风力发电电气课程设计

风力发电电气课程设计（共13篇）

1.风力发电电气课程设计 篇一

《发电厂电气主系统》课程设计教学大纲

课程设计名称：《发电厂电气主系统》课程设计

课程编号：CN920130B

学分：1

周数：1

适用专业：A、B、C、D、E

一、课程设计的目的与任务

课程设计的目的与任务是：让学生通过《发电厂电气主系统》课程理论学习后，运用所学理论知识，应用于电力工程实践，并了解电力工程设计中所遵循的设计步骤、设计方法、设计规程，并掌握电气产品性能、选择、校核方法，为学生走向电力工业打下良好的基础。

二、课程设计的基本要求

掌握发电厂电气主接线的设计步骤的方法。

三、课程设计选题原则

根据课程内容或生产实践选择课程设计的课题。

四、课程设计内容

1.根据课题资料，确定本课题所设计的电厂（变电所）与电力系统的联接，即确定联接地点、联接方式、输电线路电压等级、回路数等。

2.根据课题资料，初步提出所设计的电力工程2～3个电气主接线方案，经比较后确定该电力工程一个最佳电气主接线的实施方案；

3.选择主变压器（确定主变相数、绕组数、联接组别、冷却方式），确定主变台数、容量。选择厂用变压器等的型式、台数、容量。选择结果列变压器汇总表。

4.确定各输电电压等级的输电线路导线型号、规格；

5.确定短路计算点，计算在最大运行方式下三相短路电流值（计算0秒、0.5秒、1秒值），计算结果列短路电流计算结果汇总表；

6）选择、校核母线及其它导体；

7）选择户内或户外主要电器设备，列电气设备选择、校核表；

8）绘制电气主接线图；

9）要求全部文字、图纸采用计算机处理；

五、课程设计主要参考资料

1.熊信银主编，发电厂电气部分（第三版），中国电力出版社，2004；

2.范锡普主编, 发电厂电气部分（第二版），中国电力出版社，1995；

3.江西水利设计院编写,小型水电站（上，下册），水利电力出版社1981；

4.戈东方，电力工程电气设计手册，水利电力出版社，1990；

5.王子五，高压成套开关设备，煤炭工业出版社，1998；

三）时间安排：1周。

星期1：完成1）、2）；

星期2：完成3）、4）；

星期3：完成5）、6）；

星期4：完成7）、8）；

星期5：整理成果，完成文字、图纸的计算机处理。

六、课程设计成绩考核

课程设计成果主要是课程设计计算说明书；课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格评定。

2.风力发电电气课程设计 篇二

有没有觉得很多大桥上风都很强, 甚至能将桥梁本身吹得晃晃悠悠?意大利设计师Francesco Colarossi等人想到了一个点子, 试图将这些风能利用起来。

风力发电大桥 (Solar·Wind·Bridge) , 创意其实很简单, 桥上走车, 桥下安装风力发电机组发电。当然, 如果你注意到了这个方案的英文名, 就可以发现, 除了风力, 设计师还试图利用太阳能。用太阳能电池来铺设路面, 这在技术上并不存在多大的困难。

而整个风力发电大桥, 将参与意大利Bagnera和Scilla之间高速公路的竞标。据说, 这个方案有可能会参与其中的20 km, 而就这20 km路面, 包括太阳能和风力发电所获得的电力, 将足够15 000户居民家庭日常所用。

3.风力发电电气课程设计 篇三

关键词：风力发电机组；电气控制系统；电力检修；电力设备；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM315 文章编号：1009-2374（2016）06-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.06.069

1 风电机组电气、控制系统检修总框架

风电机组的控制系统就像人类的神经与大脑一样，要对其系统中的所有设备进行感知、控制，达到系统正常运行的目的。风电机组的控制系统是由专用模块组成的具有通信功能的模块，一般来说，这些模块包括了PLC通讯、安全链、数字输入DI/输出DO、模拟输入AI模块等。其传输机制主要是经过某种通信协定，将PLC主机命令、设施形态实施传送，使电气设施能够在规定形态下运行。在风电机组体系内，接到维护机组平安运转的核心回路是平安链回路，其回路由一些结点通过串接的样式衔接产生，其中如果某个结点断开，那么其平安链发送紧急关停的命令，此刻风电机组则能以火速关停的样式去防止平安事件的产生。在风电机组报障碍以后，目前的当场检验办法一般只是“治标不治本”，特别是对一些新员工而言，未有对设备进行系统检查的经验，同时对有关认知也过于局限，缺乏对体系的整体、持续、综合性的认识。一般在障碍的预警列表内，基本能够直白地发现障碍的前、后次序并且数量会达到5～10条左右。而这对新职工来讲增大了研习、试验部分的困难程度，因此应当在运作中综合化认识且把握好有关的检修技术，总结思路、丰富经验。

2 风力发电机组控制、安全系统

对于大型风力发电机组而言，就是要采用必须举措，经过管制体系的平安规划，使体系能在界定时段里少发生乃至不产生障碍。假如产生障碍，必须在极快时段、以极快速度对系统进行修复。

控制功能一般包括风轮限速、电气负载的连接、功率极限、纽缆限制、机舱对风、温度参数限制、运行时电量等，主要通过被动、主动样式对管制机组的运转实施管制，使体系能在界定范畴中实施运转，且应保证各类参变量均能在运行的规定范畴中。

维护过程的规划准则是无效-维护。即是在管制无效后或外在与内在障碍导致机组不能寻常运转时，体系的安全维护装备动作能维护风力发电机组处于一项平安的形态里。体系将在发生超速、电网负载、电机过载故障、脱网等会开始实施维护的性能。其过程是多个层级的平安链彼此锁合的，在管制流程里依旧是逻辑与的性能，然而在实现管制目的上是完成逻辑或的成果。另外，该体系仍具备避雷的装备，对主电、管制电子回路区别实施避雷部分的维护。

在风力发电机组的运行形态里，分为运转、暂停、关停、火速关停四类。差别的运行形态分属一类行动层级：最高为运行状态、最低为急停状态，如图1所示。在对工作状态层次进行提升时，不可越层而上，而是需要一级一级往上层上升，但降低工作状态层时则是可越层而下的。这样的工作状态转变法是风力发电机组基本控制策略，其目的是为了保护机组的安全运行。

如果工作状态要向着更高层次进行转化就需要一级一级往上，在这个升高的流程里，能够确认体系内的各项障碍均被检验到。在障碍被检验出以后体系就能立马步入到一项火速关停或关停的形态里。

图1 运行形态转化图

发电管制分为两类境况，即风速在规定之下及规定之上。

风速在规定之下：机组追踪实现最大功率，为了能够防止变距屡次的动作，经过扭矩，对叶尖速比实施优质管制，因此实现大功率导出；风速在规定之上：机组管制保持在一项稳定的功率内，经过变距管制转速去保证其平稳运转。

3 风力发电机电控系统的结构

风力发电机电控系统由交流柜、机舱管制柜、电气柜、塔底管制柜、电气滑环、传感器、衔接电缆等组成，参照体系分为四个方面：主控、变桨、变流、电网级管制，由此去完成寻常运转、阵风、极佳运转、功率、变桨距、安全维护管制等性能。电控体系架构图如图2所示：

图2 电控体系架构图

风力发电机组的电控体系在硬件部分涵盖三方面：塔底核心管制、机舱管制、变桨管制体系。各个管制装备安置在对应管制柜中，整体的体系如图3所示：

图3 电控系统的硬件结构

4 风电机组电气、控制系统检修具体流程

4.1 PLC检验

步骤一：PLC是管制中心，所以在检验时，最先应确认PLC是不是能够日常运行，经过对操纵页面检验去确定PLC运作形态及软件的版本有无纰漏、有无宕机的情况。另外还应检验外围PLC形态有无纰漏且对PLC外壳温度实施检验，确认并未发生太热的境况。

4.2 通信部分的检验

步骤二：在确定PLC日常运作后，应当对通信性能实施检验。假如在管制体系内，通信发生故障时风电机组全部的设施形态，比如平安链讯号等都不能检验。通常而言，通信板块检验内容涵盖：电源供应板块有无纰漏、接头及连线是不是准确、通信波特率有无超出适宜水准、通信地址是否准确、光纤讯号强度是不是充足、连线是否准确等。

4.3 平安链检验

步骤三：通信性能恢复日常后，关键是检验平安链回路参照风电机组管制条理。假如平安链回路并未闭合，机组关键设施都是在无法进行运作的平安连回路检验过程里。起初应确定平安链板块的运作形态寻常，其软件运作寻常，假如平安链板块早已产生了损耗，那么在替换新板块以后的全部检验都是无效的。假如平安链软件发生故障时应从新下载或重新安置平安链程序。

对软、硬件障碍排查以后，根据电子回路图样的衔接机理，参照回路检验各项平安结点性能是不是日常运转。在检查过程中明确故障原因，有的是因为平安链讯号在传送进程里发生障碍或出现扰动，并非出现了危险事故。然而，一些障碍却是由于设施运转形态实现引发平安预警的条件。假如出现严峻扭缆、机舱振动超过限制等。另外，在全部的平安链回路合拢且形态寻常后，主设施起始运行后便能实施各项子体系的检验、障碍排查。

4.4 各个子体系设施检验

对风电机组的各类子体系检验时，需要严格根据电路图所指示的回路检查，系统包括了很多，如变桨、偏航、液压、润滑、冷却系统等。同时，在检验电气回路种类时，关键分为两类回路，也就是管制、动能

回路。

管制回路有三种功能，测量、控制、反馈。以测定来讲，关键是将各个种类的传感器，比如温度、压力、转速、方位、加速度等讯号转换为特殊范畴的电压讯号，由PLC片件测定去判别设施的运作形态。传感器内，其电压通常较小，然而仍有特别的境况。

管制性能是由PLC片发送24V管制讯号，以弱电管制接触器闭合，由此实现分隔去完成连通、分隔动能电源，最终实现自主开启关停电气设施的效用。在接触器内，普通难题包含触头粘在一起、电磁线圈无效等，其结果都造成了小能高效管制电气设施。直至设施形态参变量大于日常范畴而被测定讯号检验查出，由此才能出现报障碍。

动力回路涵盖单相、三相回路，在单相电压内分为两类，也就是230V和380V。无论是检验接触器或连线端子，在检验维修中，应注重断开电源、查验电源平安的事件。而且在通电以前，也应当注重检验设施相间及对地隔离境况，极大程度防止通电发生短路及损耗设施的境况。同时值得注意的是，在电机维修之后，要明确相序有无错误，禁止使马达发生反转的境况。

参考文献

[1] 罗昕.大型风力发电机组电动变桨距控制的研究[D].河北工业大学，2014.

[2] 庄严，纪国瑞，王峰.风力发电机组的防雷与接地工艺设计（上）[A].中国农业机械工业协会风能设备分会2013年度论文集（上）[C].2013.

[3] 陈坤.海上风力发电机组电控安全系统介绍[J].风机技术，2011，（4）.

[4] 王富.高原环境对风力发电机组的影响及设计改进

[D].上海交通大学，2010.

[5] 陈景文.兆瓦级风力发电机组电控系统设计[J].电气传动，2010，（2）.

4.风力发电电气课程设计 篇四

塔架作为支撑结构，应在规定的外部条件、设计工况和载荷情况下稳定的支撑风轮和机舱（包括发电机和传动系统），以保证风力发电机组安全正常运行。因此在设计和生产中应坚守以下原则：

1）塔架应具有足够的强度、承受作用在风轮和塔架上的静载和动载荷。

2）应通过计算分析和/或试验确定塔架的固有特性和阻尼特性，并对塔架进行风轮旋转引起的振动、风引起的顺风向振动和横风向振动进行计算分析，使其在规定的设计工况下满足稳定性和变形限制的要求。

3）应根据安全等级确定载荷局部安全系数和材料局部安全系数。

4）塔架分段应考虑以下因素：运输能力；生产条件和批量；考虑上法兰与短节塔筒焊后进行二次机加工后与塔筒组焊，使法兰平面度提高。

5）通过塔架设计、材料选择和防护措施减少其外部条件对塔架安全性和完整性的影响。在设计中，需要对塔架的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行分析：包括：

1）极限强度；塔架的强度分析可采用应力法。应力计算一般采用传统的方法，如不能正确确定应力时，可采用有限元等数值计算方法计算。

2）疲劳；塔架疲劳分析可采用简化疲劳验证法和循环载荷谱的损伤累计法。

3）稳定性；塔架的稳定性分析和力学分析可采用相关标准规定的方法进行。

5.《发电厂电气部分》课程见习报告 篇五

——— 电气工程及其自动化专业

实习项目：参观旗峰坝变电站 天楼地枕发电厂 时间：2012年4月25日

一、实习的目的

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。因此，这次见习我们需要做到以下几点

1.了解电能生产的全过程及主要电气设备的构成、型号、参数、结构、布置方 式，对电厂生产过程有一个完整的概念。2.熟悉该电厂主接线连接方式、运行特点；

3.初步了解电气二次接线、继电保护及自动装置，巩固和加强所学理论知识，为今后走上工作岗位打下良好基础。同时学习工人阶级的优秀品质，做到行动军事化、生活集体化，培养正确的 劳动观念，为今后走向基层、服务基层奠定思想基础。

二、实习的主要内容

1.初步了解变电站生产的全过程；

2.了解变电站主要设备，包括变压器、断路器、互感器、隔离开关、电抗器、母线的型式、构造特点、主要参数及作用，对其他辅助设备也应有所了解； 3.了解变电站的电气主接线形式、运行特点；

4.了解接线方式、备用方式及怎样提高用电的供电可靠性 5.了解发电厂、变电站的防雷保护措施

6.初步了解电气二次接线、继电保护、自动装置及高电压技术等有关内容； 三，发电厂与变电站的简介

恩施土家族苗族自治州天楼地枕水力发电公司（简称天电）,于1999年 3月8日根据《恩施州政发[1999]8号》文正式组建,由原州天楼地枕水电工程管理处与州天楼地枕水力发电厂合并而成，属于州电力总公司的子公司。公司位于恩施市屯堡乡境内，是清江干流梯级开发的第六级，属径流式电站。装机容量 25.2Mw(4×6.3 Mw)，年利用小时数 5324h，设计年发电量 1.34 亿 Kw.h，多年平均年发电量 1.1亿 Kw.h 220千伏旗峰坝变电站是我州第一座220千伏变电站，采用了无人值班、少人值守的运行管理模式，所有的设备监视和开关、刀闸的操作全部集中到集控中心，以减轻变电站值守人员的压力

四、见习过程

2012年4也25号下午，班上的同学都异常的兴奋，因为我们将要真正的去参观和我们以后息息相关的几个地方，发电厂与变电站。在去电厂实习参观前，在集合的教室里老师按要求对我们进行了安规教育。并给我们人手发了一顶安全帽。接着我们登上了大巴，向天楼地枕发电厂驶去。

到达发电厂后，老师把我们分为三组，每一组都配备了一名专业人员与我们讲解发电厂的电气设备与用途。

在发电厂里，我们发现变压器是变电站的主要设备，分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器即高、低压每相共用一个绕组，从高压绕组中间抽出一个头作为低压绕组的出线的变压器。电压高低与绕组匝数成正比，电流则与绕组匝数成反比。

变压器按其作用可分为升压变压器和降压变压器。前者用于电力系统送端变电站，后者用于受端变电站。变压器的电压需与电力系统的电压相适应。为了在不同负荷情况下保持合格的电压有时需要切换变压器的分接头。

按分接头切换方式变压器有带负荷有载调压变压器和无负荷无载调压变压器。有载调压变压器主要用于受端变电站。

在旗峰坝变电站里，环境十分幽静，装备也很现代，看着一件件电气设备，我们内心深处对中国的电力企业产生了一种膜拜，整个场面看着让人感觉是十分壮观的。看着电力公司的人面带微笑自信的给我们介绍一个又一个设备，解答一个又一个问题的时候，我好羡慕，想的是以后的自己会成为和他一样自信的人嘛？

在这个变电站里，我们了解到220千伏旗峰坝变电站是我州第一座220千伏变电站。如今新安装的设备有序地运转着，没有了往日“嗡嗡”的噪声。2008年8月31日，220千伏旗峰坝变电站综合自动化改造（简称“综自改造”）工程电气部分全部顺利竣工。因此，在恩施变电站的历史上，又翻开了新的一页。

至此，州电力公司所辖的7座220千伏变电站全部采用先进的综合自动化技术，迈入了集中控制、无人值班的崭新历史阶段。

五、变电站实习心得：

见习结束了，我们很累，在回去的车上，没有一点声音，有人睡着了，有人在回想着这一天眼见的壮观景象，还有的也许就在想这次的收获与见习报告改如何写。

通过这一次的实习，我了解了变电所电气设备的构成、了解配电装置的布置形式及特点，并了解安全净距的意义。了解控制屏、保护屏的布置情况及主控室的总体布置情。在变电站工作，安全是最重要的一件事，所以我们牢记“安全第一、预防为主”的实习方针，加强《安规》学习，提高安全意识，更是我们的必修课。“变电站安全无小事”已在每个同学的心中打上深深的烙印。在这次实习中，我收益颇多，这些都是无形资产，将伴随我一生。这次参观可以看到变电站的管理可以说是军事化的管理模式。临走前，我看着一根根的输电线把电能输送到千家万户，给我们带来了光明，给我们带来了征服大自然的力量。此外，经过和工人师傅们的交谈让我们明白了从事电力行业的责任重大，让我知道怎样在平凡之中创造出不平凡。

本次实习的目的是理论联系实际，增强我们对社会、国情和专业背景的了解；使我们拓宽视野，巩固和运用所学过的理论知识，培养分析问题、解决问题的实际工作能力和创新精神；培养劳动观念，激发我们的敬业、创业精神，增强事业心和责任感；本次实习在我们完成部分专业课程学习后进行，通过本次实习，使我们所学的理论知识得以巩固和扩大，增加我们的专业实际知识；为将来从事专业技术工作打下一定的基础；进一步培养了我们运用所学理论知识分析生产实际问题的能力。

6.风力发电电气课程设计 篇六

（一）课程定位

“发电站变电站电气设备”是发电厂及电力系统专业的核心专业课程，因此其教学就必须以发电厂及电力系统的专业定位来作为最基本的依据,云端工作室，除此之外，还需要具体的结合电力工业现今的发展趋势和市场导向，以此来保障所开设的专业能够具有更强的针对性、职业性、灵活性和特色性。要达到这样的效果，就必须在教学过程中较好的认识到教学的最终目标，并且在进行教学的过程当中要正确定位，这将直接的影响到毕业生最终的就业状况和专业前景。正是因为这样才更加需要在教学体系上进行改革和完善。随着我国经济建设和电力技术发展的不断进行，发电厂及电力系统专业的毕业生应尽可能的去适应社会的变化和实际工作需求，也正是因为这样才将人才的培养目标定位为“高端技能型人才”。具体来说，就是希望发电厂及电力系统专业的毕业生能够实现，适应生产、建设、管理、服务第一线需要的，具有优良的职业道德和敬业精神，德、智、体、美等方面全面发展的，掌握发电厂生产技术和变配电运行知识的基本理论知识，并获得电气设备安装维护及调试，电气设计与管理等职业技能训练的高端技能型人才。

（二）课程设计

1.“理论实践一体化”教学模式的设计：这样一种模式实际上就是要求在教学的过程当中以学生能力的培养为最基本的主线和前提，在此基础之上构建理论教学与实践教学的渗透和融和，在这样一种教学模式构建的过程中，很重要的一点就是要尽可能的去淡化教室、实验室和实训室这些概念之间的界限，并在教师的指导之下来进行以学生为主体的教学活动，最终实现我们所希望实现的目的。

2.一个专业多方向：这主要是指在进行教学的过程中渗透课程改革的核心思想，这对于整个专业改革来说也是一个重点和难点，“发电站变电站电气设备”教学体系设置的过程中就是要求以学生的应用能力、满足三个主要的就业方向要求以及多个职业技能的发展能力这样三个方面的内容为基本前提，在此过程中还需要综合性的考虑到学生转岗和职业技能的发展能力。

二、教学内容

（一）教学内容的确定

教学内容的确定在实际的教学环境下需要按照实际岗位的工作任务和素质要求来进行确定，根据这样一种要求，我们最终确定出的“发电厂变电站电气设备”课程教学体系的教学内容为包括以下几个方面：发电厂变电站电气设备的基本知识以及基本的方法模块；开关检修的实训模块；电工工艺的实训模块；成套设备控制的实训模块；“发电

7.风力发电机变频试验电源设计 篇七

风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,而风力发电机作为将风能转化为电能的主要装置,其出厂前的各种例行和型式试验非常重要。随着风力发电机容量的增大、电压等级的提高,为满足不同类型的风力发电机试验所需,相关风力发电机制造厂需不断更新试验设备。本文将介绍风力发电机变频试验电源设计。

1 变频试验电源总体设计

(1)确定变频试验电源所需电源容量,本系统为7 500kVA。

(2)逆变电源共6套,每套能提供2.5MW功率。电机例行试验台6个。

(3)变频试验电源容量能满足6MW风力发电机负载试验需要。

(4)需满足6MW/3kV及以下功率异步风力发电机、3MW/690V及以下功率永磁同步风力发电机、6MW/10kV及以下功率双馈风力发电机的例行和型式试验需要。

2 变频试验电源组成及试验能力

变频试验电源系统如图1所示,包括1个10kV输入开关柜、1台整流变、1套整流器、3个储能柜、6个电阻柜、6个直流隔离开关柜、2套3×2.5MVA逆变电源(包括滤波器)、6台输出变、6台输出隔离开关、4台输出串联开关、5台输出并联开关、6个接线柜、2个现场控制柜、2个远程控制台、1套纯水冷却装置等。

变频试验电源由10kV电网供电。10kV电压先经输入开关柜送到输入变降压,降压后再经整流器(12脉波)整流;随后经变频器变成电压幅值和频率都可单独调节的交流电压;最后经输出变升压为试验用电压。输出变可以输出1 150/2 300/3 450/6 900/10 500/10 350/13 800V等电压。

被试电机和陪试电机联轴组成对拖机组,形成能量可以回馈到直流回路的试验电路形式,可极大地节约电能。

变频试验电源试验能力见表1。S行访输出能力郝验项目0.5-100^.lis:1 150/2 300/3 450/6 900/10 350/10 500V;电流：3 540/2套3X2.5MVA1 770/1 180/590/393/387A;最大输出容电机负載试验系统带电机对拖邐7 050kVA(105〜100Hz);频率：0.5〜,OOH.:2套2.5MVA系统电压：丨3 800V;电流：295A;最大输出容■10kV异步电机6 900乂档《联4 700kVA(丨05〜100Hz)短时过电压试验频率。.5〜圃Z电压:1_300/异步电机各种试验2*2.smva系统345。/69_o35o/io5。ov;电流7。8。/(空载、堵转、超速、并联3 540/2 360/1丨80/786/77扣:最大輸出容短时升高电压、》鳢14 100kVA(105〜】00Hz)频温升等)续表

3 变频试验电源控制系统

变频试验电源控制系统框图如图2所示。整个控制系统包含2套相同的子系统,分别通过网络远程控制2套3×2.5MVA的变频器系统;所有网络采用Profibus-DP协议,形成稳定可靠的网络系统;2台上位机作为远程控制器,远程控制台(包括上位机和操作台)设在控制室,有近控和远控功能;试验通过现场就地操作或控制室远程操作;变频器交流输出设置恒压、恒频控制功能,电压和频率可单独调节;整流器为2套子系统供电,即2套子系统共享。

4 变频试验电源测量系统

变频试验电源测量系统框图如图3所示,由电压电流测量柜、信号处理模块、数据采集硬件、软件、台式计算机等组成。测试软件基于Windows 2000/XP操作系统,采用全中文界面,操作简单方便。

5 结束语

8.风力发电机的可维护性设计研究 篇八

关键词：风力发电机；风力发电系统；可维护性设计

1 引言

风能属于太阳能的一种，因此它是取之不尽、用之不竭的；在能量转换过程中，不产生任何有害气体和废料，属于清洁能源；与传统火电相比，发电也不存在原材料运输问题。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，已受到世界各国的广泛重视，经过近些年的发展,安装规模有了大幅度提高。但从现场反馈情况看，仍有部分风机存在故障率高，利用率低的现象，影响用户的经济效益。其产生原因往往是由于现场维护不到位造成的。而设计结构不合理；检测手段不科学；维护流程不完善，是导致维护不到位的根本原因。因此，本文给风机的研发引入了可维护性设计思想，使产品在设计阶段就解决将来现场的维护问题，确保消除维护障碍，提高风机利用率，从而降低运营成本。

2 可维护性设计的涵义

APICS（美国运作管理协会）将可维护性定义为：一类提供修理和高效能力的设备及其安装的特征。根据国标《GB/T 19960.1-2005 风力发电机组 第1部分：通用技术条件》4.6 可维护性与可维修性要求：“在机组要维护的部位应留有调整和维护空间，以便于维护。机组及零部件在质量合格的前提下应具有维修、调整和修复性能。塔架高度超过60m的机组应为维护人员配备安全的提升装置。”

因此，风力发电机在设计时应充分保证产品和系统使用的可维护性。其设计要考虑产品与系统功能与性能维护的方便性、可靠性、可测控性、精度、安全性和经济性，而且应和系统的其他设计要素并行考虑与实施。其根本目的是响应顾客的需求，并实现生产接收管理与信息控制。它体现在产品与系统的功能要求和用户的满意度上。

3 风机可维护性的理论设计及实施步骤

风力发电机的可维护性根据上述定义及目的，编制了如下设计与实施步骤（见图1）：

图1风机可维护性设计实施步骤

1 概念设计：定义概念、确定产品或系统维护的要素组成，产品先期的可行性研究。包括：维护先期条件确立、维护周期等级分类、风机维护组成部分。

2 具体/详细设计：完成可维护性的预测，完成与可维护性相关的文件编写和审定，并规定产品或系统寿命期中的相关的可维护性功能与要求，进行维护安全规则编制、维护工具选取、维护所需耗材、编制《风力发电机组维护手册》。

3 生产制造及安装：在生产制造及安装过程中完成可维护性规定的功能的辨识、排序、试验的组织与实施，保证了风机的制造及安装各阶段的可维护性。

4 系统使用与寿命的支持：风机在客户使用过程中进行的可维护性监测、实验与评价，可维护性数据采集、分析和修正活动。根据不同零部件的维护监测结果与维护周期，进行耗材与部件的更换与补充。

5 系统退役与处理：包括风机系统退役部件的可拆卸性、可重复利用性（回收）及消除污染方面的工作。风机使用的，能够对水造成污染的润滑剂或冷却剂必须以正确的方式使用和处置。防止污染物进入环境中，从而满足了客户的环境评估要求。

4 风机可维护性设计实例

4.1 设计完备的监测手段保证设备运行跟踪与维护

风机通过安装PLC控制器、CMS状态监控器及远程在线监测软件的方式，配合各部位传感器及通讯网络，形成了完善的监测系统，实时测量风机的各种运行状态，充分保证了维护的可测、可控。监测项目如图2：

图2风电机组监测系统

风机引入了模块化安全系统，该系统是风力发电机组的一个中央控制单元，在有关安全限值超出限定值时，可独立通过操作管理系统触发制动系统。此外，根据驱动情况，可开启变流器从电网中隔离的程序，切断供应电压，触动低压设备主开关和中压开关设备电源开关并阻断偏航系统。模块化安全系统在机舱入口处、低压单元、齿轮箱、塔底等关键部位分别设置了急停按钮及检修开关，维护时可充分保障人身安全。

4.2 设计高效、快捷地运送人员及物料通道

风力发电机组引入风塔电梯技术，将安全、速度、舒适充分融入其中，是风力发电机组的安装和后期维护的高效保障。该电梯可以提供高达250kg的有效载荷，能轻松将人员或重物进行高速提升至塔顶附近。内部设置安全保护开关，保障电梯运行安全。

舱内设置额定载重为500kg的吊装设备。因此，在后期维护时，人员可以利用該吊车将故障部件从机舱尾部直接吊至地面，从而大幅减少劳动强度，节约时间。利用机舱内小吊车可更换的主要部件有：偏航电机及驱动、机舱内各冷却泵、润滑泵、低压单元部件、变桨控制柜部件等。

4.3 模块化结构设计保证维护简便、快捷

设计时尽量采用标准件，结构上采用了模块化设计等，提高了产品的标准化、通用性、互换性程度。使得该风机的维护过程容易实现。维护人员不需要过多繁重的专用工具，降低维护的技能要求。

4.4 可靠的设计延长了设备使用寿命

风机电气布线方面，通过设计合理的布线路径，保证动力电缆、控制电缆走线明确，方便检修；动力电缆采用交错布线，控制电缆采用屏蔽电缆，有效地减少了电磁干扰；电缆折弯半径严格按照相关标准执行，保证弯曲处的导体及绝缘的抗疲劳强度；电缆使用温度范围大，可以达到-40℃~70℃，适应严酷的外部环境；电缆在与主机架、轮毂等金属部分有可能产生相对摩擦运动的部位均覆盖了硬质波纹管等材料进行保护，通过以上措施保证了布线的可靠性，延长了电缆的维护更换周期。

4.5 采用防差错设计保障维护质量、提高效率

具有完善的防差错措施和识别标识。在该风机系统中，有不少的标识、铭牌，帮助维护人员识别部件，提高维护效率，同时提醒维护人员避开潜在的危险。例如，电缆及连接器，所有预制装置均需标记电缆号和起始位置。对同一类型或类似类型的连接器编制代码，以确保不会产生错误插接。在低压单元密集的插件板上，相邻的接插件对应插口针型均不相同，保证了连接器接插的“唯一性”，可有效防止电缆插错。

4.6 预留安全、便利的维护空间

风机的主轴，在主轴锥形面上开了三个人孔（见图3）,形成了一个通道，可以方便进出。这种设计既节省了材料，又降低了重量，更重要的是为将来风机的维护工作提供了极为便利的条件，客户在维护时，可以从人孔直接进入轮毂，从而避免了以往维护人员在机舱外进入的危险。

图3风机主轴部位示意图

① 人孔② 轮毂

合理安排各组成部分的位置，减少连接件、固定件，使其检测、换件等维护操作简单方便，尽可能做到维护任一部分时，不拆卸或少拆卸，少移动其他部分，以降低工作量。轮毂中变桨电机，减速机的空间布置，是对散热方面的考虑，也是对维护操作可达性的考量。此处设计时，按照维护时人员所处的位置、姿势与使用工具的状况，提供适当的操作空间，使维护人员有个比较合理的姿势，避免易导致疲劳或受伤的姿势进行操作。在传动机构、轮毂或风轮叶片上进行维护工作时，要严格保证人员及设备的安全，因此，在设计时分别配备了风轮止动装置、叶片止动装置，防止转动，大大曾加了可维护的安全性。

塔筒/基础等部位在运行维护时要检查焊接部位、螺栓连接状态、表面涂层等，因此设计时应在塔筒关键节点设立平台、扶手、照明灯等设施，保证维护的可达性。

针对机舱顶部风速风向仪的维护，由于现场人员需爬至机舱外，风机在高空振动较大。因此应将机舱罩顶部表面设计成防滑结构，防止维护人员摔倒。

4.7 对风机的元件、耗材进行量化评价设计保证维护精度

风机的可维护性包括对元件、耗材的品质检验，应当具备量化的评估手段。风机在设计时应充分考虑维护人员上述要求，对于发电机冷却、变流器冷却及齿轮箱冷却系统的水/防冻剂合剂浓度、PH值；冷却液含量成分比例，均做了量化定义，使得维护人员可以根据维护规定的要求及时进行更换补充，保证了冷却液的成分精确度。

设计时对风机主要部分连接螺栓扭矩值进行了详细规定，客户在维护时即可依据对应的扭矩值使用扭矩扳手进行紧固，保证了连接的强度可靠性。

5 结论

通过上述多种措施，实现了风机的可维护性设计理念，使传统设计思想得到了完善和补充。在设计时不仅要考虑产品的功能性实现，而且对于后期现场人员进行维护的可达性、方便性也进行系统的研究。改进检测手段，以降低系统误报率，减少停机频次；空间布局设计合理，人员维修方便；部件通用性强，维护时可以携带更少的工具、材料，减少工作量；装配结构可靠简单，易损件便于观察，提高更换部件的效率。在设计理念中融入可维护性设计思想，减轻和减少维护的需求，从而降低维护成本，给客户带来良好的经济效益。风力发电机的可维护性设计对于提高产品竞争力具有十分重要的意义。

参考文献

[1]姚兴佳.王士荣.董丽萍.风力发电机的选型、使用和维护[J].可再生能源 2006.5(129)：99-102.

[2]全国风力机械标准化技术委员会.GB/T 19960.1-2005 风力发电机组 第1部分：通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2005.

9.风力发电的研究 篇九

《新能源发电》课 程 设 计

题目：风力发电技术

学习中心：河南许昌奥鹏学习中心【14】层次：专升本

专业：电气工程及其自动化

年级：2011年秋 季

学号：20110804076

3学生：陈懿凡

辅导教师：康永红

完成日期：2013 年08月30日

一、风力发电的现状

能源、环境问题是当今人类生存和发展所面临的关键问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，不仅资源有限，而且会造成严重的环境污染。因此，对可再生能源的开发与利用，已受到世界各国的高度重视。“开发与利用可再生能源，改善能源结构，减排温室气体，保护环境”已成为世界共识。一场世界性的开发与利用新能源的浪潮已经到来。新能源与可再生能源包括水能、太阳能、风能、地热能和海洋能等，它们在消耗之后还可以得到恢复和补充，不会污染环境。其中，人类对风能的利用已有上千年的历史。地球上可利用的风能为106MW，是可利用的水能的10 倍以上。在可再生能源中，风能是一种非常可观的、有前途的能源。风力发电（简称风电）作为一种绿色电力，受到人们广泛的关注。它具有资源蕴藏量巨大、可再生、无污染、占地少、周期短等优点，但是风电也存在着风能利用率低以及具有随机性、不稳定和分布不均匀性等缺陷。

1.国外风力发电发展现状

2012 年新增风电装机容量最多的10 个国家占世界风电装机的87%。与2007 年相比，美国保持第1 名，中国超过西班牙从第3 名上升到第2 名，印度超过德国和西班牙从第5名升至第3 名，前3 名的国家合计新增装机容量占全世界的60%。

根据世界风能协会的统计，2012 年全世界风电装机容量新增约2726 万kW，增长率约为29%。累计达到1.21 亿kW，增长率为42%，突破1 亿kW 大关。风电总量为2600 亿kWh，占全世界总电量的比例从2000 年的0.25%增加到2012 年的1.5%。

尽管风电的发展仍然存在着很多困难，如电网适应能力、风能资源、海上风电发展等，但相比于常规能源，经济性优势逐步凸显，世界各国都对风电发展充满了信心。例如，欧美都公布了2030 年风电满足20%甚至更多电力需求的宏大目标，这也为全球风电的长期发展定下了基调。从国际能源署（IEA）2012 年颁布的《2050 年能源技术情景》判断，2012-2050年，全球风电平均每年增加7000 万千瓦，风电将成为一个庞大的新兴电力市场。

2.国内风力发电发展现状

我国是世界上风力资源占有率最高的国家之一，同时也是世界上最早利用风能的国家之一。据资料统计，我国10 m 高度层风能资源总量为3226GW，其

中陆上可开采风能总量为253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源约为1000GW。如果风力资源开发率可达到60%，仅风电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风电起步较晚，和世界上风电发达国家如德国、美国、西班牙等相比还有很大差距。风电是20 世纪80 年代开始迅速发展起来的，初期研制的风机主要是1kW、10kW、55kW、220kW 等小型风电机组，后期开始研发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛应用。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了多个大型风电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW 级风电场。

截止2007 年底，我国风机装机总量已达6.05 GW，年发电量占全国发电量的0.8%左右，比2000 年风电发电量增加近10 倍。2012 年一年新增风电装机容量625 万千瓦，比过去20年累计的总量还多，新增装机增长率约为89%。累计风电装机容量约1215 万千瓦，占全国装机总量的1.5%，累计装机增长率为106%。风电装机主要分布在24 个省，比2007 年增加了重庆、云南和江西三个省。2006 至2012 年风电增长状况。

中国政府为了推动并网风电的商业化发展，国家发改委明确提出我国风电发展的规划目标：2005 年全国风电装机总量达到100 万千瓦，2012 年全国风电装机总量达到400 万千瓦，2015 年全国风电装机总量达到1000 万千瓦，2020 年全国风电装机总量达到2000 万千瓦，占全国总装机容量的2%左右。可以预计，中国即将成为世界风电发展令人瞩目的国家之一。

二、风力发电机的优缺点

要比较风力发电机的优缺点首先要对其类型进行了解。由于风力发电机类型的不同。不同风电机组的工作原理、数学模型都不相同，因此分析方法也有所差异。目前国内风电机组的主要机型有3种，每种机型都有其特点。

1.异步风力发电机

国内已运行风电场大部分机组是异步风电发电机。主要特点是结构简单、运行可靠、价格便宜。这种发电机组为定速恒频机沮，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而发电能力比新型机组低。同时运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求，多采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量的电容器。

由于风速大小随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能经常在额定风速下运行，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。这种双速异步发电机可以改变极对数，有大、小电机2种运行方式。

2.双馈异步风力发电机

国内还有一些风电场选用双馈异步风力发电机，大多来源于国外，价格较贵。这种机型称为变速恒频发电系统，其风力机可以变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化,获得高的利用效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数在一定范围内的调节，例如功率因数从领先0.95调节到滞后0.95范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。

3.直驱式交流永磁同步发电机

大型风力发电机组在实际运行中，齿轮箱是故障较高的部件。采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组的可靠性，降低故障率，提高风电机组的寿命。目前国内有风电场使用了直驱式交流永磁同步发电机，运行时全部功率经A-D-A变换，接入电力系统并网运行。与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。

三、风力发电的控制技术

风力发电机组控制系统是风力发电机的核心系统，因此研究控制技术具有重要的现实意义，可靠保证了风力发电机组的经济、安全并网运行。下面对风力发电机组控制技术及相关软件改进进行系统地阐述。

风力发电机组控制系统由本体系统和电控（总体控制）系统组成，本体系统包括空气动力学系统、发电机系统、变流系统及其附属结构；电控系统由不同的模块构成，主模块包括变桨控制、偏航控制、变流控制等，辅助模块则包括通讯、监控、健康管理控制等。而且，在本体系统与电控系统间实现系统的联系及信号的变换。例如，空气动力系统的桨距由变桨控制系统控制，保证了风能转化的最大化，功率输出的稳定等作用。风轮的自动对风及连续跟踪风向引起电缆缠绕的自动解缆受偏航控制系统控制，分为主、被动迎风两种模式，目前大型并网风电系统多采用主动偏航模式。变流控制常和变桨距系统结合，对变速恒频的运行及最大额定功率进行控制。

根据风电机组不同的分类标准，可将机组控制系统分为不同种类。目前风力发电的主流机型主要是依据桨距特性，发电机类型等分类，通过技术不断改

进，控制系统由最先的定桨距恒速恒频控制到变桨距恒速恒频控制,随之发展为变桨距变速恒频控制。此外，据连接电网类型可将风电控制系统分为离网型和并网型，前者已步入大规模稳定发展阶段。后者则成为现阶段控制系统的主要发展方向。

风电机组控制系统软件设计

整个风力发电机组控制系统需要一种完善的系统软件配置以实现发电机正常运行。目前，控制系统软件的模块化、参数化、功能化逐渐实现软件的兼容性与继承性。

1.模块化

控制系统整个软件是许多硬件的整合，我们可以讲每一个硬件子系统座位独立的模块，子系统与PLC之间的数据交互即为模块的输入输出，这种模块化的形式通过固化被选择性的调用执行程序，从而实现程序的兼容性，并做到小范围的软件修改和工作量的最小化。

2.参数化

参数设置是对软件灵活性的优化。对于多配置整合的程序，我们将软件开关作为一种参数，完成配置间切换，来决定程序模块是否正常执行。包括动作事件参数、故障参数、控制参数等，对不同属性结构体的形式进行设置，执行程序时只需读入相应参数即可。

3.功能化

软件功能化包括协议解析功能化、故障判断功能化及控制功能化。协议解析功能化即依据特定的子系统定义不同的功能块，当调用特定的配置参数时，可以执行相应的功能块程序，完成功能块内部的所有数据库的处理。故障判断涉及对所有控制监测的判断，应用功能块可简化并统一故障的判断。将软件中大量的逻辑控制（如水冷的风扇控制，变桨控制等）整合到功能块中，制定全面的输入输出接口，既完成现有控制功能，又增加了其拓展功能。因此功能模块化使得程序执行逻辑性与可读性均有所提高。

四、风力发电的展望

作为一种自然资源，风电正受到发展中国家的重视。中国西部、印度北部、巴西西北部、拉丁美洲的安第斯山脉和北非，都是风能资源丰富的地区。在我国西部地区，如新疆、内蒙古、西藏、青海、甘肃等地，由于地理位置特殊，又缺少水源，风力发电就成为能源发展的首选项目。目前，我国在新疆、内蒙

古、河北等地，均已建成大规模的风力发电站。

目前，我国已形成年产30万台100瓦至5000瓦独立运行小型风力发电机组的能力。在内蒙古，已有60万居住在偏远地区的牧民用风力发电解决了生活、生产用电，每套小型风力发电机（含蓄电池）价格在2000元左右。风力发电可用来照明、看电视、提井水饮牲畜、分离牛奶、剪羊毛等，极大地提高了劳动生产率。

由于风向变幻不定，风力大小无常，这些问题也给大规模开发利用风能带来了不少困难。

人们依靠先进的科学技术制造的新型风轮发电机，能够随着风向的变化和风力的大小随意轻快地旋转，在风速较大或较小的情况下都能正常工作。它的运行和控制完全实现了自动化，通过几百个传感器及时收集风速、风力、风向等信息，再经电脑处理、调整，使风轮机得以在最佳的状态下运行。

随着风轮机的大型化和高效化，风力发电的成本也在不断下降。目前，风电价格已经可以与石油、煤、天然气发电和核电的价格相竞争，进而还将能与水电价格一比高低。此外，国家在税收等方面也给予风电适当的照顾和优惠，使风电上网电价不断下降。

国家电力公司已将风电作为我国电力工业的重要组成部分，并制定了发展规划。2000年，全国风力发电装机容量将达到40万千瓦。

10.风力发电的发展建议 篇十

第二，在税收方面给予风力发电企业比火力发电企业更优惠的增值税率，比照小水电站增值税税率6%征收。建议参照国家对高科技企业的所得税率政策，风力发电企业自盈利起两年免交所得税、三年减半征收。

第三，以国家政策性银行和国有商业银行为主，将风力发电列入最优先支持的项目，给予中长期贷款和优惠的利率。

第四，对于已充分证明拥有优质风资源的公司，特别是已初步实现了赢利的公司，应优先安排在资本市场进行融资，豁免“连续三年赢利”的要求，以利于风电企业更快地进入良性发展阶段。

11.风力发电机组的智能控制设计 篇十一

传统的变速控制模式需要首先建立一个有效的系统模型, 而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性, 系统模型的确定不是件容易的事情。从已列出的那些可能影响风力发电机组性能的误差源和不确定性因素中, 研究人员发现, 由于雷诺数的变化会引起在功率上5%的误差, 而由于叶片上的沉积物和下雨可造成20%的功率变化, 其他诸如老化和大气条件等因素, 也将在机组的能量转换过程中引起不同程度的变化。因此所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。由于这些原因, 基于模糊逻辑的智能控制技术于最近几年被引入了风力发电机组控制领域并受到研究人员的重视。

1 模糊逻辑控制

模糊逻辑控制是一种新颖的控制策略, 与经典的控制策略相比, 模糊控制的优势在于模糊逻辑控制器无需数学模型即可由控制器执行其功能。不论是在非线性还是多变量系统中, 特别是当系统数学模型未知或不确定时, 都能产生令人满意的效果。模糊逻辑控制器框图如图1所示。

模糊逻辑控制策略分5个步骤来实现:

1) 输人控制变量 (文字控制变量) ;

2) 通过适当的模糊从属函数将文字控制变量模糊化;

3) 通过基于规则的判定矩阵决定控制策略 (试探规则) ;

4) 通过设置模糊的集合形式将输出的控制变量非模糊化;

5) 反馈输出信号, 通过适当的调节器来控制风力发电机组运行。

模糊逻辑控制器的参数

简化的模糊逻辑控制器包括4个主要部分:

1) 输入接口;

2) 判定规则矩阵;

3) 推理引擎;

4) 输出接口。

⑴控制变量。模糊逻辑控制器用非线性图形来描述从输入变量到输出变量的过程。控制器根据测量值来确定风力发电机组运行条件, 并根据判定规则矩阵选择适当的动作。根据系统状态, 控制器在‘‘不动作”和“全动作”的范围内, 以极度非线性的方式抑制波动。控制器并不含动态部件, 因此, 它在理论上可以即时根据判定规则矩阵进行校正控制。

⑵从属函数。如果x为一个目标集合, 则模糊集合A在x中是一组顺序数对A={ (x, μA (x) ) , x在X中且μA (x) 为从x到[0, 1]区间的映射}, 式中, μA (x) 被称作是A中x的模糊从属函数。定义模糊从属函数时, 代表模糊逻辑控制器文字变量的输入控制变量, 必须分成几个部分。为给每一文字变量挑选属性号, 必须考虑到模糊逻辑控制器将根据4个输入变量和它们的时间导数来决定系统特性趋势。当4个输入变量维持在平衡点或在预先确定的范围之内时, 可以通过适当的从属函数来设计模糊逻辑控制器。为了满足良好的设计要求, 我们为输入文字变量、它们的导数和模糊修正定义了5个模糊集合。

⑶判定规则矩阵。一般说来, 可以为每一个输入变量定义共5×5=25个规则。但是, 模糊逻辑控制器的应用经验说明, 往往只需利用其中的几个规则, 系统性能就可以得到很好的控制。判定规则以IF (A) AND (B) THEN (c) 的形式进行公式化, 其中, A、B是两个前提, 而c是结果。

⑷输出控制变量。模糊输出控制变量的确定实际上是一个非模糊化过程, 将模糊修正集合转化为输入控制变量预定义运行范围内的真实值。

2 模糊转速控制器的设计

2.1 模糊逻辑控制器设计

为了取得在额定风速以下运行时的最大功率。在风力发电机组的变速恒频运行中, 采用了3个模糊控制器:模糊控制器A用于跟踪不同风速下发电机的最佳转速从而优化风力机的气动性能;模糊控制器B在低负载时调节发电机转子气隙磁通, 从而优化发电机的效率;模糊控制器C抵抗干扰, 保证转速控制系统的鲁棒性。

2.2 仿真与模拟研究

根据上述控制方案, 用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真研究。MAT[AB/SIMULINK的Power system元件库内有很多包括发电机存内的电气器件模型, 但没有风力机模型。根据风力机特性和参数, 可以建立风力机的模型。

由于模糊隶属函数与模糊控制规则的建立包含很多经验因素, 初步的选择可能并不能达到比较好的效果, 因此在仿真过程中可以根据仿真结果对它们进行修改, 以达到理想的结果。

采用模糊控制技术的优点是明显的, 在它进行实时搜索的过程中不需要风速信号, 而且也不在乎系统参数的变化, 对于噪声和扰动于扰的也不敏感。对于风力发电机组这样的非线性时变系统是一种理想的控制方案。

2.3 模拟研究

为了评估模糊逻辑控制器的性能, 将上述控制器用于实际运行的风力发电机组。

分析模拟结果可以看出, 模糊逻辑控制器表现了良好的动态特性。控制策略的主要目标是设计一种对运行条件变化不太敏感的控制方案, 而使用模糊控制, 无论是在低速、常速还是高速条件下, 都可以观测到同样的动态特性。特别是在较高风况下, 模糊逻辑控制器可以有效抑制系统的扰动, 兼顾最大功率系数和良好的发电质量。

3 采用智能控制的风力发电机组模型

系统由一水平轴、可变桨距风轮, 通过增速器与同步发电机连接构成。发电机与电网连接采用交-直-交变流器。在这个设计中采用了两个控制环:

(1) 内部励磁环, 低于额定风速时它通过发电机励磁电流控制电压和转矩。

(2) 外部风轮环, 在风速高于额定风速时控制最大功率。

风力发电机组从控制系统角度来看可分为3个子系统:风轮气动特性、传动系统动态特性和发电机整流器模型。

3.1 风轮气动特性

在系统中, 我们假定可变距的桨叶是刚性的。这样气动特性可以用一个以平均风速为输入量的简化模型来表达。

风轮吸收的功率为

当风速超过额定风速时, 应调节桨距角p来限制输入功率。桨叶角度由一个机电调节器控制, 该调节器的一阶模型由下式表示:式中τβ——调节器的时间常数;βτ——节距角参考输人。

系统的输入量为风速ν、桨叶节距角β和风轮转速ω, 输出量娃风轮转矩Tr。

3.2 传动系统动态特性

根据风轮气动特性产生的转矩Tr, 作用于带有惯性矩Jr的风轮上。风轮通过增速比为n的增速器连接到带有惯性矩Jg的发电机上, 发电机将产生——反转矩Te。

3.3 发电机——整流器模型

系统中发电机采用三相同步发电机, 有一励磁绕组和二个阻尼绕组。整流器是一三相晶闸管整流桥, 它将同步发电机产生的恒压变频的交流电转换为直流电。传输线路上有电阻尺和电感, 在直流传输线路上有电阻和电感。假设逆变器是理想的, 这样整流器的输出直流电功率全部被转化为高质量的三相交流电功率。由于这一假设不需要逆变器模拟。

摘要：本文将针对目前风力发电机组中广泛采用的两种发电机, 即绕线转子双馈异步发电机和交流永磁同步发电机, 介绍基于模糊逻辑智能控制方案。

关键词：风力发电控制系统,智能控制

参考文献

[1]余波, 张礼达, 王辉.水轮机故障诊断专家系统的一种模糊诊断方法[J].水力发电, 2002, (4) :38~39.

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[4]李士勇.工程模糊数学及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业出版社, 2004.

[5]吴泉源, 刘江宁.人工智能与专家系统[M].长沙:国防科技大学出版社, 1995.

12.风力发电机组并网技术 篇十二

20世纪90年代，L.Xu, Bhowink, Machromoum, R.Pena等学者对双馈电机在变速恒频风力发电系统中的应用进行了理论、仿真分析和试验研究，为双馈电机在风力发电系统中的应用打下了理论基础。同时，电力电子技术和计算机技术的高速发展，使得采用电力电子元件(IGBT等)和脉宽调制(PWM)控制的变流技术在双馈电机控制系统中得到了应用，这大大促进了双馈电机控制技术在风电系统中的应用。八十年代以后，功率半导体器件发展的主要方向是高频化、大功率、低损耗和良好的可控性，并在交流调速领域内得到广泛应用，使其控制性能可以和直流电机媲美。九十年代微机控制技术的发展，加速了双馈电机在工业领域的应用步伐。近十年来是双馈电机最重要的发展阶段，变速恒频双馈风力发电机组已由基本控制技术向优化控制策略方向发展。其励磁控制系统所用变流装置主要有交交变流器和交直交变流器两种结构形式:(1)交交变流器的特点是容量大，但是输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量较多。(2)采用全控电力电子器件的交直交变流器可以有效克服交交变流器的缺点，而且易于控制策略的实现和功率双向流动，非常适用于变速恒频双馈风力发电系统的励磁控制。

为了改善发电系统的性能，国内外学者对变速恒频双馈发电机组的励磁控制策略进行了较深入的研究，主要为基于各种定向方式的矢量控制策略和直接转矩控制策略。我国科研机构从上世纪九十年代开始了对变速恒频双馈风力发电系统控制技术的研究，但大多数研究还仅限于实验室，只有部分研究成果在中，在小型风力发电机的励磁控制系统中得到应用。因此，加快双馈机组的励磁控制技术的研究进度对提高我国风电机组自主化进程具有重要意义。

除了上面提到的双馈风力发电系统励磁控制技术研究以外，变速恒频双馈风力发电系统还有许多研究热点包括:

(I)风力发电系统的软并网软解列研究

软并网和软解列是目前风力发电系统的一个重要部分。一般的，当电网容量比发电机的容量大得多的时候，可以不考虑发电机并网的冲击电流，鉴于目前并网运行的发电机组已经发展到兆瓦级水平，所以必须要限制发电机在并网和解列时候的冲击电流，做到对电网无冲击或者冲击最小。

(2)无速度传感器技术在双馈异步风力发电系统应用的研究

近年，双馈电机的无位置以及无速度传感器控制成了风力发电领域的一个重要研究方向，在双馈异步风力发电系统中需要知道电机转速以及位置信息，但是速度以及位置传感器的采用提高了成本并且带来了一些不便。理论上可以通过电机的电压和电流实时计算出电机的转速，从而实现无速度传感器控制。如果采用无传感器控就可以使发电机和逆变器之间连线消除，降低了系统成本，增强了控制系统的抗干扰性和可靠性。

(3)电网故障状态下风力发电系统不间断运行等方面

并网型双馈风力发电机系统的定子绕组连接电网上，在运行过程中，各种原因引起的电网电压波动、跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。电网发生突然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或热损坏，所以三相电网电压突然跌落时的系统持续运行控制策略的研究是目前研究焦点问题之一。

此外，双馈风力发电系统的频率稳定以及无功极限方面也是目前研究的热点。

在大型风力发电系统运行过程中，经常需要把风力发电机组接入电力系统并列运行。发电机并网是风力发电系统正常运行的“起点”，也是整个风力发电系统能够良好运行的前提。其主要要求是限制发电机在并网时的瞬变电流，避免对电网造成过大的冲击，并网过程是否平稳直接关系到含风电电网的稳定性和发电机的安全性。当电网的容量比发电机的容量大的多(大于25倍)的时候，发电机并网时的冲击电流可以不考虑。但风力发电机组的单机容量越来越大，目前己经发展到兆瓦级水平，机组并网对电网的冲击已经不能忽视。比较严重的后果不但会引起电网电压的大幅下降，而且还会对发电机组各部件造成损害;而且，长时间的并网冲击，甚至还会造成电力系统的解列以及威胁其它发电机组的正常运行。

因此必须通过合适的发电机并网方式来抑制并网冲击电流。

目前，实现发电机并网的方式主要有两种，一种被称为准同期方式，另一种被称为自同期方式。准同期方式是将已经励磁的发电机在达到同期条件后并入电网;自同期方式则是将没有被励磁的发电机在达到额定转速时并入电网，随即给发电机加上励磁，接着转子被拉入同步。自同期方式由于当发电机合闸时，冲击电流较大，母线电压跌落较多而很少采用。因此，现在发电机的主要并网方式为准同期方式，它能控制发电机快速满足准同期条件，从而实现准确、安全并网。

异步风力发电机组并网

异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，其输出的功率与转速近乎成线性关系，因此对机组的调速要求不像同步发电机那么严格精确，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时就可并网。但异步发电机的并网也存在一些问题。例如直接并网时会产生过大的冲击电流(约为异步发电机额定电流的4～7倍)，并使电网电压瞬时下降。随着风力发电机组电机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全以及对电网的影响也愈加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中自动开关断开;而电网电压的较大幅度下降；则可能会使低压保护动作，从而导致异步发电机根本不能并网。另外，异步发电机还存在着本身不能输出无功功率、需要无功补偿、过高的系统电压会造成发电机磁路饱和等问题。

目前，国内外采用异步发电机的风力发电机组并网方式主要有以下几种。

(1)直接并网方式

这种并网方法要求并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速(90%一100%)时即可完成自动并网，见图(2-6)所示，自动并网的信号由测速装置给出，然后通过自动空气开关合闸完成并网过程。这种并网方式比同步发电机的准同步并网简单，但并网瞬间存在三相短路现象，并网冲击电流达到4～5倍额定电流，会引起电力系统电压的瞬时下降。这种并网方式只适合用于发电机组容量较小或与大电网相并的场合。

(2)准同期并网方式

与同步发电机准同步并网方式相同，在转速接近同步转速时，先用电容励磁，建立额定电压，然后对已励磁建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机的电压、频率、相位与系统一致时，将发电机投入电网运行，见图(2-7)所示。采用这种方式，若按传统的步骤经整步到同步并网，则仍须要高精度的调速器和整步、同期设备，不仅要增加机组的造价，而且从整步达到准同步并网所花费的时间很长，这是我们所不希望的。该并网方式合闸瞬间尽管冲击电流很小，但必须控制在最大允许的转矩范围内运行，以免造成网上飞车。

(3)降压并网方式

降压并网是在异步发电机和电网之间串接电阻或电抗器或者接入自祸变压器，以便达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机进入稳态运行后必须将其迅速切除。显然这种并网方法的经济性较差。

(4)晶闸管软并网方式

这种并网方式是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，来对发电机的输入电压进行调节。双向晶闸管的两端与并网自动开关K2的动合触头并联，如图2-9所示。

接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。图(2-9)示出软并网装置的原理。通过采集US和IS的幅值和相位，对晶闸管的导通角进行控制。具体的并网过程是:当风力发电机组接收到由控制系统微处理机发出的启动命令后，先检查发电机的相序与电网的相序是否一致，若相序正确，则发出松闸命令，风力发电机组开始启动；当发电机转速接近同步转速时(约为99 %-100%同步转速)，双向晶闸管的控制角同时由180度到0度逐渐同步打开，与此同时，双向晶闸管的导通角则同时由0度到180度逐渐增大，此时并网自动开关K2未动作，动合触点未闭合，异步发电机即通过晶闸管平稳地并入电网，随着发电机转速的继续升高，电机的转差率趋于零，当转差率为零时，双向晶闸管已全部导通，并网自动开关K2动作，短接双向晶闸管，异步发电机的输出电流将不再经双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关K2流入电网。在发电机并网后，应立即在发电机端并入补偿电容，将发电机的功率因数(cos }p)提高到0.95以上。由于风速变化的随机性，在达到额定功率前，发电机的输出功率大小是随机变化的，因此对补偿电容的投入与切除也需要进行控制，一般是在控制系统中设有几组容量不同的补偿电容，根据输出无功功率的变化，控制补偿电容的分段投入或切除。这种并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，来连续调节加在负载上的电压波形，进而改变负载电压的有效值。目前，采用晶闸管软切入装置((SOFT CUT-IN)已成为大型异步风力发电机组中不可缺少的组成部分，用于限制发电机并网以及大小电机切换时的瞬态冲击电流，以免对电网造成过大的冲击。

晶闸管软并网技术虽然是目前一种较为先进的并网方法，但它也对晶闸管器件以及与之相关的晶闸管触发电路提出了严格的要求，即晶闸管器件的特性要一致、稳定以及触发电路可靠，只有发电机主回路中的每相的双向晶闸管特性一致，并且控制极触发电压、触发电流一致，全开通后压降相同，才能保证可控硅导通角在0度到180度范围内同步逐渐增大，才能保证发电机三相电流平衡，否则会对发电机

不利。

适合交流励磁双馈风力发电机组的并网技术

目前，适合交流励磁双馈风力发电机组的并网方式主要是基于定子磁链定向矢量控制的准同期并网控制技术，包括空载并网方式，独立负载并网方式，以及孤岛并网方式。另外，对于垂直轴型的双馈机组，由于不能自动起动，所以必须采用“电动式”并网方式。下面对各种并网方式的实现原理分别给予了简要介绍。

(1)空载并网技术

所谓空载并网就是并网前双馈发电机空载，定子电流为零，提取电网的电压信息(幅值、频率、相位)作为依据提供给双馈发电机的控制系统，通过引入定子磁链定向技术对发电机的输出电压进行调节，使建立的双馈发电机定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值一致。当满足并网条件时进行并网操作，并网成功后控制策略从并网控制切换到发电控制。如图(2-10)所示。

（2)独立负载并网技术

独立负载并网技术的基本思路为:并网前双馈电机带负载运行(如电阻性负载)，根据电网信息和定子电压、电流对双馈电机和负载的值进行控制，在满足并网条件时进行并网。独立负载并网方式的特点是并网前双馈电机已经带有独立负载，定子有电流，因此并网控制所需要的信息不仅取自于电网侧，同时还取自于双馈电机定子侧。

负载并网方式发电机具有一定的能量调节作用，可与风力机配合实现转速的控制，降低了对风力机调速能力的要求，但控制较为复杂。

(3)孤岛并网方式

孤岛并网控制方案可分为3个阶段。第一阶段为励磁阶段，见图(2-12)所示，从电网侧引入一路预充电回路接交—直—交变流器的直流侧。预充电回路由开关K1、预充电变压器和直流充电器构成。

当风机转速达到一定转速要求后，K1闭合，直流充电器通过预充电变压器给交—直—交变流器的直流侧充电。充电结束后，电机侧变流器开始工作，供给双馈电机转子侧励磁电流。此时，控制双馈电机定子侧电压逐渐上升，直至输出电压达到额定值，励磁阶段结束。

第二阶段为孤岛运行阶段。首先将Kl

断开，然后启动网侧变流器，使之开始升压运行，将直流侧

升压到所需值。此时，能量在网侧变流器，电机侧变流器以及双馈电机之间流动，它们共同组成一个孤岛运行方式。

第三阶段为并网阶段。在孤岛运行阶段，定子侧电压的幅值、频率和相位都与电网侧相同。此时闭合开关K2，电机与电网之间可以实现无冲击并网。并网后，可通过调节风机的桨距角来增加风力机输入能量，从而达到发电的目的。

(4)“由动式”并网方式

前面介绍的几种并网方式都是针对具有自起动能力的水平轴双馈风力发电机组的准同期并网方式，对于垂直轴型的双馈机组(又称达里厄型风力机)由于不具备自启动能力，风力发电机组在静止状态下的起动可由双馈电机运行于电动机工况来实现。

如图(2-13)所示，为实现系统起动在转子绕组与转子侧变频器之间安装一个单刀双掷开关K3，在进行并网操作时，首先操作K3将双馈发电机转子经电阻短路，然后闭合K1连接电网与定子绕组。在电网电压作用下双馈电机将以感应电动机转子串电阻方式逐渐起动。通过调节转子串电阻的大小，可以提高起动转矩减小起动电流，从而缓解机组起动过程的暂态冲击。当双馈感应发电机转速逐渐上升并接近同步转速时，转子电流将下降到零。在此条件下，操作K3断开串联电阻后将转子绕组与转子侧变频器相连接，同时触发转子侧变频器投入励磁。最后在成功投入励磁后，调节励磁使双馈发电机迅速进入定子功率或转速控制状态，完成机组起动过程。

这种并网方式实现方法简单，通过适当的顺序控制就能够实现不具备自起动能力的双馈发电机组的起动与并网的需要，如果电机转子侧安装有“CrowBarProtection”保护装置，则通过控制器投切“CrowBar Protection”就可以实现系统的起动与准同期并网。

空载并网方式并网前发电机不带负载，不参与能量和转速的控制，所以为了防止在并网前发电机的能量失衡而引起的转速失控，应由原动机来控制发电机组的转速。独立负载并网方式并网前接有负载，发电机参与原动机的能量控制，表现在一方面改变发电机的负载，调节发电机的能量输出，另一方面在负载一定的情况下，改变发电机转速的同时，改变能量在电机内部的分配关系。前一种作用实现了发电机能量的粗调，后一种实现了发电机能量的细调。可以看出，空载并网方式需要原动机具有足够的调速能力，对原动机的要求较高;独立负载并网方式，发电机具有一定的能量调节作用，可与原动机配合实现转速的控制，降低了对原动机调速能力的要求，但控制复杂，需要进行电压补偿和检测更多的电压、电流量。孤岛并网方式是一种近年来才提出的比较新颖的一种并网方式，在并网前形成能量回路，转子变换器的能量输入由定子提供，降低了并网时的能量损耗。

其中空载并网方式由于具有控制策略简单，控制效果好，而在实际机组中广泛采用，而负载并网方式、孤岛并网方式以及“电动式”并网方式由于存在控制系统较为复杂，系统稳定性差等缺点目前仍然停留在理论探索阶段。

双馈发电机并网控制与功率控制的切换

双馈风力发电系统并网控制的目的是对发电机的输出电压进行调节，使建立的DFIG的定子空载电压与电网电压的幅值、频率、和相位保持一致，当满足并网条件时进行并网操作，并网成功后进行最大风能追踪控制

.并网成功后一方面变桨距系统将桨叶节距角置于0以获得最佳风能利用系数，与此同时转子励磁系统开始进行最大功率点跟踪(Maximum Power pointTracking,MPPT)控制，以捕获最大风能。并网切换前后控制策略有较大差异，如果直接切换，则控制系统重新从零开始调节，必然引起转子电压的突变，从而造成并网瞬间系统产生振荡，这种振荡可能短时间内使系统输出有很大的偏差，致使控制量超过系统可能的最大允许范围，容易造成发电机损坏，而这在实际的并网过程中是十分不利的。为此，要达到发电机顺利、安全并网的目的还必须实现控制策略的无扰切换，使转子输出电压平稳的过渡到新的稳定状态。

双馈发电机的解列控制

13.风力发电叶片制作工艺介绍 篇十三

风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。1碳纤维在风力发电机叶片中的应用

叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。

1）提高叶片刚度，减轻叶片质量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。VestaWindSystem公司的V90型3.0MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。

2）提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。

3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

4）可制造低风速叶片

碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

5）可制造自适应叶片

叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国SandiaNationalLaboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kWh)，价格可和燃料发电相比。

6）利用导电性能避免雷击

利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

7）降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂的规模和运输设备。

8）具有振动阻尼特性

碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性。

2叶片制造工艺及流程 2.1三维编织体/VARTM技术

2.1.1材料选择

目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。对同一种基体树脂，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，从而对玻璃纤维的拉伸强度和模量也提出了更高的要求。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，大型风机叶片可以采用玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

2.1.2三维编织

增强材料预成型加工方法有:手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、Comp Form法和三维编织技术等。

编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻/碳纤维基布材料，从承载状态上来考虑采用经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。如图1所示：

图

1、经编织物结构图

这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。

除了经编轴向织物外,还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物,如图2所示：

图

2、纬编织物结构图

根据经纬编结构的特性,纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性,因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。

三维编织技术的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低,抗冲击性差,不能用作主受力件。采用三维编织技术不仅能直接编织复杂结构形状的不分层整体编织物,从根本上消除铺层。三维编织复合材料采用了三维编织技术,其纤维增强结构在空间上呈网状分布,可以定制增强体的形状,制成的材料浑然一体,不存在二次加工造成的损伤,因此这种材料不仅具备传统复合材料所具有的高比强度、高比模量等优点,还具有高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点。

按编织工艺分,常见的编织材料可分为四步编织法、二步编织法和多层联锁编织法等3类。其中四步编织法发明最早,应用最广。按编织预制件的横截面形状,三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织和异形编织3大类,其中矩形编织工艺适合编织矩形和板状材料的增强体,而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体,异形编织则用于编织各种特殊形状的增强体。只要织物的结构形状是由矩形组合或是圆或圆的某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。

四步编织法发明之初,所有的纱线都参加编织运动,且全部编织纱都在空间3个方向内发生相对运动,因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。具体编织过程如图3（a）所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交的2个方向依次进行往复运动,一个完整的编织周期中携纱器需要完成4个动作,因此被称为四步法。如图3（b）所示,由于结构中所有纱线在空间中的分布只有4个不同的方向,因此制成的复合材料被称为三维四向编织复合材料。

针对三维编织物的特点,RTM工艺是三维编织复合材料成型的最有效方法。根据三维编织物的形状制成模具,将预成型坯装入模腔,此时同时控制了纤维体积含量和制品形状；预成型坯中纤维束间的空隙为树脂传递提供了通道,而且三维编织体很好的整体性提高了预成型坯耐树脂冲刷的能力。

2.1.3RTM工艺

树脂传递模塑法简称RTM法，是首先在模具型腔中铺放好按性能和结构要求设计的增强材料预成型体,采用注射设备通过较低的成型压力将专用低粘度树脂体系注入闭合式型腔,由排气系统保证树脂流动顺畅,排出型腔内的全部气体和彻底浸润纤维,由模具的加热系统使树脂等加热固化而成型为FRP构件。RTM工艺属于半机械化的FRP成型工艺,特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片,无需二次粘接。与手糊工艺相比,这种工艺具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。同时由于采用低粘度树脂浸润纤维以及加温固化工艺,复合材料质量高,且RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖于预先确定好的工艺参数,产品质量易于保证,废品率低，工艺流程如图4所示。

注胶压力的选择一直是RTM成型工艺中一个有争议的问题。低压注胶可促进树脂对纤维表面的浸润;高压注胶可排出残余空气,缩短成型周期,降低成本。加大注胶压力可提高充模速度和纤维渗透率。所以有人赞成在树脂传递初期使用低压以使树脂较好地浸润纤维,而当模具型腔中已基本充满树脂时使用较大压力以逐出残余空气。但压力不能太大,否则会引起预成型坯发生移动或变形。

注胶温度取决于树脂体系的活性期和达到最低粘度的温度。在不至于过大缩短树脂凝胶时间的前提下,为了使树脂能够对纤维进行充分的浸润,注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度的温度。温度过高会缩短树脂的活性期，影响树脂的化学性质,进而可能影响到制品的力学性能;温度过低会使树脂粘度增大,压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。注射温度和模具预热温度的选择要结合增强体的特性及模具中的纤维量等综合考虑。

RTM工艺的技术含量高,无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数(如注塑压力、温度、树脂粘度等)的确定与实施,都需要在产品生产之前通过计算机模拟分析和实验验证来确定。

2.1.4VARTM工艺

随着技术的发展，现已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品。真空辅助是在注射树脂的同时,在排气口接真空泵,一边注射一边抽真空,借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注入到结构层中。这样不仅增加了树脂传递压力,排除了模具及树脂中的气泡和水分,更重要的是为树脂在模具型腔中打开了通道,形成了完整通路。另外,无论增强材料是编织的还是非编织的,无论树脂类型及粘度如何,真空辅助都能大大改善模塑过程中纤维的浸润效果。所以,真空辅助RTM(VARTM)工艺能显著减少最终制品中夹杂物和气泡的含量,就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加,从而提高制品的成品率和力学性能。

用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细，表面更大，更难有效浸渍，适用的树脂粘度更低。SP公司的SPRINT工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中，经加热和真空使树脂向外渗透。树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加速树脂的流动。

2.2叶片复合材料结构设计流程

2.2.1常规制备流程

1)制造外壳和主梁外壳由玻璃钢在模具内进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；

2)安置模具，在模具内喷涂胶衣树脂，形成叶片的保护表面； 3)把外壳放入模具中，并铺覆玻璃纤维； 4)安装主梁，起到支撑作用； 5)安装泡沫材料；

6)在泡沫材料上铺覆玻璃纤维； 7)在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜； 8)灌注树脂，并进行高温真空浇注； 9)取下真空膜；

10)用相同方法制成另外一半壳体； 12)安装腹板(腹板为夹层结构)； 13)安装避雷装置等；

14)安置主模具，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，粘合两壳体； 15)加热，使玻璃纤维更硬；

16)叶片脱模，进行最终加工(切割和打磨)。

模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。另外，用同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。2.2.2加入碳纤维改进

随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维复合材料的性能已经达到应用极限，不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中的应用逐年增加。但是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有，如图5所示：

1)横梁，尤其是横梁盖。

2)前后边缘，除了提高刚度和降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤。

3)叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材。