风力发电机组的设计理念

风力发电机组的设计理念系统效率问题风力发电机的风轮转子的风能利用效率对风力发电机组的系统效率起着决定性作用。由风力发电机系统效率公式n系=n转-n控・n逆・n电・n蓄可知，系统效率除与风轮转子的气动效率有关外，还与发电机效率、控制器效率、逆变器效率、蓄电池的充电效益有关。要大幅度提高后者的效率值，不但技术难度大，而且经济上不可取。水平式风力发电机最大风能利用系数理论值为0.593。市场上现有的微小型风力发电机CP值为0.25〜0.35，与最大值0.593还有很大差距，仍有很大的潜力可挖。利用最新的二维机翼在大功角时风洞试验的研究成果，借鉴大、中型风力发电机现有技术成果。根据风力机既具有外流机翼特性，又具有内流叶轮的工作特点。采用先进的设计手段、设计方法和优化技术以及采用新材料、新技术、新工艺等综合手段来提高风轮转子风能利用系数，使之达到中型风力发电机的CP值为0.42的水平。从而降低单位每百瓦发电量的材料消耗量，同时减少了重量和体积，为新材料、新技术、新工艺的应用打下了良好的基础。安装，维护问题一般使用离网型独立运行的微小型风力发电机组的用户往往地处交通不便，无常规能源输送的边远地区、深山、草原牧区、边防哨所、微波站以及沿海海岛、航标灯站等等。受材料采购困难，配件供应不畅和维护技术等因素的限制。我们的设计目标：使风力发电机成为一种安装方便、免维护、保护功能完善的傻瓜型产品。成本问题据统计，到目前为止，我国尚有7656万无电人口、16个无电县、828个无电乡和29783无电乡村，它们地处交通不便，无常规能源供应的边远地区、深山、沿海岛屿。那里经济、文化较为落后，收入较低，但当地的风能、太阳能资源往往较为丰富。如果能提供一种物美价廉、可靠性高的风力发电机产品，对解决他们的日常生活用电，丰富他们的文化生活无疑是一大福音。另外，沿海近海的滩涂养殖场、内陆湖泊渔民、沿海地区居民等，虽然该地区经济较为发达，且有常规能源供应，如果能提供一种性价比高、投资回收期短、外观美的风力发电机产品，则能为风力发电机的推广普及创造良好条件。这样，就能减轻日趋紧张的城市电网的供电压力。用风能替代一部分使用石化燃料发电的电能，既符合我国能源的可持续发展战略，又减少了对地球不可再生资源的开采和对大气环境的污染。我们的设计目标：使风力发电机成为人人用得起，个个用得好的优秀产品。振动和噪音问题微小型风力机往往安装在住宅的附近、楼顶、花园、停车场、高速公路灯上，要求振动小、噪音低。如果风力发电机噪音大，会严重干扰居民的日常正常生活；如果风力发电机振动大，易造成紧固件脱松和材料的疲劳损坏，对的人身、财产安全构成极大的危害。我们的设计目标：使风力发电机在正常运行时达到近乎无振动、无噪音状态，使风力发电真正成为绿色环保的清洁能源。寿命、可靠性问题风力发电机组由风轮转子、三相永磁交流发电机、控制器、逆变器、蓄电池组等部件组成。风轮转子的功能：接受风能，并将风能转变为机械能；三相永磁交流发电机的功能：将机械能转变为电能；控制器的功能：将三相交流电整流、稳压为电压恒定的直流电；逆变器的功能：将直流电逆变为三相200V50HZ的正弦交流电；蓄电池的功能：储存电能以供用户在所需时使用。设计制造风力发电机涉及的学科较广，有材料力学、空气动力学、电机学、微电子学、电化学等学科，兼之使用者所处的地区，经济欠发达，文化相对落后，交通运输不便，无常规能源供应，缺乏必要维修能力。我们的设计目标：使风力发电机具有结构简单、寿命长、可靠性高的特点。综合以上五点所述，新设计的风力发电机组应具有风能利用系数高、体积小、重量轻、外观美、噪音低、振动低、安装方便、免维护、寿命长、可靠性高、性能价格比高、保护功能齐全的特点。做到人人用得起，个个用得好，为用户和社会创造良好的经济利益和社会利益。在“敢于开拓，敢于创新；创一流企业，争天下第一'的云攀精神激励下，凭借着'保护人类唯一的赖以生存的地球”信念的支持下，云攀人以顾客为关注的焦点；以市场为导向；以保护地球，匹夫有责为己任；时刻牢记“光明使者”的重任，通过对现有市场上的微小型风力发电机产品的技术状态、使用状况和顾客呼声、愿望、抱怨、投诉进行充分的市场调查，并对收集的资料进行科学的汇总、分类、统计分析，找出其优点和存在缺陷。针对传统小型风力发电机组存在的问题，我们第一步设想：利用大、中型风力机桨叶失速控制技术移植到微小型风力机中，同时利用发电机的饱和特性来替代微小型风力机的偏侧调速机构，以达到限制转速、限制功率的目的。从而将原有的三个转动部件（对风装置，发电装置，偏侧调速限功装置）减少为二个。第二步：采用组合叶素理论和动量理论，利用二维机翼在大功角下的风洞试验研究结果，修正大攻角失速后的空气动力学数据，考虑了轴向和切向诱导速度沿轴向的变化，计及了叶尖损失、风切变、尾流等影响风力机效率的因素来设计失速叶片的气动外形和结构，在制造过程中选用高强度工程塑料，采用精密注射工艺成型。在确保叶片强度、刚度、疲劳寿命前提下解决成本与性能问题。同时利用“锥角效应”解决叶片振动、噪音问题。第三步，将电动机的碳刷、滑环机构移植到微小型风力机中，解决电缆缠绕问题。第四步，制造一个集整流、稳压、报警、指示、蓄电池保护功能于一身的控制器，解决蓄电池欠压、过充问题，从而延长蓄电池的寿命。第五步，制造一个智能型正弦波逆变器，并具有过载、短路自动保护功能，解决常规逆变器的带感性负载时易产生运转噪音、效率低、寿命短和可靠性差的问题。第六步，借鉴电器接插件结构形式设计电连接器解决发电机与控制器连接的隐患问题；利用密封胶解决电机密封问题；利用多种防松方法，如防松胶、转向与螺纹旋向相反自紧的原理、非金属嵌件锁紧螺母等多种形式解决紧固件松动问题。为实现我们制订的目标，云攀人经过不懈努力、屡败屡战、精益求精，皇天不负有心人，终于变美梦成真。集微电子技术、永磁电机技术、计算机技术、电力电子技术、空气动力学技术于一身的具有高科技含量、最新一代的风力发电机组横空出世。控制器特点采用铝合金挤压成型的外壳，外形美观，兼起散热器自散热作用，减少了利用轴流风扇进行强迫冷却而引起附加电能消耗。利用可控硅半控桥式整流，移相稳压控制技术（或二极管桥式整流，PWN直流斩波控制技术）制成的整流、稳压电路，其稳压精度高、效率高、电源质量好、可靠性高。具有风轮转子发电指示；三相永磁交流发电机的充电指示；蓄电池欠压、过充状态指示功能以及蓄电池的欠压、过充自动保护功能。配备光伏电池组输入端子。方便用户将风力发电系统扩充为风一光互补型风电系统。引入切入风速控制系统。其工作原理为风轮转子起动并连续旋转后，由于风轮转子维持风速低于起动风速，在发电机电压未达到蓄电池充电电压时，使风轮转子空转。一旦达到充电电压时，即转换为正常充电工作状态。这样使风轮转子能更有效吸地收风能。根据三相交流发电机绕组自身特点配以先进吸收电路设计的制动装置。一方面确保风力发电机安装时人员的人身安全，另一方面在台风来临时保护机组免受损坏。风轮转子的特点1、 选用玻璃纤维增强型工程塑料，经精密注射工艺成型的风轮叶片，表面喷涂耐侯性能极佳的专用面漆，在确保叶片满足强度、刚度要求的前提下，减轻了叶片重量。在确保叶片满足复杂气动外形尺寸精度的前提下，提高了生产效率，降低了生产成本。2、 根据风力发电机叶轮转子既具有外流机翼类似的特性，又具有开式旋转机械的特点，采用组合叶素理论和动量理论，考虑了轴向和切向诱导速度沿轴向的变化，计及了叶尖损失、尾流损失、风切变、尾流与塔架位势干扰等影响风力机效率的因素，利用二维机翼在大功角下风洞试验成果来修正大攻角失速后气动数据以及空气动力学的最新研究成果来设计风轮转子叶片的气动外形和结构，并根据叶片最佳外形尺寸要求进行优化设计，兼顾起动性能和工作性能两者之间的关系，既使风轮转子具有重量轻、转动惯量小、对风速的变化响应速度快的特点；同时又使风轮转子具有转换效率高、Cp-l曲线形状好即曲线平顶范围较宽。从而降低了起动风速，增加了年发电量。3、 利用“锥角效率”优化设计风轮参数，使风轮转子在正常运转时近乎无振动、无噪音。4、 利用失速叶片的失速特性来限速、限功，简化了结构，减少了零部件的数量。永磁交流发电机的特点1、 采用专利技术的径向式永磁磁路转子结构，使转子单位每百瓦稀土永磁材料消耗量低、效率高、比功率大、重量轻、体积小，由于风轮转子直接套在发电机的转轴上，使风轮转子对风速变化的响应速度快。其转子工作转速最高可达10000转/分。2、 采用CAD技术、有限元分析技术对电机定子进行优化设计，重点是如何降低发电机的阻转矩，如定子铁心采用斜槽结构、定子绕组采用分数槽绕组、槽楔采用磁性槽楔、合理选择定、转子的槽数和极数配合。3、 根据风轮转子的功率——风速曲线、转速——风速曲线来设计发电机功率——转速曲线。使两者具有良好的匹配特性即在一定风速、一定风轮转子转速的前提下风轮转子的机械功率应略大于发电机的输入功率。过大，会出现大马拉小车现象，白白浪费风能并造成机组年发电量的下降；过小，会造成风轮转子转速突然下降并产生冲击现象，使风轮转子在偏离最佳叶尖速比状态下运行，同样降低了机组的年发电量。4、 发电机的电流一转速曲线形状好，即能兼顾低、中、高速时发电机输出特性。5、 采用IP54全密封防护等级，前、后端盖止口与机座止口、支承座止口接合处，采用密封胶密封。前端盖与叶片连接法兰接合外，采用新型防水结构，避免风沙、雨水、雪水入侵。6、 采用宽系列橡胶双密封非接触式进口轴承，使发电机在-30C°~+50C°X作环境下可靠使用。7、 连接件、紧固件全部采用不锈钢材料，并采用厌氧胶进行防松处理。突破传统界限，创造一个新时代综合利用电机技术、电力电子技术、微机技术、空气动力学技术等综合技术创造出一个近乎完美的小型风力发电机组。其特点：体积小、重量轻、外形美观；起动风速低、系统效率高、设备利用率高；正常运行接近无振动、无噪音，真正的绿色环保、清洁能源；无电缆缠绕的烦恼；结构简单、安装维护方便；寿命长，可靠性高；智能型正弦波逆变器，具有过载、短路自动保护功能；欠压、过充保护功能；风一光互补混合型控制器，集整流、稳压、指示、自动保护功能于一身；高效永磁风力发电机设计本公司发电机分公司是专业生产风力用永磁交流发电机的专业厂家。永磁式发电机与电励磁式发电机的控制原理是不同的，风力用电励磁式的硅整流发电机是通过调节励磁电流来控制发电机的输出电压，故而实现以控制小电流达到控制大电流的目的；而永磁式发电机的整流恒压是面向主电路的控制，必须面临直接控制大电流的问题，本公司是通过三相半控整流桥，配合压控稳压器来控制发电机的输出电压，故而实现以控制微电流达到控制大电流的目的。永磁式发电机的控制原理图如图1所示。图一：永磁发电机控制原理图风力用永磁式发电机（离网型）使用特点是：应用交流发电机，经整流、稳压后向蓄电池充电，要求发电机中、低速发电性能好；要求发电机效率高、重量轻、比功率大；要求发电机结构简单，可靠性高，寿命长；要求发电机能适应恶劣的使用环境；同时要求起动阻转矩低；与风轮转子具有良好的匹配性；转速范围较窄（0〜100r/min）（属富铜型发电机）。二、风力用永磁发电机具有以下突出的特点：整流、稳压性能方面：利用先进的电力、电子器件和开关电源技术制成的一体化高精度整流、稳压装置，能满足蓄电池对恒压充电制的要求。在性能方面：采用新一代高效稀土钕铁硼材料辅助专利技术的径向磁路的永磁转子结构，无滑环，无励磁绕组，定、转子气隙大，使发电机具有中、低速发电性能好，效率高、比功率大的特点，能适应高转速的使用场合。在可靠性方面：使用专用的宽系列双橡胶圈密封进口轴承(内含长寿命、耐高温润滑脂)；耐温等级为军品级的电力、电子器件；绝缘等级为H级的进口漆包线，辅以先进真空沉浸工艺使发电机具有可靠性高、寿命长、结构简单、免维护的特点，同时能使发电机在极恶劣的环境条件下可靠工作。三、风力用永磁发电机设计针对风力用永磁发电机的设计要求特点和实际工作状态，如低的起动阻转矩；与风轮转子的匹配性；和处于继续工作；输出越大，冷却越好等，对该发电机设计中几个问题进行一些分析。在介绍风力用永磁发电机设计时根据风力发电机的实际使用情况先介绍一下风力发电机的特殊要求。1.1风力发电机转速较低，额定转速为500r/min左右，故电机的线负荷较大，属富铜型发电机。1.2在定子齿槽设计时，由于电机电负荷较高，铜损大，在保证足够的机械强度及磁通密度下，应尽量减少齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组的导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。1.3由于风力发电机要求起动阻转矩小，应尽量减少由发电机齿槽效应产生的阻转矩，使得风轮在风速较低时，能迅速起动，尽快发电。应采用定子分数槽绕组。1.4由于风力机要求发电机在低风速时能够发电，而在额定风速以上输出特性尽量软一些，因此设计发电机时应尽量使磁路饱和些。1.5希望发电机P=f(n)在额定点前为二次抛物线关系，以利用发电机与风力机的匹配，获得最佳风能。方案选择及结构垂直式直叶片风力发电机组，在小于额定风速，实现输出电压随风速变化而变化。在大于额定风速，保持风力发电机的输出电压恒定，这样就可避免在大于额定风速时，输出电压过高造成对蓄电池过充，从而延长蓄电池的使用寿命，同时可减少附加的电阻泄放装置。因此，选用结构简单、运行可靠的一体化永磁式风力发电机。为了使发电机体积少，重量轻和经济，在选择永磁材料时，要选择好适宜的永磁材料品种和具体的性能指标，以保证发电机有足够大的气隙磁密，满足发电机的技术条件要求，并有良好的机械加工性能和适宜的价格，为此：.转子磁钢采用价格适中、磁能积、剩磁、矫顽力很高的超强磁体——钕铁硼永磁材料，但应注意：同一种牌号的永磁材料，不同工厂或同一工厂不同批号之间都会存在一定的磁性能差别，所以，为提高电机设计计算的准确性，需要向生产厂家索取该批号的实际尺寸的永磁体在室温和工作温度下的实测退磁曲线。再有，永磁材料由室温升到最高工作温度时并保温一定时间后再冷却到室温，其开路磁通允许有5%的可逆损失。因此为了保证永磁电机在运行过程中性能稳定，不发生明显的不可逆退磁，在使用前先进行稳磁处理。.从提高气隙磁密的角度出发，转子切向结构与转子径向结构相比较在同等尺寸的磁钢下，其磁路气隙磁密为径向结构磁路气隙磁密的1.6倍，选择切向结构较为有利，从提高频率的角度出发，在转速n一定时，从f=pn/60可知频率f和极对数P成正比，在设计发电机时尽量选择较多的P，选择径向结构较为有利。从性能、工艺、成本多因素综合考虑，最终决定选用径向结构。电磁设计电磁式同步发电机的设计首先依据电机的容量，转速、材料的性能和环境条件，根据经验选择适当的电磁负荷As、B8,再进一步确定电机的主要尺寸及参数。在永磁风力发电机设计中，由于永磁体在电机中既是磁源又是磁路的组成部分，而且它的励磁磁场是由永磁体产生的，永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的分散性很大，而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路的其余部分的材料性能，尺寸和电机运行状态而变化。因此，永磁风力发电机的设计一般不是直接选择电磁负荷As、B5,而是考虑尽量充分利用永磁材料入手，即永磁风力发电机的气隙磁密B5是由永磁材料性能尺寸及磁路结构型式确定的，而且上述因素又确定着磁钢的工作点。因此，进行磁钢的估算，确定磁钢的尺寸是首要的，然后再根据磁钢尺寸确定电机的主要尺寸和参数。3.1确定磁钢尺寸采用估算的方法计算给定功率和磁钢体积的关系式中：PN—发电机的额定容量；。。一漏磁系数；Kad一直轴电枢磁势折算到转子磁势的折算系数FmK；KFd一发电机短路时每对极的磁钢磁势FmK为直轴电枢磁势2Fadk的倍数；KFd=FmK/2FadKf一频率；Kp一电压系数；K①一波形系数；C一磁钢利用系数；（BH）max—磁钢最大磁能积；利用上述公式求得Vm，考虑到磁钢不一定能工作在最佳工作点和电枢反应的去磁作用，要有适当余量，一般加大20%左右。3.2极对数的选择在转子结构一径向结构和磁钢材料一钕铁硼确定后，从式（1）可以看出，增大频率可以减少需要磁钢的体积，提高磁钢的利用程度。在发电机直径及工艺允许的条件下，尽量选取较多的极对数P，以缩小发电机体积，减轻其重量。3.3转子漏磁和电枢磁势折合系数永磁电机磁极漏磁的计算与电磁式相似，所不同的是电磁式的磁极磁导远大于气隙磁导，故其漏磁可以忽略不计，永磁电机的磁极磁导接近于气隙磁导，因此不能忽略不计。由于永磁式电机与电磁式电机的磁通路径特点不一样，再考虑到永磁式电机漏磁不能忽略，因此，永磁式的电机的电枢反应，直轴电枢磁势折合系数，也不同于电磁式，必须在电磁式的基础上修正。永磁体向外磁路提供的总磁通①m可分为两部份，一部份与电枢绕组匝链主磁通（即每极气隙磁通）①^，另一部份不与电枢绕组匝链的漏磁通①。，而①。实际上是沿整个磁钢分布的，其分布路径比较复杂，计算比较困难，一般为简化分析和计算，采用等效漏磁通的概念，即假定^和①。一样，全部由磁势Fm提供，则Om=O5+Oo。考虑到磁钢本身的磁阻Rm和电枢反应磁势Fa，其等值磁路图如图2所示。与电磁式电机一样，电枢磁势Fa可分解为直轴和交轴电枢磁势Fad和Faq。图2由于磁钢磁阻接近气隙磁阻，永磁式电机的Kad比电磁式小，为了简化问题，假设：（1） 电机磁路不饱和，忽略铁芯磁阻；（2） 电机的气隙是均匀的，不计齿槽的影响；（3） 电磁式和永磁式具有相同的电枢反应磁势Fad，对于均匀气隙径向磁路结构；从磁路的特点看，永磁式的交轴磁路和电磁式相仿，可以认为K’aq=Kaq，不再讨论。确定电机的主要尺寸4.1磁负载的选择对于小功率的风力发电机，一般为低压大电流，电压大多采用24V或48V（整流后的直流），因为该类发电机主要采用蓄电池储能，