形式。進入21世紀，隨著現(xiàn)代電力電子技術的不斷發(fā)展，新材料的涌現(xiàn)和不斷完善，世界風力發(fā)電技術又向前邁進了一大步。一般來說，在12-16m/s的風速區(qū)，大型風力發(fā)電機的功率輸出可達到額定值。超過此風速區(qū)，必須降低葉輪的能量捕獲，使功率輸出保持在額定容量附近，同時減少葉片承受負荷和整個風機受到的沖擊，保證風機不受損害。當前普遍采用的限制功率輸出方式有以下幾種1181。失速調節(jié)方式依賴于葉片獨特的翼型結構，一般用于恒速運行的風力發(fā)電機中。在大風時，流過葉片背風面的氣流產(chǎn)生紊流，降低葉片氣動效率，影響能量捕獲，產(chǎn)生失速。IMGlassber葉片制造公司首先在失速型葉片上獲得突破，成為目前最大的一家風力發(fā)電機葉片生產(chǎn)廠家。由于失速是一個非常復雜的氣動過程，對于不穩(wěn)定的風況，很難精確地計算出失速效果，所以很少用在MW級以上的大型風力發(fā)電機的控制上，但有些制造商憑借在小型和中型風力發(fā)電機上的一些設計經(jīng)驗，可以很可靠地計算出失速效果。所以直到今天，一些M級風力發(fā)電機制造商仍然沿用失速調節(jié)方式。變距調節(jié)方式是通過改變葉片迎風面與縱向旋轉軸的夾角，從而影響葉片的升力和阻力，限制大風時風機輸出功率的增加，保持輸出功率恒定。變距調節(jié)的風力發(fā)電機在陣風時，塔筒、葉片、基礎受到的沖擊較之失速調節(jié)型風力發(fā)電機要小得多，可減少材料使用率，降低整機重量。由于變距調節(jié)型風機在低風速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調節(jié)型風機有更好的能量輸出，因此比較適合于平均風速較低的地區(qū)安裝。變距調節(jié)的另外一個優(yōu)點是，當風速達到一定值時，失速型風機必須停機，而變距型風機可以逐步變化到一個槳葉無負載的全翼展模式位置，避免停機，增加風機發(fā)電量。變距調節(jié)的缺點是對陣風反應要求靈敏。失速調節(jié)型風機由于風的振動引起的功率脈動比較小，而變距調節(jié)型風機則比較大，尤其對于采用變距方式的恒速風力發(fā)電機，這種情況更明顯，這樣就要求風機的變距系統(tǒng)對陣風的響應速度要足夠快，才可以減輕此現(xiàn)象。這種調節(jié)方式是前兩種功率調節(jié)方式的組合。在低風速時，采用變距調節(jié)，可達到更高的氣動效率；當風機達到額定功率后，風機按照變距調節(jié)時風機調節(jié)槳距相反的方向改變槳距，這種調節(jié)將引起葉片攻角的變化，從而導致更深層次的失速，可使功率輸出更加平滑。2.3.2變速運行變速運行即風機葉輪跟隨風速的變化改變其旋轉速度，保持基本恒定的最佳葉尖速比，風能利用系數(shù)CP最大。相對于恒速運行而言，變速運行有如下優(yōu)點。(1)系統(tǒng)效率高。變速運行風機以最佳葉尖速比、最大功率點運行，提高了風力機的運行效率，與恒速恒頻風電系統(tǒng)相比，年發(fā)電量一般可提高20%以上。恒速運行風機的年運行小時數(shù)小于變速運行風機的年運行小時數(shù)，輸出功率上限也低于變速運行方式。(2)能吸收陣風能量，把能量存儲在機械慣性中，減少陣風沖擊對風機帶來的疲勞損壞，減少機械應力和轉矩脈動，延長風機壽命。當風速(3)可使變槳距調節(jié)簡單化。變速運行放寬對槳距控制響應速度的要求在低風速時，槳距角固定，高風速時，調節(jié)槳距角限制最大輸出功率。2.3.3發(fā)電機風電系統(tǒng)中的發(fā)電機向高可靠性，低維護量，減少組件，降低成本，效率高，集成度高的方向發(fā)展，主要有以下3種形式。(1)異步發(fā)電機以恒速運行，采取失速調節(jié)或主動失速調節(jié)的風力發(fā)電機，主要采用異步感應電機，發(fā)電機直接聯(lián)入電網(wǎng)，容量大時，也可通過晶閘管控制的軟投入法接入電網(wǎng)。在同步速附近合閘并網(wǎng)，沖擊電流較大，另外需要電容無功補償。變速運行時，變頻器在定子側，容量與發(fā)電機容量相當，大約為發(fā)電機容量的125%這種機型比較普遍，各大風力發(fā)電機制造商如VestasBonus(2)雙饋發(fā)電機雙饋發(fā)電機一般用于變速運行的風力發(fā)電機中，可配合槳葉變距調節(jié)。最大的優(yōu)點是可實現(xiàn)能量雙向流動，同時又具有同步機的優(yōu)點。根據(jù)風速的變化和發(fā)電機轉速的變化，調整轉子電流頻率的變化，實現(xiàn)變速恒頻控制，這種控制方案是在轉子電路中實現(xiàn)。流過轉子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，僅為定子額定功率的一小部分。變頻器的容量減小，可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制。(3)同步發(fā)電機在與電網(wǎng)合閘前，為避免電流沖擊和轉軸受到突然的扭矩，同步發(fā)電機需要滿足一定的并聯(lián)條件，端電壓、頻率與電網(wǎng)相同。合閘瞬間，風力發(fā)電機與電網(wǎng)的回路電勢為零，相序與電網(wǎng)相序相同。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機一般都采用同步發(fā)電機，可進行有功功率和無功功率調節(jié)，而在大型并網(wǎng)風力發(fā)電機中，同步發(fā)電機應用并不廣泛，主要原因是價格貴，基于變速運行、變距調節(jié)的直驅同步發(fā)電機或雙饋異步發(fā)電機己成為現(xiàn)在大多數(shù)風機制造商開發(fā)研究的新技術，取消增速機構，采用風力機對發(fā)電機的直接驅動方式和發(fā)電機的無刷化是兩個值得注意的發(fā)展趨勢。 直接驅動是通過增加發(fā)電機的制造成本獲取系統(tǒng)效率和運行可靠性的提高，從風電系統(tǒng)總體效益上考慮是可取的。齒輪傳動不僅降低了風電轉換效率和產(chǎn)生噪聲，是造成系統(tǒng)機械故障的主要原因，而且為減少機Jeumont,Mtoores公司都在發(fā)展這門技術。發(fā)電機的無刷化可提高系統(tǒng)的運行可靠性和實現(xiàn)免維護，因此一直是電機的發(fā)展趨勢。電勵磁的同步電機和繞線轉子感應電機皆需要通過滑環(huán)和電刷實現(xiàn)對轉子繞組電流的控制?；h(huán)與電刷之間流過較大的電流而其相對運動靠滑動接觸，除了機械磨損之外，還有電腐蝕，特別對于長期運行在具有潮濕、鹽霧等氣候條件下的電機，滑環(huán)電刷的磨損就更為嚴重，不僅需要定期維護而且是容易產(chǎn)生故障的部位。綜合無刷化和直接驅動這兩方面的要求，在變速恒頻風電系統(tǒng)中最具應用前景的是兩種電機：永磁電機和無刷雙饋電機。有些公司正在研制一種中間產(chǎn)品，采用變速變距、單級齒輪箱，這樣既避免了基于雙饋發(fā)電機的高齒輪傳輸比(1500-180rpm)高轉速發(fā)電機設計，同時，單級齒輪箱使永磁同步發(fā)電機低轉速運行，電機可以設計得小而輕。風機輸出電壓達到3000-4000V,2.4海上風力發(fā)電人們普遍感覺到海面上的風比陸地上大，能否利用海上風能資源發(fā)電受到關注。從20世紀70年代后期到整個80年代，許多歐洲國家對海上風電的可行性都進行過探討。海上風電的發(fā)展大致可以分為以下幾個時期：1977-1988年，國家級海上風能資源潛力和相關技術的研究，論證建設海上風電場的可能性；1990-1998年，歐洲范圍內海上風能資源潛力的評估，一些擁有中型風機的近海風電場相繼建成；1999-2005年大型海上風電示范工程的建設和大型海上風力發(fā)電機組的技術開發(fā)；2005年以后為大型海上風電場的規(guī)?；l(fā)展時期。海上風電最初的研究是在一些海港建立試驗性的風電場，如在比利時西部的Zeebrugge港·丹麥的Ebeltoft港和英格蘭的Blyth港。這些風電場是由中型風電機機組組成，運行于海洋環(huán)境，但都是建在堤壩或已經(jīng)存在的基礎結構上。1990年在瑞典Nogersund安裝了世界上第一臺海上風電機組，容量220kW,位于離岸350m,水深6m處，輪毅高度海Vindeby附近，由Elkraft公司建成世界上第一座海上風電場，該風建成由10臺Vestas500千瓦風電機組的海上風電場，這些海上風電場的建成運行提供了很多在建造、安裝、成本和能源生產(chǎn)等方面有價值的信息和經(jīng)驗。1996年荷蘭在海堤內的須德海淡水中建立了風電場，瑞典于1997年建設了由5臺600千瓦風電機組的海上風電場。2001年丹麥的兩個部門EIsam和EItra在北海日德蘭半島(Jutland)開始建設HornsRev海上風電場，安裝80臺由Vestas公司提供的海上風電機組，單機容量2兆瓦，總裝機容量160兆瓦，2002年12月所有風力機安裝完畢投入試運行。HornsRev海上風電場離岸14-20公里，水深范圍6.5-13.5米，風電場占用面積約20平方公里。該風電場將成為世界上第一座真正的大型海上風電場，預計每年的發(fā)電量約為6億千瓦時。同期Sams海上風電場的10臺風電機組也安裝完畢投入試運行，2003年5月Frederik-shavn風電場4臺風電機組安裝完成，在一種特殊的桶形基礎結構(bucketfoundation)上安裝了一臺Vestas的3兆瓦樣機，另外3臺安也開始實施示范性商業(yè)海上風電場計劃。已建成的海上風電場的信息如表2-2所示。2.4.2海上風力發(fā)電的優(yōu)勢首先是海上風能資源比陸上大。不但風速高，比平原沿岸高20%,發(fā)電量可增加70%,海上很少有靜風期，能更有效地利用風電機組的發(fā)電容量。海水表面粗糙度低，海平面摩擦力小，因而風切變，即風速隨高度的變化小，不需要很高的塔架，可降低風電機組成本。另外海上風的湍流強度低，海面與其上面的空氣溫度差比陸地表面與其上面的空氣溫差小，又沒有復雜地形對氣流的影響，作用在風電機組上的疲勞載荷減少可延長使用壽命。一般估計在陸上設計壽命20年的風電機組在海上可達25-30年。組的土地面積有限，且單機容量越來越大，高達70m的龐然大物對自然第三個原因是在20世紀末，兆瓦級風電機組達到商品化，可為海上風電場提供所需要的大型機組，開始研制專門用于海上的3-5兆瓦機組，表明技術上是可行的。另外，由于海上面積遼闊，項目規(guī)?？勺龃螅话阍?00兆瓦以上，距離海岸較遠不影響景觀，吸引了電力公司參加開發(fā)。在距離海岸30km和水深40m的范圍內，總的來說歐洲海上風能儲量比目前歐盟的用電量還大。表2-2海上風電場發(fā)展情況10國風電機風機型號總裝機容時間瑞瑞典丹麥荷蘭丹麥荷蘭瑞典英國瑞典丹麥瑞典丹麥丹麥丹麥丹麥愛爾蘭英國1452751117VestasV902-254葉片轉速增加10%,使風機的有效性增加5%-6%。在陸地上葉片轉速商業(yè)運行的大型海上風電機組容量為1.5-2.5兆瓦，葉片直徑范圍為65-80米，最大的葉尖速度可達80米每秒。正在研制單機容量更大的樣方向。表2-3給出一些生產(chǎn)商已推出的最大海上風電機組的技術參數(shù)信表2-3海上風電機組的技術參數(shù)(21生產(chǎn)商風機型號額定功率葉輪葉輪轉333333功率調節(jié)變槳距調節(jié)失速變槳距調節(jié)變槳距調節(jié)主動失速調節(jié)變槳距調節(jié)變槳距調節(jié)局)標準方法，目前的技術水平和20年設計壽命，估測的發(fā)電成本是府規(guī)劃到2030年風電要占全國總裝機容量的一半，即5.50GW到100MW距離Lubeck灣15公里的波羅的海中；400MW項目在距離HeIgoland島17公里的海域，最終規(guī)模將達到1.2GW,采用單機容量內朦古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書3.1我國發(fā)展風力發(fā)電的可行性分析3.1.1我國風力資源狀況蟻+223圖3-1我國陸地風力資源分布圖”從各省市來看，我國風力資源豐富的省區(qū)見表3-1,中國風能分區(qū)以及占全國面積的百分比見表3-2。表3-1中國風力盜源比較豐富的省區(qū)省區(qū)風力資源(萬MW)省區(qū)風力資源(萬MW)內蒙古6178山東394新疆3433山西293遼寧606海南64區(qū)域豐富區(qū)較豐富可利用區(qū)貧乏區(qū)指標年有效風功率密≥200200-1503.5m/shr數(shù)8眾所周知，我國的機械工業(yè)基礎還是比較好的，完全有能力滿足風電裝備生產(chǎn)制造要求。在風電機組設備關鍵部件的生產(chǎn)方面，我國有蘭州產(chǎn)符合風電機要求的變級異步發(fā)電機的能力，并具有批量生產(chǎn)的實力吸收和創(chuàng)新提高，推動風力發(fā)電設備國產(chǎn)化。在第4批國債技術改造項提供貼息補助；按要求4個示范項目，第一次面向國內制造廠家批量采比兩年前有了大幅度降低，從每千瓦7000元以上降到了4000-5000元左3.2.1裝機容量自1986年5月山東榮成建成我國第1個并網(wǎng)型風電場開始，到圖3-3我國1990-2002年全國各年風電累計裝機容量1990-2002年全國每年新增風電裝機容量0年由圖3-4可看出，我國的風電場建設大體可分為3個階段：首先，1986-1990年是我國并網(wǎng)風電項目的探索和示范階段，其特點是項目規(guī)模小，單機容量小。在此期間共建立了4個風電場，安裝風電機組32臺0.843W。第二，1991-1995年為示范項目取得成效并逐步推廣階段。共建立了5個風電場，安裝風電機組131臺，裝機容量為33.285MW,最大百分比/%的百分比/%I遼寧2新疆3廣東4內蒙古5浙江6吉林7甘肅8河北9山東92002年底我國各省、自治區(qū)的風電裝機情況見表3-3。遼寧、新疆、廣東和內蒙古是我國風電發(fā)展最快的4個省份，占全國