2 风电机组组成与风能理论
风能发电的原理，是风力带动风电机的轮片旋转，轮片的一端连接发电机的机械联
动杆，发电机内导体切割磁感应线而产生电流，这样实现了风力发电的目的。
按照现在的风机技术，风速3ms左右的微风即可以开始发电。本章简单介绍风力发电机组的组成以及相关的空气动力学知识，即可清楚了解风力发电的原理和过程。 2.1 风电机组组成部分介绍
风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量可大小以划分为小型风电机组
（10KW以下），中型风电机组（10~100KW），大型风电机组（100KW以上）；按其主
轴与地面的相对位置，可以划分为水平轴风力发电机组（主轴与地面平行），垂直轴风力发电机组（主轴与地面垂直）。
最早最简单的风力发电机由叶轮和发电机两个部分组成，站立于一定高度的塔上。由于外界因素影响风很不稳定，这类风力发电机电压、频率差异很大且效率低下，没有实际运用价值。所以在原有的基础上，增加了偏航系统，齿轮箱，控制系统，停机系统等部件更加有效地使用风能。在现有技术基础上大致可以把一个普通的风电机分为四大部分：风轮组件，机舱组件，塔架组件以及控制部分。图2-1表示风机各个部分的组成。
图2-1 风电机组的组成
2.1.1 风轮及其组件
风轮由三部分组成：叶片、轮毂、风轮轴[4]。风轮是风力发电机最重要的部件，也
是风力发电机区别于其他发电机的显要标志，其作用是获取和吸收风能，它将风能转化为机械能。而风轮轴则将能量给传动机构。
叶片是风力发电机获取风能的部件，风能利用率的好坏大都取决于良好的叶片外形，它材料的强度、硬度、密度以及使用寿命。一般叶片具有高硬度，高强度，低密度等特点。根据叶片横截面形状可以将叶片分为平板型，弧板型和流线型。
轮毂是将叶片和叶片组固定到主转轴上的装置。它的作用是叶片的力和力矩传递到主传动机构中。轮毂有固定式和铰链式两种。
风轮轴也叫主轴、低速轴，它在风轮以及齿轮箱之间。其前面端子由螺栓与轮毂刚性连接，后面端子与齿轮箱低速相连，结构复杂且受力大。风轮轴有较高的综合机械性。
此外风轮机构组件还包括变浆机构，它是根据风速的变化来调节桨距角，用以风电机保持高效率的输出功率。 2.1.2 机舱及其组件
风力发电机的机舱承担容纳所有的机械零部件，起到支撑作用。它还需要承受所受
外力作用（静负载和动负载），机舱罩材料应具高强度高硬度，表面光滑，均匀厚度，
无层件剥离等特点。其中包含齿轮箱、发电机等主要部件。机舱的左边是风力发电转子
（叶片与风轮轴）。
风力发电机的传动机构包含增速器、主轴、齿轮箱、发电机和联轴器等[4]，它是用于传递机械能，并且将机械能转化为电能的装置。一般情况下，风轮转速低于发电机的转子所必须的转速，增速器要给风轮转动加速。联轴器与制动器往往设计在一起。 发电机是将传动轴传给的机械能转化为电能的装备。一般选用直流发电机、永磁发电机、同步交流发电机、异步交流发电机等作为风电专用发电机。
齿轮箱也是风电发电机组的关键部件之一，它的作用是在风电机工作在低转速，而发电机在高转速下运作时，使两者实现工作的匹配。叶片产生的转矩通过齿轮的传动递给发电机。齿轮箱结构复杂，在机舱内安装空间小，由于外界工作环境恶劣，常有强风冲击，维修检查显得十分困难，所以齿轮箱材料和可靠性要求比较高。齿轮箱按照传动的方式可以分为：展开式，分流式，同轴式和混合式。图2-2展示了齿轮箱的样式。
图2-2 风力发电齿轮箱
偏航系统也称作对风装置，被安装在机舱座内。它的作用是调控叶片随着风向变化而变化，快速平稳地对准风向，以便风机获得最大的风能；当机舱内引出电缆发生缠绕时，它会自动解缆。 2.1.3 塔架部件
塔架的功能是支撑位于空中的机舱、轮片等风力发电主要器件，一般要求高度达到
六十米以上，且塔架与地基相连接处要求牢固，能够承受强大的风力冲击以及有风力发电系统运行引起的不同载荷，将这些载荷接地消除，使得整个系统能够平稳安全地运行下去。塔架内部配置线缆还必须将发电机运作得到的电能输送至蓄电池或者变压器传输至电网。塔架内部空间大，必须配有爬梯与安全导轨，备以工作人员操作、维护。塔架的几种基本形式：单管拉线式，衍架拉线式，衍架式和锥筒式。
2.1.4 控制系统
控制系统是整个风力发电机组的核心部分，它关系到系统中每一个部件的动作和状态。通常使用PLC，或者DSP微机处理器作为控制器件，它们功能强大，能够应付恶劣的工作环境，所以受到广泛应用。控制系统的功能主要有对运行过程的模拟量和数字量进行采集、传递、分析、运算，从而做出命令控制风电机组的运行，使得功率输出稳定，转速在合理的范围内；若出现故障或者遇到异常情况可以快速准确地检测到并且分析原因，做出相应的保护措施或停机。控制系统通常由各种传感器，微机处理器，编程控制器，软件系统和执行机构组成。图2-3为风力发电机组控制系统示意图。
图2-3 风力发电机组控制系统
2.2 风能理论简介 2.2.1 风速和风能
瞬时风速是指风速的瞬时值[8]。它只可给出相关风的近似概念，并且因为传感器的惯性作用，风速的瞬时值只能近似地测量。瞬时风速V用平均风速Vm加上风的波动分v来表示：
V=Vm+v （2.1）
风速为v，当风吹过叶轮时，叶轮受力转动。假设m为气体质量，ρ为空气密度。根据空气流体力学可知，在一秒中流向风轮的空气具有的动能为：
E=?mv2 （2.2）
单位时间里气体流过截面S的气体体积是V，那么
V=Sv （2.3）
单位气体体积的质量为
m=ρV=ρvS （2.4）
流动气体具有的动能为
E=?mv2=?v3ρS （2.5）
据风能表达式可知，风能的大小与流过截面的面积和气体的密度相关且成正比，与气体流速的立方也成正比。
气体密度和速度都随着海拔高度的变化而变化。P为当地大气压，t为当地大气压，
则气体密度计算公式：
ρ=
（2.6） （2.6）
2.3 本章小结
本章主要介绍了风力发电机组的四个主要组成部分：风轮及其组件、机舱及其组件、塔架部件和控制系统，详细介绍了它们的构造和功能。最后还介绍了相关的风能理论知识。
3 设计方案和电气元件选型
3.1 设计方案
风力发电的主要工作原理：机械能转化为电能，这也是发电机工作的原理。
控制方面的工作原理及过程为：当系统的总开关合上后，可编程控制器初始化，测速传感器感知到风速模拟信号AD转换后并且传输给PLC，处理中心则将模拟量与额定参数进行比较，若在参数范围内则启动系统中的发电机，不在参数范围内则报警手动停机。发电机运作后，在运作过程中温度传感器、风向传感器、测速传感器将测得的各类参数模拟量AD转换后传送给PLC进行分析，PLC根据分析后的结果，做出相应的动作，例如启动发电机开始工作，随风向的变化驱动电机随之旋转，绕缆时自动停机，运行冷却机当机舱或塔架温度过高时，变压器运作控制等。一般设计的风力发电设备如果遇到突发情况，沙尘暴或是暴风，风速突然加大，测速传感器要及时传送模拟量，经PLC分析后立即做出停机措施。最后还有将输出的直流电流经过滤波器滤波，送入电流变换装置成为三相交流电，这两部分控制要求在本文中不涉及。
据系统功能的要求，本文将对风力发电系统的启动，发电机控制，偏航控制、温度模糊控制以及变压器控制着重进行研究。控制顺序为，首先系统初始化启动后，进行发电机启动，接着进行偏航控制，然后控制温度的变化，最后控制变压器的启动与停止。了解该设计所需用到的电器元件，对各种元件进行选型。
在设计中四个基本控制要求是：（1）发电机启动之前，将外界风速模拟量转换后传送至内存单元，与正常发电的风速范围进行比较，不在范围内则警报进行手动停机，在范围内则启动发电机；（2）事先编制好风向标夹角的角度区间，启动发电机后，将外界风向模拟量转换后传送给控制器，将角度数据分析后归相应角度区间进行控制，运作向左偏航电机或者向右偏航电机，使之偏转到合适风向范围内；（3）对机舱和塔架内部的温度进行控制，因为是对模拟量的闭环控制，所以采用PID控制方法。系统内分为机舱控制单元与塔架控制单元，打开进气阀排放冷气流，间隔一定时间检测室温，温度太高则使得进气阀继续进气，温度低于设定值停止进气，使得温度恒定在安全范围内；（4）根据发电机运行状态来控制变压器的启动与停止。 3.1.1 系统整体设计
本文中，控制方式将采取顺序控制和中断控制。主要流程如下：启动后PLC开始初始化，用风速传感器检测外界风力的大小，在发电允许范围内将控制发电机启动，风速检测值过大，则要报警并且进行手动停机。在正常风速范围内，发电机启动，接下来进行各类控制，控制的目的是使风力得到最大程度的利用。首先是偏航自动控制，由于风向不同导致风能吸收率下降，控制航向使风轮机头部随风向转动，还可以防止绕缆的危险；然后是温度模糊控制，控制对象是机舱和塔架内部这两部分使温度保持在恒定数值。因为是对模拟量的闭环控制，所以针对温度的变化采用PID控制方法。最后是变压器的控制。
图3-1表示这个系统流程框图：
图 3-1 系统程序流程图
3.1.2 具体模块设计
根据系统不同方面的功能，将整个系统分为四个主要模块：发电机启动模块、偏航控制模块、温度控制模块和变压器控制模块。下来具体说明每个模块的主要功能、控制过程以及控制流程图。 （1）发电机启动模块
这一模块的功能是启动系统总开关，PLC初始化。风速传感器采集了外界风速模拟值，将风速反馈给PLC，假如风速过大，不符合发电的风速要求，若风速太大或者太小，不稳定状况时，PLC则可以向工作人员报警，工作人员可以选择手动停机；假如风速在合理的范围内，系统则启动发电机，发电机将风能转换为电能，并在此时发电机信号灯显示发电机在工作，系统信号灯显示表示系统运行。
发电机启动模块的顺序控制流程图如下：
图 3-2 初始化启动控制流程图
（2）偏航控制模块
偏航控制系统包含偏航控制机构与偏航驱动机构[5]。偏航控制机构用于控制风轮机叶片跟随风向的变化而变化；偏航驱动机构是用于驱动偏航系统运作，停止的，它包含有偏航驱动装置、制动装置以及偏航轴承。偏航驱动装置常用伺服电动机和偏航减速齿轮。通常风电机偏航控制系统有三种控制方式：风向标控制的迎风自动偏航、风向标控制90°侧风和自动解缆控制。其中风向标控制的迎风自动偏航是偏航控制最主要的内容。在本文中涉及到的偏航控制指的即为风向标控制的迎风自动偏航。
偏航控制系统的工作原理是通过风向传感器检测外界风向，将风向模拟信号AD转换后传递给PLC，PLC内部计算风向的夹角，与参定值进行比较是否达到要求，不符要求的话调整航向，PLC需要发出信号给偏航驱动机构，偏航驱动机构驱动机舱转变角度使之达到最佳的角度，从而使风能的吸收率最大化[6]。这是个典型的位置伺服控制系统。偏航控制系统模块主要实现风轮机随风向转动功能。在本文中，设计一个偏航工作区间为145°-215°的控制系统，控制次数仅为一次。
为了保证风力发电机组吸收风能达到最佳的效能，机舱必须对准实时风向。只有风轮回转面垂直于风向，即风力发电机的风轮法线与风向一致，风电机吸收的功率最大。因此确定对风目标为风轮回转面与风向垂直。当风向发生改变，超出允许误差范围时，控制器发出自动偏航指令，风向传感器和偏左、偏右电动机组成的自动对风系统执行校正动作。使得机舱能够准确地对风[7]。