风力发电实验室建设方案
附录2：风力发电实验室建设方案
风力发电实验室建设方案
1、建设项目必须符合的总要求
风力发电实验室是要求建设一个符合风力发电专业和实际风电专业教学要求的风力发电系统，包括具有无级可变风速及可任意连续可变风向的模拟风力源系统（与并网型双馈风力发电机组配套实验）和三组无级可变风速及60度连续可变风向的模拟风力源系统（与小型风力发电机组配套实验）。由一套采用主动偏航齿轮驱动形式的、模拟大型变桨距变速恒频风力异步双馈发电机组、双PWM变流器、电气测控柜和中控台构成的风力发电教学实训系统，以及由三套小型风力发电机和配套仪器仪表所组成的一个符合大、小型风电机组实验技术要求的综合风力发电实验室，以满足学生教学实训要求。同时需要系统地考虑教学实训项目的要求并具一定的特色。所以本建设项目具体实施的投标单位，不仅要吸收目前并网型风力发电设备的新技术，还应紧密结合教学的实际，必须全面满足完成实训项目的要求，模拟风场与变桨距异步双馈发电机组必须符合教学要求的实际原形的物理模拟标准。要能够观察到各种工况的物理过程，获得明确的物理概念，可以探索到现象的本质极其变化的基本规律，在教学实训中可使风力发电实验室的作用和功能得到进一步的拓展，能够进行典型系统的实训，应符合实训教学的可测试性和可操作性。
2、对模拟风场系统结构的基本要求
以风能为动力的发电设备，称为风力发电机组。在实际风电工程中，安装在风电场中的风力发电机组的原动力风能是自然风，风的速度和方向是不断变化的，而功率与风速的立方成正比。因此在实验室的室外模拟风场中必须设计建设一个连续可变风速及可任意连续可变风向的模拟风力源系统。
在室外模拟风场中安装的风力发电机组要求是采用300W小型风力发电组，整个风场用金属网隔离。
在室内安装的并网型风力发电机组要求设计制造成采用主动偏航齿轮驱动形式的、由变桨距风轮机、齿轮箱和异步双馈发电机组等构成风电主机，风速和风向信号取自于室外模拟风场的模拟风力源系统，变桨距调节信号取自于发电机功率。
并网型风力发电机组的原动力采用直流调速电机，直流调速电机的转速与室外模拟风场中测得的风速成正比。
并网型风力发电机组产生的电能，通过电缆经模拟箱式变电站将其电压由0.69KV模拟升至10KV后，是经架空线路或电缆模拟输送到风电场的变电所。3、对并网型风力发电机组的基本要求
并网型风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。要求并网型风力发电机组的在设定的模拟风况和电网条件下能够长期安全运行。
3.1、并网型风力发电机组系统
分为风轮、齿轮箱、发电机、塔筒和基础等几个部分。
经过调研和综合分析，为了符合风力发电专业和实际并网型风电工程的教学要求，本并网型风力发电机组设计制造要求是：采用三叶片（叶片长度根据实验室场地允许条件取）围绕叶片纵向轴线转动的变桨距风轮机，具有主动偏航齿轮驱动功能，采用双馈异步发电机。
底盘上安装除了控制器以外的机组主要部件。
塔架支撑底盘达到1M的高度，筒内安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，塔架结构采用筒形。基础根据实验室的地质情况和塔架筒形结构形式设计。其中心预置与塔架连接的基础部件，保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。
3.2、并网型风力发电机组
由传动系统、偏航系统，液压系统与制动系统、发电机、控制与安全系统等组成。
传动系统：包括主轴、齿轮箱和联轴节。轮毂与主轴固定连接，将风轮的转矩传递给齿轮箱。也可将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体。由于模拟大型风力发电机组，风轮的转速可考虑在0～30r/min范围内,通过齿轮箱增速经高速轴驱动发电机旋转。
偏航系统：偏航系统要求跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。将模拟风向信号经传感器发给控制器，经过与风轮的实际方位进行比较后，发出指令给偏航电动机，驱动小齿轮沿着与塔架顶部固定的大齿圈移动，经过偏航轴承使机舱传动，直到风轮对准模拟风向后停止。
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液压系统：要求为油缸和制动器提供驱动压力。液压系统由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀等组成。油缸主要是用于驱动变桨距风轮的变距机构。
制动系统：本并网型风力发电机组要求设置空气动力制动和机械制动两部分。要求变桨距风轮能处于顺桨位置时模拟利用空气阻力使风轮减速或停机的状态，以便显示空气动力制动原理。要求在齿轮箱的高速输出轴上设置的盘式制动器，进行机械制动。本实训系统在运行时要让机组停机，首先采用模拟空气制动，由原动机减速来模拟风轮减速，再采用机械制动使风轮停转。
发电机：将风轮的机械能转换为电能，本并网型风力发电机组要求采用双馈异步发电机。当模拟风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网，向电网送电。模拟风速继续增加，发电机转速也略为升高，增加输出功率。达到额定模拟风速后，通过风轮叶片的调节，模拟稳定在额定功率不再增加。反之模拟风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后脱开电网。
控制系统：包括控制和监测两部分，控制部分要求有手动控制和自动控制。可在现场根据需要进行手动控制，自动控制要求在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略，保证机组正常安全运行。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制的显示屏上可以查询，也应送到实验室中央控制室的电脑系统。
安全系统：要保证机组在发生非正常情况时立即停机，风轮被制动停止旋转。4、对并网型风力发电机组主要参数的要求
本并网型风力发电机组要求提供一个功率曲线图，横坐标是风速，纵坐标是机组的输出功率。功率曲线主要分为上升和稳定两部分，机组开始向电网输出功率时的模拟风速称为切入风速。随着模拟风速的增大，输出功率上升，输出功率大约与风速的立方成正比，达到额定功率值时的风速称为额定风速。此后模拟风速再增加，由于风轮的调节，功率保持不变。5、对并网型风力发电机组布局和中心位置的要求
投标建设厂家首先论证总体设计任务和技术要求，以现有技术确定机组、布局，确定所设计模拟风力发电机组的几何尺寸、重量和性能等基本特性。
5.1、整机总体布置
整机各部件、各系统、附件和设备等布置要求合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。
6、对并网型风力发电机组风轮总体参数的要求
6.1、风轮叶片数B
由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，本并网型风力机采用三叶片风轮。6.2、风轮直径D
风轮直径应根据实验室场地限制考虑尽量取长（并网机组的风轮叶片长度缩短）。6.3、设计风速
V1风力发电机组的平均毛呢风速和频度，按实际工程型机组的范围进行。6.4、尖速比λ
本并网型风力发电机组采用变桨距的风轮叶片，要求在风轮起动时，变距角要能调节到较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。要求根据风轮设计转速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后再用公式λ=RΩ/V进行尖速比的计算，确定其设计参数。
6.5、其他
塔筒高度建议取1米，风轮中心高度是指风轮中心离安装处地面的高度，风轮中心离地高度应根据风轮机在机架上的布置而定。
7、对并网型风力发电机组动力学特性的要求
要求具有良好的动力学特性，足够的动力稳定性裕度，可接受的风轮及机体振动载荷以及低的水平振动。
本并网型风力发电机组主要应考虑动载荷、振动及动力稳定性等三个方面。7.1动载荷
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本并网型风力发电机组的原动力考虑在模拟风力源系统风能的作用下通过传感系统控制并网型风力发电机组的原动机驱动，原动机要求能模拟作用于风轮叶片上的周期性气动载荷引起的动响应，因此在机构、传动、结合发电方面应尽量实现系统的展示。
7.2振动
本并网型风力发电机组除风轮外，电机、传动系统及其支撑结构等设计都应考虑减轻振动问题。7.3动力稳定性
为了保证并网型风力发电机组在使用中不出现整机动力不稳定性，就要求机组在其整个运行范围内不存在整机动力不稳定区。风力发电机组开车时风轮转速总是从零开始加速，因而这个工作转速范围也就是从零一直到最大转速。此外，为了保证一定的安全裕度，要求整机动力不稳定区的下边界不低于最大转速的120%。8、对并网型风力发电机组整机可靠性的要求
可靠性是并网型模拟风力发电机组基本质量标志，是风电教学实训质量的重要组成部分。可靠性是来自设计制造和使用维护、设计制造可靠性是影响实训系统可靠性的重要因素，因此要求投标单位必须进行认识的设计和制造。9、对并网型风力发电机组结构设计的要求
并网型模拟风力发电机组的结构设计内容主要包括叶片、轮毂、偏航系统、主轴、主轴承、齿轮箱、刹车系统、液压系统、机舱及塔架的结构设计。
9.1并网型风力发电机组的结构设计基本原则
9.1.1技术性尽可能采用成熟的新技术、新材料、新工艺，保证风力发电机组满足总体设计技术指标。9.1.2经济性综合考虑包括模拟风力发电机组的制造成本、运行及维护成本。
9.1.3可靠性应该科学、合理的综合考虑技术指标、经济性指标，最终满足可靠性指标。9.2并网型风力发电机组结构设计的一般要求
部件设计的主要任务是选择部件的结构形式，布置结构的主要构件、确定构件的尺寸参数等。在这个基础上进行具体的细节设计，绘制出全部的工程图。
9.2.1强度、刚度要求：机舱底盘平台、叶片、塔架等各受力构件及其组合部件必须能承受相应状态载荷的足够强度、刚度。
9.2.2动力学要求：区别于一般机械结构设计的要求，并网型风力发电机组动部件所受载荷是交变载荷，设计时，应考虑质量、刚度分布对构件、整机的固有特性的影响，使得部件、整机的固有频率避开激振力频率，降低动应力水平、提高部件以及整机的寿命和可靠性。
9.2.3工艺性要求：结构的工艺性是指在具体生产条件对所设计的结构能使其在生产过程实现的可能性程度。9.3对结构优化设计的要求
由于建设经费有限，并网型风力发电机组应从各种可能的多个结构设计方面寻求满足设计要求的最好方案，使得结构设计既满足强度、刚度、工艺性要求而又使得结构重量轻、制造成本低。
为了实现这个目的，在优化设计过程中，需要不断改变设计变量，使之按教学实训要求的方面变化，因此，结构优化设计就是一个分析→设计→再分析→再设计的过程。
要形成使总体、结构、工艺设计一体化的设计方法。结构设计不是一个简单的设计过程，要同时考虑大量复杂的条件，以达到结构可靠性要求和优化设计的目的。
建议考虑下述两种设计方法：
一是根据载荷及功能要求进行结构设计；二是根据结构进行载荷校核。
10、对并网型风力发电机组总体布置及动力系统的设计要求
10.1对机组总体布置的要求
风力发电机传动及偏航系统和机舱底盘的结构设计方案中，采用当前最流行的一字型或一字型的改变型。10.2、对轮毂的要求
轮毂是联接叶片与主轴的重要部件，它承受了风力作用在叶片上推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩。风轮轮毂传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去。它是影响风机性能和质量的关键部件。
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并网型模拟风力发电机组轮毂的形状要求采用三通型轮毂或三角形轮毂。轮毂的结构要求采用铸造结构或焊接结构，材料要求采用铸钢或高强度球墨铸铁。
10.3、对主轴的要求
在并网型模拟风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载的作用，并将扭矩传递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给机舱、塔架。
在结构允许的条件下，应将主轴尽量设计的保守一些。主轴的主要结构一般有挑臂梁结构和悬臂梁结构两种，本并网型模拟风力发电机组要求采用三点式支撑的悬臂梁结构主轴，悬臂梁结构主轴上的一个支撑由轴承架支撑；另一支撑由齿轮箱支撑。这种结构的前支点为刚性支撑，后支点（齿轮箱）为弹性支撑，能够吸收突变负载。
10.3.1.主轴的材料选用：由于风力发电机组主轴受力复杂，要求选用优质钢材。
10.3.2.轴静强度的安全系数校核轴的静强度是根据轴的短时最大载荷（包括动载荷和冲击载荷）来计算的。校核的目的是保证轴对塑性变形的抵抗能力。
10.4、对联轴器的要求
在风力发电机组中，常采用刚性联轴器、弹性联轴器（或万向联轴器）两种方式。刚性联轴器常用在对中性好的二轴的联接，而弹性联轴器则可以为二轴对中性较差时提供二轴的联接，更重要的是弹性联接器可以提供一个弹性环节，该环节可以吸收轴系因外部负载的波动而产生的额外能量。
在并网型风力发电机组中要求在低速轴端（主轴与齿轴箱低速轴联接处）选用刚性联轴器，可考虑选用胀套式联轴器、柱销式联轴器等。在高速轴端（发电机与齿轮箱高速轴联接处）要求选用弹性联轴器（或万向联轴器），可考虑选用轮胎联轴器，或十字节联轴器。
10.5、对机械刹车的要求
机械刹车是一种制动式减慢旋转负载的装置，要求制动可靠。
机械刹车根据作用方式可以分为气动液压、电磁、电液、受动等形式。按工作状态制动器可分为常闭式和常开式。常闭式制动器靠弹簧或重力的作用经常处于紧闸状态，而机构运行时，则用人力或松闸器使制动器松闸；与此相反，常开式制动器经常处于松闸状态，只有施加外力时才能使其紧闸。
在并网型风力发电机组中具体方式可由生产厂家确定，建议采用常闭式制动器。11、对并网型风力发电机组机舱底盘结构设计的要求
风力发电机组的机舱除了承担容纳所有机械部件外，还承受所有外力（包括静负载及动负载）的作用。对机舱的强度及刚度的要求将更为苛刻，特别是对机舱底盘的结构设计要求较高，本模拟风力发电机组机舱底盘在确保学生实训安全的情况下，可根据实际使用条件设计。
机舱底盘的选择：
1）按制造方法及材料可分为铸造机舱底盘、焊接机舱底盘二类（可考虑采用后者）。
2）按结构形状可分为梁式机舱底盘、框架式机舱底盘、箱式机舱底盘等三类。（可考虑采用框架式机舱底盘）。11.1、机舱底盘设计的准则
机舱底盘的设计主要应保证刚度、强度、稳定性及学生实训的重要性。
1）刚度机舱底盘的刚度决定风力发电机组传动链的工作稳定性，决定回转支承工作的稳定性。
2）强度机舱底盘的强度应根据模拟风力发电机组在运转过程中可能发生最大载荷来校核，更重要的还要校核其疲劳强度。
机舱底盘强度和刚度都要从静态和动态两个方面来考虑。动刚度是衡量机舱底盘抗振能力的指标，而提高机舱底盘抗振性能应从提高机舱底盘构件的静刚度、控制固有频率、加大阻尼等方面入手。
3）稳定性风力发电机组的机舱底盘是一个扁平式结构，其主要受力件稳定性较好，某些受压部件及受压弯结构也可能存在失稳问题，必须加以校核。
11.2、对机舱底盘设计的要求
1）在满足强度及刚度的前提下，机舱底盘应尽量重量轻、成本低；2）抗振性好；
3）结构设计合理，工艺性良好，便于焊接和机械加工；
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4）结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件及便于学生实训。5）造型好，使之既适用经济，又美观大方。11.3、对机舱底盘的材料及处理的要求
焊接机舱底盘具有强度和刚度高、重量轻、生产周期短以及施工简便等优点，因此在风力发电机组中大多采用焊接机舱底盘。焊接机舱底盘应采用优质钢材。为了保持尺寸稳定，焊接后必须消除内应力，本并网型风力发电机组考虑采用焊接式机舱底盘。
12、对并网型风力发电机组风轮与叶片的要求
本并网型风力发电机组要求采用变桨距风轮，风轮由一个具有集中变桨控制的叶片及对应的调桨轴承和轮毂组成。调桨轴承用螺栓联结在轮毂上；叶片由玻璃纤维制成，并由聚酯材料加固，采用螺栓联结在叶片轴承上，能顺时针转动。
三个叶片的长度根据风机所安装的中心高度确定。每一个叶片由两个半壳与中间的支承梁组成；叶片通过叶根螺栓与调桨轴承连结，从而允许叶片转动。
13、对并网型风力发电机组功率调节的要求
当风速达到某一值时，风力发电机组达到额定功率。自然风的速度变化常会超过这一风速，在正常运行时，不是限制结构载荷的大小，而是发电机超载后过热的问题。并网型风力发电机组也要设定发电机过载的能力。控制系统允许发电机短时过载，绝不能长时间或经常过载。
由于风速和功率是三次方的关系，当并网型风力发电机组功率达到额定点以后，必须有相应的功率调节措施，使机组的输出功率不再增加。
本并网型风力发电机组考虑采用变桨距联动原动机的调节方法。13.1对变桨距控制的要求
变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，使翼型升力变化来进行调节的。变桨距控制多用于大型风力发电机组，本并网型风力发电机组采用变桨距控制。
变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。变桨调节时叶片迎角可相对气流连续的变化，以便得到风轮功率输出达到希望的范围。在90℃迎角时是叶片的顺桨位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而限制功率。变距范围要求0°～90°。从起动角度0°到顺桨，叶片就像飞机的垂直尾翼一样。
由于变桨距控制型风轮具有典型教学意义，在并网型风力发电机组中要求能进行实验。14、对并网型风力发电机组齿轮箱的要求
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机发电要求，必须通过齿轮箱轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。本并网型风力发电机组还要求附加一台在风力源风速作用下的原动机系统。
根据机组的总体布置要求，可将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接结构。也可将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，可考虑在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。由于齿轮箱是风力发电机组中的重要设备，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。对构件材料的要求是，除了常规状态下机械性能外，还应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件等。为模拟冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态和温度进行遥控。本模拟风力发电机组是以水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动为代表的机组。
14.1、对齿轮箱设计的要求
齿轮箱的设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。根据机组要求，采用CAD优化设计，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性的材料，配备完整充分的润滑等。
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要求模拟机组，能对起动、运行、空转、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行试验。
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14.2、原动机安装布置
为了使并网型风力发电机组符合实际工程机组的结构特点，要求将原动机安装在齿轮箱内，以学生不宜看到为准。14.3、对齿轮箱噪声级的要求
风力发电齿轮箱的噪声标准为85dB(A)左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：1）适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；2）提高轴和轴承的刚度；
3）合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。
齿轮箱安装时采取必要的减振措施，按规范找正，充分保证机组的联结刚度，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8534规定的C级之内。
14.4、对齿轮箱可靠性的要求
按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析，动力学分析等。15、对并网型风力发电机组偏航系统分项功能的要求
偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可少的组成系统之一。要求偏航系统满足两个主要作用：1）是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；2）是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。本并网型风力发电机组采用主动偏航系统的齿轮驱动形式。
15.1、对偏航系统电缆的要求
实际工程中的风力发电机组为保证机组悬垂部分电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂失效，必须使电缆有足够的垂悬量，并要求电缆所允许的扭转角为±1080度内。本并网型风力发电机组由于机组中心离地面高度很低，电缆没有足够的垂悬量。应采取其它方法解决机架转动±1080度时的电缆进出问题。
15.2、对偏航系统阻尼的要求
为避免风力发电机组在偏航过程中产生过大的振动而造成整机的共振，偏航系统在机组偏航时必须具有合适的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根据机舱和风轮质量总和的惯性力矩来确定。其基本的确定原则为确保风力发电机组的偏航时动作平稳顺畅而不产生振动。只有在阻尼力矩的作用下，机组的风轮才能够定位准确，充分利用风能进行发电。
15.3、对偏航系统解缆和纽缆保护的要求
解缆和纽缆保护是风力发电机组的偏航系统所必须具有的主要功能。偏航系统的偏航动作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生纽绞，所以模拟风力发电机组也应在偏航系统中应设置与方向有关的计数装置或类似的程序对机架的转动的方向和累积角度进行检测。
15.4、对偏航系统偏航转速的要求
对于并网型风力发电机组的运行状态来说，风轮轴和叶片轴在机组的正常运行时不可避免的产生陀螺力矩，这个力矩过大将对风力发电机组的寿命和安全造成影响。为减少这个力矩对风力发电机组的影响，偏航系统的偏航转速应根据风力发电机组功率的大小通过偏航系统力学分析来确定。根据实际生产和目前国内已安装的机型的实际状况，偏航系统的偏航转速的推荐值见表15-1，本实训系统采用表15-1中的编号5。
表15-1偏航转速推荐值
编号风力发电机组功率/KW偏航转速/(r/min)1100～200≤0.32250～350≤0.183500～700≤0.14800～1000≤0.09251200～1500≤0.08515.5、对偏航系统偏航液压系统的要求
本并网型风力发电机组的偏航系统要求设置液压装置，液压装置的作用是拖动偏航制动器松开或锁紧。柔性液压管路连接部分应采用合适的高压软管。连接管路、连接组件应通过试验保证偏航系统所要求的密封和承受工作中出现的动载荷。液压元器件的设计、选型和布置应符合液压装置的有关具体规定和要求。液压管路应能够保持清洁并具有良好的抗氧化性能。液压系统在额定的工作压力下不应出现渗漏现象。
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15.6、对偏航系统偏航制动器的要求
采用齿轮驱动的偏航系统，为避免因振荡的风向变化而引起偏航齿轮产生变载荷，要求采用偏航制动器（或称偏航阻尼器）来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起齿轮过早损伤。对于由风向冲击叶片或风轮产生偏航力矩的装置，应经试验证实其有效性。
15.7、对偏航系统偏航计数器的要求
偏航系统中要求设有偏航计数器，偏航计数器的作用是用来记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件时，则触发自动解缆动作，机组进行自动解缆并复位。计数器的设定条件是根据机组悬垂部分电缆的允许扭转角度来确定的，其原则是要小于电缆所允许扭转的角度，尽管本并网型风力发电机组不存在扭缆问题，但仍要求机架转动角度大于±1080度时，模拟实际机组的解缆过程。
15.8、对偏航系统润滑装置的要求
偏航系统要求设置润滑装置，以保证驱动齿轮和偏航齿圈的润滑。本并网型发电机组的偏航系统可采用润滑脂和润滑油相结合方式。实训中可定期更换润滑油和润滑脂。
15.9、对偏航系统密封的要求
偏航系统要求采取密封措施，以保证系统内的清洁和相邻部件之间的运动不会产生有害的影响。15.10、对偏航系统表面防腐处理的要求
偏航系统各组成部件的表面处理必须适应风力发电机组的工作环境。风力发电机组比较典型的工作环境除风况之外，还应考虑其他环境（气候）条件、热、光、腐蚀、机械、电或其他物理的作用，本并网型风力发电机组应根据实际使用场合考虑。16、对偏航系统组件结构的要求
偏航系统要求由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置等主要部分组成。
并网型风力发电机组的偏航系统可采用外齿形式或内齿形式。偏航驱动装置可以采用电动机驱动或者液压马达驱动，制动器可以采用常闭式或者常开式。常开式制动器是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于锁紧状态的制动器；常闭式制动器是指有液压力或电磁力拖动时，制动器处于松开状态的制动器。投标生产厂如考虑采用常开式制动器时，模拟风力发电机组的偏航系统要求必须具有偏航定位锁紧装置或防逆传动装置。
16.1、偏航轴承
偏航轴承的轴承内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。齿轮可以采用内齿或者外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对简单些；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，合受力效果较好，结构紧凑。具体采用内齿形式或外齿形式可由投标生产厂确定。
16.2、偏航驱动装置
偏航驱动装置要求由驱动电机、减速器、传动齿轮、轮齿间隙调整机构等组成。驱动装置的减速器可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联，偏航驱动装置要求启动平稳，转速均匀无振动现象。
16.3、偏航制动器
偏航制动器要求采用液压拖动的钳盘式制动器。
16.3.1．偏航制动器是偏航系统中的重要部件，制动器应在额定负载下，制动力矩稳定，其值应不小于设计值。在机组偏航过程中，制动器提供的阻尼力矩应保持平稳，制动过程不得有异常噪声。制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。在偏航系统中，制动器可以采用常闭式和常开式两种结构形式，常闭式制动器是在有动力的条件下处于松开状态，常开式制动器则是处于锁紧状态。两种形式相比较并考虑失效保护，本并网型风力发电机组要求采用常闭式制动器。
16.3.2．制动盘通常位于塔架或塔架与机舱的适配器上要求为环状，制动盘的材质要求具有足够的强度和韧性，如果采用焊接连接，材质还应具有比较好的可焊性，制动盘的连接、固定必须可靠牢固。
16.3.3．制动钳由制动钳体和制动衬块组成。制动钳体要求采用高强度螺栓连接，用经过计算的足够的力矩固定于机舱的机架上。制动衬块应由专用的摩擦材料制成，要求每台风机的偏航制动器由中标生产厂家提供10个备用制动衬块以满足实训的要求。
16.4、偏航计数器
偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置，要求当偏航系统旋转的圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时，
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计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆。计数器要求是一个带控制开关的蜗轮蜗杆装置或是与功能其相类似的程序。
16.5、纽缆保护装置
纽缆保护装置是偏航系统必须具有的装置，它是出于失效保护的目的而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的纽绞达到威胁机组安全的程度而触发该装置，使机组进行紧急停机。一般情况下，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发，则机组必须进行紧急停机。纽缆保护装置要求由控制开关和触点机构组成，控制开关要求安装于机组的塔架内壁的支架上，触点机构要求安装于机组悬垂部分的电缆上。当机组悬垂部分的电缆纽绞到一定程度后，触点机构被提升或被松开而触发控制开关动作。17、对并网型风力发电机组的液压系统的要求
风力发电机组的液压系统和刹车机构是一个整体。在变浆距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。
17.1、比例控制技术
变距系统中要求采用比列控制技术。比例控制技术是在开关控制技术和伺服技术间的过渡技术，它具有控制原理简单、控制精度高、抗污染能力强、价格适中等特点。因此，使这项技术得到飞速发展。它是采用比例放大器控制比例电磁铁实现对比例阀进行远距离连续控制，从而实现对液压系统压力、流量、方向的无级调节。
本项比例控制技术原理要求根据输入电信号电压值的大小，通过电放大器，将该输入电压信号（一般在0～±9V之间）转换成相应的电流信号，如1mv＝1mA。这个电流信号作为输入量被送入比例电磁铁，从而产生和输入信号成比例的输出量力或位移。该力或位移又作为输入量加给比例阀，后者产生一个与前者成比例的流量或压力。通过这样的转换，一个输入电压信号的变化，不但能控制执行元件和机械设备上工作部件的运动方向，而且可对其作用力和运动速度进行无级调节。此外，还能对相应的时间过程中，如：在一段时间内流量的变化，加速度的变化或减速度的变化等进行连续调节。
为了提供更高的阀性能，希望在阀或电磁铁上接装一个位置传感器以提供一个与阀心位置成比列的电信号。此位置信号向阀的控制器提供一个反馈，使阀心可以由一个闭环配置来定位。一个输入信号经放大器放大后的输出信号再去驱动电磁铁，电磁铁推动阀心，直到来自位置传感器的反馈信号与输入信号相等时为止。因而此技术能时阀心在阀体中准确地定位，而由摩擦力、液动力或液压力所引起的任何干扰都被自动地纠正。
17.1.1位置传感器
位置传感器是用于阀心位置反馈的传感器，非接触式LVDT（线性可变差动变压器）是由绕在与电磁铁推杆相连的软铁铁心上的一个一次绕组和两个二次绕组组成。一次绕组由一高频交流电源供电，它在铁心中产生变化磁场，该磁场通过变压器作用在两个二次绕组中感应出电压。如果两个二次绕组对置连接，则当铁心居中时，每个绕组中产生的感应电压将抵消而产生的净输出为零。随着铁心离开中心移动，一个二次绕组中的感应电压提高而另一个中降低。于是产生一个净输出电压，其大小与运动量成比例而相位移指示运动方向。该输出可供给一个相敏整流器（解调器），该整流器将产生一个与运动成比例且极性取决于运动方向的直流信号。
17.1.2控制放大器
控制放大器的输入信号可以采用可变电流或电压。根据输入信号的极性，阀心两端的电磁铁将有一个通电，使阀心向某一侧移动。放大器为两个运动方向设置了单独的增益调整，可用于微调阀的特性或设定最大流量。还应设置一个斜坡发生器，进行适当的接线可启动或禁止该发生器，并且要设置斜坡时间调整。还应针对每个输出级设置死区补偿调整。使用位置传感器的比例阀其目的是实现阀心的位置控制，即阀心在阀体中的位置仅取决于输入信号而与流量、压力或摩擦力无关。位置传感器提供一个LVDT反馈信号。此反馈信号与输入信号相加所得到的误差信号驱动放大器的输出级。本实训系统要求在放大器面板上设有输入信号和LVDT反馈信号的监控点。
当比例控制系统设有反馈信号时，可实现控制精度较好的闭环控制。17.2、液压系统
变浆距模拟风力发电机组的液压系统由两个压力保持回路组成。一路由蓄能器通过电液比例阀供给叶片变距油缸，另一路由蓄能器供给高速轴上的机械刹车机构。
18、对并网型风力发电机组液压系统实验的内容和要求
18.1、液压装置实验
18.1.1.实验内容在正常运行和刹车状态，分别观察液压系统压力保持能力和液压系统各元件动作情况，记录系统自动
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补充压力的时间间隔。
18.1.2.实验要求在执行启动与机械刹车指令动作正确；在连续观察的6h中自动补充压力油2次，每次补油时间约2s。在保持压力状态24h后，无外泄漏现象。
18.1.3.实验方法
1）打开油压表，进行开机、停机操作，观察液压是否及时补充、回放，压力是否保持在设定值。2）检查液压系统的泄露现象。3）用电压表测试电磁阀的工作电压。
4）分别操作风力发电机组的开机，松刹、停机动作，观察变距控制是否相应动作。5）观察在液压补油，回油时是否有异常噪声。18.2、飞车实验
飞车实验的目的是为了设定或检验液压系统中的突开阀。一般按如下程序进行试验：18.2.1将所有过转速保护的设置值均改为正常设定值的2倍，以免这些保护首先动作。18.2.2将发电机并网转速调至1500r/min。
18.2.3调整好突开阀后，起动风力发电机组。当风力发电机组转速达到额定转速的125%时，突开阀将打开并将气动刹车油缸中的压力油释放，从而导致空气动力刹车动作，使风轮转速迅速降低。
18.2.4读出最大风轮转速值和风速值。18.3、变距系统实验
变距系统实验主要是测试变距速率、位置反馈信号与控制电压的关系并绘制曲线。19、对绕线转子双馈感应发电机的基本要求
因感应发电机并网方法优于同步发电机，并网运行稳定，调节维护方便，结构紧凑等特点，在风力发电机组中得到最为广泛的应用。
但是由于应用风能动力发电，风速是不稳定的，是随时变化的，有时瞬间变化可达10m/s以上，发电机处于负载不稳定状态，极端时发电机严重过载。有时风力发电机处于轻载状态，无风时（风速达不到起动风速）则处于停机状态，所以风力发电机的投、切（并网和脱网）操作比其他类型的发电机要频繁许多。另外还有风电场的环境条件等等。
由于风力发电条件的特殊性，对风力发电机也要考虑相应的一些要求：1）发电机的外壳防护等级宜选用IP44或IP54，即全封闭式电机；2）发电机的冷却方式选用IC411，即电机外壳表面带散热筋加外风扇；3)发电机的绝缘等级选用F级，而且经VPI（真空压力无溶剂浸渍）处理；4）发电机内带空间加热器；
5）发电机底部要有气压平衡孔，此孔又能起到排出凝露水的作用；6）发电机振动要小，振速不超过2.8/s；噪声要低，一般要求7）发电机轴承润滑脂选用时要考虑到冬季的低温；8）发电机的飞逸转速要高，一般大于1.5倍同步转速；
9）发电机的效率要高，且转差率要大，效率曲线要平坦（这个要求是相互矛盾的，要综合权衡后选取合适的转差率；10）发电机的自然功率因数要尽可能高，以减少对电网无功功率的吸收或降低补偿电容器的电容量；11）发电机的外形尺寸要小，重量要轻，以减小机舱的体积，减轻机舱的重量；12）发电机端电压的波动一般为±5%，最好能考虑到±8%，甚至±10%的波动；13）发电机的堵转电流要小。
20、对绕线转子双馈感应发电机技术特性的要求
感应发电机是感应电机的一种运行方式：发电机运行时，它的转速n高于同步转速0。
过载能力为感应发电机的一项重要技术指标，对风力发电机，一般要求
Lp≤85dB(A)大机组的
Lp≤82dB(A)；
n，此时转差率S=（nsn-n）/
n＜
sKm2.0。
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20.1、对双馈感应发电机工作特性的要求
20.1.1.由于风力发电机受风速变化的影响，绝大部分时间发电机处于轻载状态，为综合提高发电机的出力，提高中低输出功率区的效率，因此要求模拟发电机的效率曲线平坦些。
20.1.2.风力机运行时因风速的大小方向是不稳定的，随时变化的，为了减少发电机输出功率的波动，降低风力机受冲击的机械应力，要求发电机的转速输出功率特性软一点，因此就要求发电机的转差率绝对值S要大。
20.1.3.并网型风力感应发电机本身不发无功功率，其励磁电流要从电网获取，因此感应发电机的功率因数是一个重要的技术指标，只要技术上允许，应尽量提高发电机的自然功率因数值。本模拟1500KW、6P、690V感应发电机的自然功率因数在0.90～0.92之间较为合适。
20.2、对风力发电机并网的要求
并网运行的异步发电机的电压一定是电网电压，其频率也一定是电网频率，要求输出功率变化也不会使异步发电机产生振荡及失步，异步发电机的输出功率与转差率几乎成线性关系，并网瞬间冲击电流很小。
本模拟风力发电教学实训系统应结合学校配电系统的情况综合考虑。20.3、对感应双馈发电机的技术设计要求
本模拟实训系统投入并网运行的风力发电机电压为690V。
20.3.1风力发电机不能用同容量的电动机来替代以降低设备成本，因为电动机电压较低，如380V的电动机，把它用作发电机而并到400V的电网上时，电压增加约5%，磁路磁密增加就更多，会引起励磁电流大幅增加，功率因数降低；另外按电动机设计时，为了提高电机的效率，总是最大可能地减少电机转子铜耗，电机的转差率一般比较小；然而当风力发电机运行时，考虑到提高发电机输出功率的稳定性，要求发电机有较大的转差率。
20.3.2发电机的铁心材料应选择损耗小，导磁性能强的冷轧硅钢板，应考虑用
P15/50350W/kg的冷轧硅钢板。
20.3.3定子绕组要求为低谐波含量的对称均匀绕组，尽最大可能地增加每极每相槽数，本模拟风力发电机为双速发电机，投标的生产厂家是采用双绕组双速，还是采用单绕组双速电机在投标文件中应表述清楚。
20.3.4要注意避免小于五阶振型两个转速范围内的共振点，要计算定子铁心的固有频率和转轴的临界转速，一般要把激振力的频率远离相应振型的铁心固有频率20%以上。
20.3.5发电机定转子槽配合选择时，要避免噪声大的槽配合，也要避免选用会产生轴电流的槽配合，槽配合的选择无论对感应电动机还是对感应发电机均是十分重要的，建议选用曾经使用过且表明无不良电磁噪声、振动和轴电流的槽配合。
20.3.6发电机轴承选择时，要考虑到电机运行发热后引起轴膨胀的影响，要允许电机轴能向非转动端膨胀。20.3.7发电机结构要注意能保证任何状态下，内外气压平衡，必要时可在机座上钻个气压平衡孔。
20.3.8发电机转子需经平衡校正，一般要校到G6.3以保证发电机有较小的振动，空载运行时，发电机振速一般应不超过2.8/s。
20.3.9发电机要求有安全接地螺栓，出线盒内也应有一个供电缆接地的接地螺栓。
20.3.10发电机的磁路设计要合理，磁密不宜取得太高，定子齿部、轭部磁密一般不要超过1.65T，空气隙磁密不超过0.85T，定子电密不超过5.0
A/mm2。
20.4.对绕线转子双馈感应发电机与电网联接的要求
感应发电机转子绕组系统由三只集电环引出，发电机定子和转子绕组与电网可实现以下几种联接方式：20.4.1定子接电网，转子直接短路；
20.4.2定子通过两只控制性能优良的电流型PWM逆变器接入电网，转子直接通过集电环接网；20.4.3定子直接接电网，转子通过集电环馈入可控变频电流。
上述联接方式3具有电压稳定，正弦性良好，有较为宽广的调速范围而且转子可控变频装置的容量很小，仅为发电机转子的转差功率，从而也显现出良好的经济性。因此本模拟风力发电机考虑采用上述20.4.3的联接方式：21、对变速恒频系统控制结构的要求
本模拟风力发电实验系统要求采用日前能源开发领域中比较先进、理想的发电机控制技术------交流励磁变速恒频控制结构，它是变速恒频风力发电系统的主流结构，是基于双馈感应发电机的双馈型系统，在目前兆瓦级的风力发电系统中得到广泛应用，
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并正在向着更大功率等级发展。因此对本模拟风力发电实验系统的控制结构提出以下要求：
21.1、采用交流励磁双馈变速恒频控制结构
DFIG定子接电网或者直接接负载，转子侧通过背靠背双PWM四象限变流器与电网连接，通过在双馈发电机的转子侧施加三相交流励磁来控制发电机的转矩，转速变化时，控制调节励磁电流的幅值、频率和相位，实现定子侧输出电压的恒频恒压。要求采用矢量控制技术，实现变速恒频无冲击电流并网；实现有功、无功功率的独立调节；实现输出功率因数的控制；改善风力发电机组和所并电网的动态和静态特性。与电力系统构成了“柔性连接”。
21.2、控制方案是在转子电路实现
流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率。要求转子励磁变流器满足：1）保证在转子和电网之间实现能量的双向流动；2）输出电流幅值、频率、相位连续可调；3）输出频率范围满足双馈发电机的调速范围要求，即70%同步转速～130%同步转速连续可调，转差频率可在±30%同步转速内调节。
21.3、转子励磁变流器应包括两个部分组成
网侧整流器和转子侧逆变器。两个变流器都必须具备功率双向流动功能。网侧整流器保证直流母线电压恒定，并且保证网侧功率因素为1；转子侧逆变器为双馈发电机提供交流励磁电流，以控制发电机实现发电机组的顺利并网，以及转速调节和无功功率控制。在机组的运行过程中，控制器首先控制网侧整流器建立恒定的直流母线电压，然后驱动转子侧逆变器开关管进行并网控制，当并网调节满足后，控制接触器接通，完成并网。并网之后，再根据主控制器给定的转速和无功功率信号来进行转速调节和无功功率控制。
22、对模拟风力发电机组并网方式的要求
传统的异步发电机并网方式主要有：直接并网方式、准同步并网方式、降压并网方式等，上述方式在模拟风力发电实验系统中不考虑采用。要求采用在变速条件下根据电网电压和发电机转速改变励磁，调节发电机输出满足软并网条件。
22.1、对并网的要求
要求双馈发电机的转子励磁变流器直接与电网相连，双馈发电机定子与电网经过开关相连，并网前，双馈感应发电机（DFIG）空载，调节DFIG的定子空载电压，使其与电网电压在幅值、频率及相位上相一致。根据交流励磁双馈发电机矢量控制原理实现定子电压控制策略，在并网过程中，定子的冲击电流很小，转子电流也能够稳定过渡，实现了变速恒频双馈发电机组顺利并网。并网之后，系统切换到调速控制，调速性能良好。23、对并网型风力发电机组控制与安全系统的技术要求23.1、风力发电机组的运行的控制要求23.1.1、控制思想
本并网型风力发电机组采用变桨距，对于变桨距风力发电机组的功率调节方式与定桨距恒速型风力发电机组不同，它是采用变桨距方式改变风轮能量的捕获，从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输出的目的。
23.1.2、对并网型风力发电机自动运行的控制要求
1)．开机并网控制：当风速10min平均值在系统工作区域内，机械闸松开，风力作用于风轮旋转平面上，风力发电机组慢慢起动，当发电机转速大于20%的额定转速持续5min，转速仍达不到60%额定转速，发电机进入电网软拖动状态。正常情况下，风力发电机组转速连续增高，不必软拖增速，当转速达到软切转速时，风力发电机组进入软切入状态；当转速升到发电机同步转速时，旁路主接触器动动作，机组并入电网运行。
2)．小风和逆功率脱网：小风和逆功率停机是将风力发电机组停在待风状态，当10min平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到一定值后，风力发电机组不允许长期在电网运行，必须脱网，处于自由状态，风力发电机组靠自身的摩擦阻力缓慢停机，进入待风状态。当风速再次上升，风力发电机组又可自动旋转起来，达到并网转速，风力发电机组又投入并网运行。
3)．普通故障脱网停机：机组运行时发生参数越限、状态异常等普通故障后，风力发电机组进入普通停机程序，机组投入气动刹车，软脱网，待低速轴转速低于一定值后，再抱机械闸，如果是由于内部因素产生的可恢复故障，计算机可自行处理，无需维护人员到现场，即可恢复正常开机。
4)．紧急故障脱网停机：当系统发生紧急故障如风力发电机组发生飞车、超速、振动及负载丢失等故障时，风力发电机组进入紧急停机程序，机组投入气动刹车的同时执行90°偏航控制，机舱旋转偏离主风向，转速达到一定限制后脱网，低速轴转速小于一定转速后，抱机械闸。
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5)．安全链动作停机：安全链动作停机是指电控制系统软保护控制失败时，为安全起见所采取的硬性停机---气动刹车、机械刹车和脱网同时动作，风力发电机组在几秒内停下来。
6)．大风脱网控制：当风速10min平均值大于25m/s时，风力发电机组可能出现超速和过载，为了机组的安全，这时风力发电机组必须进行大风脱网停机。风力发电机组先投入气动刹车，同时偏航90°，等功率下降后脱网，20s后或者低速轴转速小于一定值时，抱机械闸，风力发电机组完全停止。当风速回到工作风速区后，风力发电机组开始恢复自动对风，待转速上升后，风力发电机组又重新开始自动并网运行。
7)．对风控制：风力发电机组在工作风速区时，应根据机舱的控制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。用两种方法判定机舱与风向的偏离角度，根据偏离的程度和风向传感器的灵敏度，时刻调整机舱偏左和偏右的角度。
8)．偏转90°对风控制：风力发电机组在大风速或超转速工作时，为了风力发电机组的安全停机，必须降低风力发电机组的功率，释放风轮的能量。当10min平均风速大于25m/s或风力发电机组转速大于转速超速上限时，风力发电机组作偏转90°控制，同时投入气动刹车，脱网，转速降下来后，抱机械闸停机。在大风期间实行90°跟风控制，以保证机组大风期间的安全。
9)．功率调节：当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，对于变桨距风力发电机组，必须进行变距调节，减小风轮的捕风能力，以便达到调节功率的目的，本模拟风力发电机组要求桨距角的调节范围在-2°～86°。
10)．软切入控制：风力发电机组在进入电网运行时，必须进行软切入控制，当机组脱离电网运行时，也必须软脱网控制。利用软并网装置可完成软切入/出的控制。通常软并网装置主要由大功率晶闸管和有关控制驱动电路组成。控制目的就是通过不断监测机组的三相电流和发电机的运行状态，限制软切入装置通过控制主回路晶闸管的导通角，以控制发电机的端电压，达到限制起动电流的目的。在电机转速接近同步转速时，旁路接触器动作，将主回路晶闸管断开，软切入过程结束，软并网成功。本模拟风力发电机要求限制软切入电流为额定电流的1.5倍。
23.1.3对于风力发电机控制保护的要求
1).主电路保护：在变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器，以实现机组电气元件的维护操作安全和短路过载保护，该低压配电低压断路器还配有分动脱扣和辅动触点。发电机三相电缆线入口处，也要设有配电自动空气断路器，用来实现发电机的过电流、过载及短路保护。
2).过电压、过电流保护：主电路计算机电源进线端、控制变压器进线端和有关伺服电动机进线端，均要求设置过电压、过电流保护措施。如整流电源、液压控制电源、稳压电源、控制电源一次侧、调向系统、液压系统、机械闸系统、补偿控制电容都要有相应的过电流、过电压保护控制装置。
3).防雷设施及熔丝：主避雷器与熔丝，合理可靠的接地线为系统主避雷保护，同时控制系统要有专门设计的防雷保护装置。在计算机电源及直流电源变压器一次侧，所有信号的输入端均要求设相应的瞬时超电压和过电流保护装置。
4).热继电保护：运行的所有输出运转机构如发电机、电动机、各传动机构的过热、过载保护控制装置。
5).接地保护：由于设备因绝缘破环或其他原因可能引起出现危险电压的金属部分，均要设置保护接地。所有风力发电机组的零部件、传动装置、执行电动机、发电机、变压器、传感器、照明器具及其他电器的金属底座和外壳；电气设备的传动机构；模拟塔架机舱配电装置的金属框架及金属门；配电、控制和保护用的盘（台、箱）的框架；交、直流电力电缆的接线盒和终端盒金属外壳及电缆的金属保护层和窜线的钢管；电流互感器和电压互感器的二次线圈；避雷器、保护间隙和电容器的底座、非金属护套信号线的1～2根屏蔽芯线；上述各项都要求保护进行接地。
23.2、控制安全系统安全运行的技术要求
控制安全系统是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是保证了机组安全运行，由于风力发电机组运行所涉及的内容相当广泛，仅运行工况而言，就包括起动、停机、功率调解、变速控制和事故处理等方面的内容。
风力发电机组在起停过程中，机组各部件将受到剧烈的机械应力的变化，而对安全运行起决定因素是风速变化引起的转速的变化。所以转速的控制是机组安全运行的关键。风力发电机组的运行是一项复杂的操作，涉及的问题很多，如风速的变化、转速的变化、温度的变化、振动等都会直接威胁风力发电机组的安全运行。
23.2.1控制系统安全运行要求必备条件
1)风力发电机组开关出线侧相序必须与并网电网相序一致，电压标称值相等，三相电压平衡。2）风力发电机组安全链系统硬件运行正常。
3）调向系统处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态。4）制动和控制系统液压装置的油压、油温和油位在固定范围内。
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5)齿轮箱油位和油温在正常范围。
6）各项保护装置均在正常位置，且保护值均与批准的设定值相符。7）各控制电源处于接通位置。8）监控系统显示正常运行状态。
9）停止运行一个月以上的风力发电机组再投入运行前要求检查绝缘，合格后才允许起动。10）经维修的风力发电机组控制系统在投入起动前，要进行严格检测。23.2.2对并网型风力发电机组工作参数安全运行范围的要求
1.风速：自然界风的变化是随机的没有规律的，当风速在3～25m/s的规定工作范围变化时，只对风力发电机组的发电工况有影响，当风速变化率较大且风速超过25m/s以上时，就会对机组的安全性产生威胁。
2.转速：本并网型风力发电机组的风轮转速考虑设计低于15r/min，发电机的最高转速不超过额定转速的20%。当风力发电机组超速时，对机组的安全性产生严重威胁。
3.功率：在额定风速以下时，不作功率调节控制，只有在额定风速以上应作限制最大功率的控制，考虑要求运行安全最大功率不允许超过设计值20%。
4.温度：运行中风力发电机组的各部件运转将会引起温升，要求控制器环境温度应为0～30℃，齿轮箱油温小于120℃，发电机温度小于150℃，传动等环节温度小于70℃。
5.电压：发电电压允许的范围在设计值的10%，当瞬间值超过额定值的30%时，视为系统故障。6.频率：机组的发电频率应限制在50HZ±1HZ，否则视为系统故障。
7.压力：机组的许多执行机构由液压执行机构完成，所以各液压站系统的压力必须监控，由压力开关设计额定值确定，通常低于100Mpa
21.2.3对系统的接地保护安全要求
1）配电设备接地。变压器、开关设备和互感器外壳、配电柜、控制保护盘，金属构架、防雷设施及电缆头等设备必须接地。
2）塔筒与地基接地装置，接地体应水平敷设。塔内和地基的角钢基础及支架要用截面25×4的扁钢相连作接地干线，塔筒做一组，地基做一组，两者焊接相连形成接地网。
3）接地网形式要求以闭合型为好。当接地电阻不满足要求时，引入外部接地体。
4）接地体的外缘应闭合，外缘各角要作成圆弧形，其半径不宜小于均压带间距的一半，埋设深度应不小于0.6m，并敷设水平均压带。
5）变压器中线点的工作接地和保护地线，要分别与人工接地网连接。6）避雷线宜设单独的接地装置。7）整个接地网的接地电阻应小于4Ω。
8）电缆线路的接地。当电缆绝缘损坏时，在电缆的外皮、铠甲及接线头盒均可能带电，要求必须接地。
9）如果电缆在地下敷设，两端都应接地。低压电缆除在潮湿的环境须接地外，其他正常环境不必接地。高压电缆任何情况都应接地。
23.3、对并网型风力发电机组控制目标的要求
风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，本模拟风力发电实训系统重点实现以下控制目标：
1).控制系统保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。2).控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。
3)．利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制，对于变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制。
4).大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。当风速在3～25m/s之间，切入发电机组并网运行（本模拟发电机组设定模拟1500KW或201*KW机组，适应这一风速范围）。
23.4、要求完成的主要自动控制功能
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1）大风情况下，当风速达到停机风速时，风力发电机组应限速脱网抱液压机械闸停机，而且在脱网同时，风力发电机组偏航90°.停机后待风速降低到大风开机风速时，风力发电机组又可自动并入电网运行。
2）为了避免小风时发生频繁开、停机现象，在并网后10min内不能按风速自动停机。同样，在小风自动脱网停机后，5min内不能软切并网。
3）当风速小于停机风速时，为了避免风力发电机组长期逆功率运行，造成电网损耗，应自动脱网，使风力发电机组处于自由转动的待风状态。
4）当风速大于开机风速，要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。跟风精度范围±15°。
5）风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下，应该松开机械闸，其余状态下（大风停机、断电和故障等）均应抱闸。
6）风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放，起平稳刹车作用。其余时间（运行期间、正常和故障停机期间）均应处于归位状态。
7）在大风停机和超速停机的情况下，风力发电机组除了应该脱网、变距、抱闸停机外，还应该自动投入偏航控制，使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度，增加风力发电机组脱网的安全度，待机舱转约90°后，机舱保持与风向偏90°跟风控制，跟风范围±15°。
8）在电网中断、缺相和过电压的情况下，风力发电机组应停止运行，此时控制系统不能供电，如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况，应能自动脱网和抱闸停机，此时偏航机构不会动作，风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。
9）风力发电机组模拟塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈，系统要设计正/反向扭缆计数器，超过时自动停机解缆，达到要求后再自动开机，恢复运行发电。
10）风力发电机组应具有手动控制功能（包括远程遥控手操），手动控制时“自动”功能应该解除，相反地投入自动控制时，有些“手动”动能自动屏蔽。
11）控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内，一旦超过极限并出现危险情况，应能自动处理并安全停机。
23.5、控制系统主要参数21.5.1．主要技术参数
1）主发电机输出功率（额定）Pe(KW)2）发电机最大输出功率1.2Pe(KW)3）工作风速范围3～25m/s4）额定风速Ve(m/s)5）切入风速（1min平均值）3m/s6）切出风速（1min平均值）25m/s7）风轮转速N(r/min)8）发电机并网转速1000±20r/min9）发电机输出电压690V±10%10)发电机发电频率50Hz±0.5Hz11）并网最大冲击电流（有效值）＜1.5Ie12）电容补充后功率因数0.6～0.9221.5.2.控制指标及效果
1）方式专用微控制器2）过载开关＜690V，660A3）自动对风偏差范围±15°4）风力发电机组自动起、停时间＜60s5）系统测试精度≥0.5%6）电缆缠绕2.5圈自动解缆7）解缆时间55min
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8）手动操作响应时间＜5s21.5.3.保护功能
1）超电压保护范围连续3s＞1.3Ue(V)2）欠电流保护范围连续3s＜1.3Ie(A)3）风轮转速极限＜40r/min4）发电机转速极限＜1800r/min5）发电机过功率保护值连续60s＞1.2Pe(KW)6）发电机过电流保护值连续30s＞1.5Ie(A)7）大风保护风速连续600s＞25m/s8）系统接地电阻＜4Ω9）防雷感应电压＞3500V23.6、对风力发电机组变距控制的要求23.6.1变浆距风力发电机组的控制方式
风力发电机组的变距系统主要包含着两种控制方式，即并网前的速度控制与
并网后的功率控制。由于异步电机的功率与速度是严格对应的，功率控制最终也是通过速度控制来实现的。
变浆距风轮的叶片在静止时，节距角为90°，这时气流对叶片不产生力矩，整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，叶片向0°方向转动，直到气流对叶片产生一定的攻角，风轮开始起动。风轮从起动到额定转速，其叶片的节距角随转速的升高是一个连续变化的过程。根据给定的速度参考值，调整节距角，进行实际的速度控制。
当转速达到额定转速后，发电机并入电网。这时发电机转速受到电网频率的牵制，变化不大，主要取决于发电机的转差，发电机的转速控制实际上已转为功率控制。为了优化功率曲线，在进行功率控制的同时，通过转子电流控制器对电机转差进行调整，从而调整风轮转速。当风速较低时，电机转差调整到很小（1%），转速在同步速附近；当风速高于额定风速时，电机转差调整到很大（10%），使叶尖速比得到优化，使功率曲线达到理想的状态。
23.6.2变距控制系统
变距控制系统是一个随动系统。变距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后，变成电压信号控制比例阀（或电液伺服阀），驱动油缸活塞，推动变距机构，使叶片节距角变化。
活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经A/D转换后输入比较器。23.7、对风力发电机组现场数据采集信号的要求23.7.1电量信号
1）电压、电流：测量信号范围宽，要求有较好的线性度；测量信号谐波丰富，频谱特性复杂；电压、电流信号为矢量信号，暂态反应速度应低于0.02s，精度高于0.5级。
2）功率因数：影响风力发电机组发电量计量和补偿电容投入容量，要求较高精度。3）电网频率：一般在工频附近，精度要求±0.1Hz，反应速度快。
一次电压、电流由PT\\CT变换为可采样的交流信号，经滤波整形限幅后进行A/D转换。以上数据信号采集点集中，数据流量大，采样速度高。上述电压电流采样数据的主要用途为：
a.在发电机或主回路元件故障及电网发生危及发电机运行的异常状态时作为微机保护的判据。
b.作为风力发电机组发电量统计、性能评估、状态显示的重要参数。以及超功率和低功率时作为风力发电机组退出运行判据。同时，也作为就地电容补偿投切重要判据。
23.7.2.温度信号
据信号采集点相对集中，距离主控位置50m。器件热容量较大，反应到温度变化较慢，可考虑采用铂电阻测量。温度参数可作为器件疲劳程度和风力发电机组运行效能的判据，不要作为突发故障的保护判据。温度统计对于故障分析和历史数据趋势分析有一定作用。
23.7.3.风向信号
风力发电机组对风向的测量由风向标实现。风向瞬时波动频繁，幅度不大。风力发电机组为主动对风设计，当风向发生
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变化时，由偏航机构根据风向标信号带动机头随风转动。风力发电机组对风向的测量由风向标来完成。风向标的种类有许多。建议采用一种内部带有一个8位的格雷码盘，当风向标随风转动时，同时也带动格雷码盘转动，由此得到不同的格雷码数，通过光电感应元件，形成一组8位的数字输入信号。格雷码盘将360°划分成256个区，每区分为1.41°，所以其测量精度位1.41°。这种风向标可以确定风向具体位置。
23.7.4.风轮转速信号
转速范围3～30r/min。根据现场空间布置，可采用霍尔元件将转速信号转换为窄脉冲。脉冲频率范围为7～20Hz。通常工作在10Hz以上。叶片转速与电机转速相差一个固定变化，可以相互校验被测信号的可靠性。
模拟风力发电机组转速的测量点应设置两个：发电机主轴转速和风轮转速。频率与转速的对应关系为线性的。风轮转速和发电机转速可以进行相互校验，风轮转速乘以传动比率等于发电机转速，如果不符，表示两个转速信号的采集部分有故障，风力发电机组退出运行。转速测量用于判断风力发电机组并网和脱网，还可用于判别超速条件，当风轮转速超过30r/min或电机转速超过1575r/min时，应停机。
23.7.5.风速信号
风速通过安装在机舱外的光电数字式风速仪测得。风速仪送出的信号为频率值，经光耦合器隔离后送至频率数字化模块。模块可处理最大输入频率值为6.8kHz。模块采用485通信方式把数据送给工控机，计算机把传送来的频率信号经平均后转换成风速，由于频率-风速的转换关系非线性，在转换过程中采用了分段线性的方法进行处理。要求风速值可根据功率进行校验，当风速在3m/s以下，功率高于1.5kW持续1min时，或风速在8m/s以上，功率低于1.0kW持续1min时，表示风速计有故障。23.8、对机组控制运行安全保护系统的要求
23.8.1.大风保护安全系统
机组设计有切入风速Vg，停机风速Vt，一般取10min，25m/s的风速为停机风速；由于此时风的能量很大，系统必须采取保护措施，在停机前对于变浆距风力发电机组必须调节叶片变距角，实现功率输出的调节，限制最大功率的输出，保证发电机运行安全。当大风停机时，机组必须按照安全程序停机。停机后，风力发电机组必须90°对风控制。23.8.2.参数越限保护
风力发电机组运行中，有许多参数需要监控，不同机组运行的现场，规定越限参数值不同，温度参数由计算机采样值和实际工况计算确定上下限控制，压力参数的极限，采用压力继电器，根据工况要求，确定和调整越限设定值，继电器输入触点开关信号给计算机系统，控制系统自动辨别处理。电压和电流参数由点亮传感器转换送入计算机控制系统，根据工况要求和安全技术要求确定越限电流电压控制的参数。
23.8.3.电压保护
指对电气装置元件遭到的瞬间高压冲击所进行的保护，通常对控制系统交流电源进行隔离稳压保护，同时装置加高压瞬态吸收元件，提高控制系统的耐高压能力。
23.8.4.电流保护
控制系统所有的电器电路（除安全链外）都必须加过流保护器，如熔丝、空气开关。23.8.5.振动保护
机组设有三级振动频率保护，振动球开关、振动频率上限1、振动频率极限2，当开关动作时，系统将分级进行处理。23.8.6.开机保护
设计机组开机正常顺序控制，要求限制并网时的电流冲击。23.8.7.关机保护
风力发电机组在小风、大风及故障时需要安全停机，停机的顺序要求先空气气动制动，然后，软切除脱网停机。软脱网的顺序控制与软并网的控制基本一致。
23.8.8.紧急停机安全链保护
紧急停机是机组安全保护的有效屏障，当振动开关动作、转速超转速、电网中断、机组部件突然损坏或火灾时，风力发电机组紧急停机，系统的安全链动作，将有效的保护系统各环节工况安全，控制系统在3s左右，将机组平稳停止。23.9、对机组接地保护装置的要求
23.9.1.接地装置可考虑利用与大地有可靠连接的自然接地，即模拟塔筒和实验室地基，但为了可靠接地，再自行设计人工接地体与塔筒和地基相连组成接地网，这样具有较好的大电流、大电压和雷电的冲击，同时必须安装绕线环和接地棒的接地
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设计装置。
23.9.2.人工接地体不应埋设在强烈腐蚀性土壤处，埋设时接地体深度不小于0.6mm，垂直接地体长度应不小于2.5m，埋入后周围要用新土墩实。
23.9.3.接地体连接应采用塔接焊，塔接长度为扁钢宽度的2倍，并由三个邻边施焊，为圆钢直径的六倍，并由两面施焊。接地体与接地线连接，应采用可拆卸的螺栓联接，以便测试电阻。
23.9.4.当地下较深处的土壤电阻率较低时，可采用深井或深管式接地体，或在接地坑内填入化学降阻剂。24、对风力发电机组塔架的要求
塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。本模拟风力发电实验系统考虑采用圆筒型塔架，这种形式在当前风力发电机组中大量采用，其优点是美观大方，上下塔架安全可靠，高度初步计划1-1.5米，结构材料为钢结构塔架。25、对并网型风力发电机组的实验内容与要求
风力发电机组完成总装配工序后，在出厂前需进行规定项目的出厂检测试验。风电场在用的风力发电机组，在进行大检修或由于事故等原因造成大件总成拆修或更换的，应在完成修换工作后进行检测试验，本实训系统检测试验部分的实验内容参照检测试验的相关项目和教学要求并结合现场实际进行，巩固学生所学的风电专业知识。25.1、实验目的
通过对风力发电机组（除塔架、叶片外）进行功能实验和部分性能实验，使学生初步掌握风力发电机组通过试验和调试达到安全运行质量标准的知识和技能。
25.1.1．功能实验通过检测试验，考核检测机组的传动系统、液压系统、偏航系统、刹车系统和监控系统等功能动作的正确性与可靠性。
25.1.2.部分性能实验对机组的起动性能、空载性能、偏航性能及安全保护性能进行检测试验使其符合要求。25.2、实验条件和设备配置
1）对实验载人平台平台的要求：由于在实验时，需要在上面站立15-20人，同时要放置测试仪器，所以必须设计合理、牢固、稳定，在风叶一侧要有防护网，可按照实验要求调整并能牢靠紧固于其基础上。不用时可移至实验室的空位上，即远离风力发电机组。
2）监控设备完好，仪器仪表符合实验要求。
3）实验电源符合要求，电源变压器容量、电压等级符合需要。4）实验室设施布置应符合安全要求。5）实验用指导书，实验用各种记录表格规范。6）实验用各种通用工具、用具与材料齐备。7）实验风力发电机组系装配完整。25.3、实验准备
25.3.1.将实验台架移至风力发电机的对应位置紧连接螺栓。25.3.2.检查下列电气接线：
1）控制柜与机舱控制箱间控制电缆接线。
2）机舱控制箱与液压系统、润滑系统、偏航减速器及提升机间连接。3）机舱控制箱与机组各传感器间接线。4）控制柜与柜外辅助检测仪器、仪表间接线。5）控制柜与风电机组发电机的出线连接。6）控制柜与动力电源连接。
25.3.3.复查传动系统各总成部件底脚螺栓紧固情况；复查动力传动件螺栓紧固状况。必要时重新按规定扭矩和顺序紧固。25.3.4.复查液压油量、润滑油量。必要时按规定补充加足。25.3.5.复查盘式制动器与偏航制动器。必要时予以重新调整。25.3.6.接通动力电源，检查相序，检查主断路器及各电机保护整定值。25.4、功能实验和部分性能实验
25.4.1.发电机以电动机方式空载运转实验
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1）断开齿轮箱与发电机间联接。
2）以软起动方式起动发电机待达同步转速，电机温度稳定后，监测电流、电压、有功功率、起动时间；测电机转速、振动与噪声、绕组温度、轴承温度、电机出风温度和环境温度。
25.4.2.润滑系统、液压系统、盘式制动器、偏航机构功能检查实验
1）润滑系统：起动润滑泵电机，检查电机转向，检查油位、油压、油温传感器工作状况，检查滤清器工作状况及润滑油冷却和润滑油加热工作状况。
2）液压系统：起动液压泵电机，检查电机转向，检查油位传感器，检查调整油压、检查建压时间、补压时间和渗漏情况。3）盘式制动器：复查刹车片间隙，分别记录电机自断电开始按正常制动操作至停转所需时间。4）偏航机构：
a.检查电机转向，应与控制开关标示一致。
b.检查偏航反映灵敏程度（利用风向仪），并分别记录正反方向动作滞后时间。c.检查偏航制动动作同步程度。
d.检查解缆动作，比较正反向扭缆回转角，不符合要求应进行调整。
e.复查偏航驱动齿轮与齿圈的齿侧隙；对有两只以上驱动器的，应检查其齿侧隙相对位置关系。25.4.3.发电机齿轮系统空载实验
1）连接发电机与齿箱间的传动机构（联轴器、安全离合器等）。
2）起动发电机，待转速和电机绕组温度稳定后，监测电机电流电压、并计算出齿轮箱空载损耗。
3）测齿轮箱转速、振动与噪声，测齿轮箱轴承温度、润滑油温（如采用独立润滑系统的，应在起动发电机齿轮箱系统前，先起动润滑油泵，待其工作状况符合要求后，再起动发电机齿轮箱系统）。
25.4.4.安全保护性能实验
1）紧急停机：测量电机自稳定转速状态断电并紧急制动至停转所需时间及振动情况。
2）安全链模拟实验：测定电机在稳定转速状态下，模拟过振、电网失电等状态时保护动作过程所用时间。25.4.5.控制器功能检测实验
1）转速：以高精度（高于0.5级）测速仪与控制器测速仪同步测量齿轮箱输入轴和发电机轴转速，以较测定值。2）温度：以高精度（高于0.5级）测温计与控制器测温计同步测量齿轮箱润滑油温、发电机轴承温度、环境气温，比较测定值。
3）电量：以高精度（高于0.5级）的标定电量表计与控制器电量表同步测定电压、电流、频率、功能因素、有功与无功功率等，比较测定值。
4）风速与风向：
a.以高精度（高于0.5级）风速仪测定模拟变化的风速，与控制器风速仪同步测定值做比较。b.模拟风向变化，测定控制器反应。25.5、实验数据记录整理与分析处理25.5.1.实验数据记录
1）实验数据由实验学生专人负责现场记录；每一测点（或每一参数）应按规定次数记录，一般为五次，间隔时间1min。现场发现测量数据有较大偏差时，实验指导教师应要求学生重复做试验验证其有效性，并在试验记录中加注说明。
2）实验数据应记录在预先准备妥当的专用表格上，同一实验项目的记录应归类集中，同一台机组的全部实验记录应装订成册，作为实验报告的附件交老师批改。
25.5.2.实验数据分析：
1.所有实验项目，均有相应的技术质量标准，将其与实验数据记录一一对应比较，凡没有超差的项目，均为合格项目，凡发生超差的项目，应分析其产生原因，并做出针对性的判断，其中属于影响机组正常运行的，如机组振动严重超标、机组润滑油温、轴承温度、电机绕组温度严重超标的，应找出原因，消除其影响，并重新做实验，确认全部合格后，方准予风力发电机组投入运行。
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