风力发电系统设计

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！郭国亮指导教师2015年12月13日1第一章：风力发电系统设计的概况1.1设计的目及意义：1）了解风力发电系统的原理和运行流程。2）设计小型的风力系统满足地方需要。3）为了解决能源危机和环境保护、气候变暖等各方面的问题，大力推广可再生能源发展的必要性。1.2设计原则：1）可再生，且清洁无污染。2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。风力发电的运行方式常规电网的电源，与电网并联运行。1.3设计条件：设计一个10KW并网的风力发电系统和控制系统。1.4发电系统设计方案：1）恒速恒频发电系统。2）变速恒频发电系统。1.5烟台当地风资源概要：1）烟台地理位置：烟台市位于胶东半岛北缘，中心地理位置约为：北纬37.8，东经121.23，受季风环流的控制和其他天气形势的影响，该地区的风力资源十分丰富。如表：2003~2014年烟台市，全市平均气温2003年2004年2005年2006年2007年2008年12.5℃12.7℃12.5℃13.1℃13.4℃12.7℃2009年2010年2011年2012年2013年2014年13.0℃12.2℃12.1℃12.2℃12.6℃13.4℃由此可得，历年平均气温为12.7℃烟台历年平均风速：年份19881989年份19941995风速（m/s)3.2200020013.73.43.3219901991199219933.63.83.63.519961997199819993.53.33.43.320022003200420053.02.83.13.1所以，烟台历年平均速度大约为：3.39m/s，最大风速为32.8m/s。2）风资源估算：切变指数：用于描述风速剖面线形状的幂定律指数，准确计算得预装轮毂高度处的风资源数据，是评估风电场发电估算的条件。风切指数表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随着高度增加的快慢，其值大表示风能随高度增加得快，其计算公式如下：幂定公式：zvv()221z其指数公式为：式中：1㏒（v/v)21(z/z)21-为风切指数；z-为已知高度；z-为变化后风速所在高度；m12v-为高度为z的风速；v-为高度为z的风速；单位m/s112如表：70米测风塔各高度风速和风切变指数25010m切变指数/0.1230.1290.1300.129由此算得10米风切指数为：0.121；1.6安装位置风资源的确定：位置、地形、风机安装的高度等因素有关。因此，安装地点的确定主要就是风资源和具体安装位置选择。1）选择地区需要年风资源较好安装地点的风资源至少要满足以下三个条件之一，才适合安装风力发电机。而且年平均风速越大越好。（1）年平均风速4m/s（2）3~20m/s的有效风速累计2000~4000h以上时效（3）全年3~20m/s平均有效的风能密度满足W/m2以上2）有较稳定的盛行风向盛行风向指的是出现频率最高的风向，选址时希望盛行风向能比较稳定。我国是季风性较强的国家，不同季节盛行风有所变化。33）风速日变化、季变化小4）风机高度范围内“风切变”要小“风切变”是指风速在水平及垂直方向的突变，尤其在垂直方向的风速变化对风机的影响最大。安装风机应该避开强切变，将风机安装在迎风坡上。5）湍流强度要小2.1风力发电基本原理：统。2.2风力发电机整体结构：以及塔架等等。机部分，控制和监控部分2.2.1偏航系统偏航系统的两个作用：1）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）提供必要的锁紧力矩，保障风力发电机组安全运行。偏航系统两个分类：1）主动偏航：通过电控系统来执行对准风向的偏航方式2）被动偏航：依靠风力通过机械结构被动完成对准风向的偏航方式。主动偏航使得迎风过程可以控制，可靠性更高，所以，在这里选择主动偏航装置。结构图如下：输入输出端子模块4码器把检测到风机机舱的实时指向角度也传递给工控机，工控机通过算法程序3圈后需要解缆的保护措施。2.2.2变桨系统变桨系统分类：1）液压型变桨系统2）电动型变桨系统变桨控制方式：失速调节、变桨距调节、主动失速调节输入输出端子模块安全，要实时检测变桨电机的温度，并传送到工控机，当温度过高，停止变桨电机工作。2.2.3变流器变流器将主发电机发出来的电能整流成直流电，在逆变成与电网匹配的交流电，电能谐波少，质量高。2.2.4风力发电机1010kw~100kw)、大型（100kw）风力发电机。2）按主轴与地面相对位置：水平轴风力发电机和垂直轴发电机。53）按使用的发电机类型分：鼠笼式异步风电机组、双馈式异步风电机组、永磁同步风电机组。4）按风机功率调节方式分：定桨距失速型风电机组、变桨距失速型风电机组。5）按照应用场合的不同分为：并网型发电机和离网型发电机2.2.5风轮机1）组成部分：风轮机包括轮毂、叶片、主轴几个部分，是风力发电机接受风能的部件。202枚或3不会超过允许值。3）轮毂：是连接叶片和主轴和主轴的部件，一般由铸钢和钢板焊接而成，不允许有沙眼、裂纹，并按叶片可承受的最大离心力载荷来设计。4）主轴：将转子轴心和齿轮箱连接。2.2.6塔架为了让风轮在地面上较高的风速带中运行，需要用塔架把风轮支撑起来，这量和承受的阻力来确定高度及结构类型。2.3贝茨理论：SSS123VVV123SV22SVSV1133。6SVSVSV112233FSVVV)22131PSVVV)2212223PSVVV)2222131VVV)22131PSVV)(VV)22142133VVP131VVVV)S2123421331PC32p所以得：1VV3318PSV321此时，P为理论最大吸收功率。综上所述并计算得到C，为最大风p能利用系数，这表明即使没有任何功率损失，风机的风能利用率最大只能达到59.3%。2.4叶尖速比：风能的利用率。风轮机对风能的利用率可以通过风机桨叶的风能利用系数Cp来和叶片桨距角叶片尖端的线速度和当前风速的比值，公式如下：R(24)(2Vn其中：7—为风轮的旋转角速度，—为风力机叶片半径，RV—为当前风速，n—为风轮机的转速，2.5风能利用系数：1）风参数：风速和风向2）风能特点：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广、可分散利用。3)利用系数：1W32由于空气中的能量不可能完全比风轮吸收，1926年，贝茨首次提出，通过减少风的速度来理论最大优化风能。理论最大优化公式如下：1PC32pSR2式中：P—是风机吸收的功率，C—是风能利用系数，pS—是扫风面积，—空气密度，R—风轮的半径，因此，风能利用系数代表着风机从自然风能中吸收能量的大小程度。2.6风力发电机组由运行方式分两类：1）独立式风力发电机组（发出的电能不并网，通过蓄电池储存）。2）并网型风力发电机组。3）风机变流器蓄电池控制系统8上图是：并网风力发电机组整天框图图中，风机主发电机发出的电能，经过变流器，最后送到电网上。而变流器ACDC/转换器，能将电的控制能源一直由电网提供，变流器与电网之间有一个网的电能转换成24V器工作。蓄电池由电网充电，保证蓄能满，从而保证控制系统电能稳定。当电网出现故障时，变流器不工作，控制系统的电能由蓄电池保证。由此可知，并网型发电机组更加灵活可靠，所以这次设计选用并网型风力发电系统。2.7控制系统的选择：偏航电变桨电机机器如上：风力系统控制流程图其中：控制系统的主要两个目的为：1）最大风能捕捉，偏航系统和变桨系统实现最大风能捕捉。2）功率控制（最大功率追踪、功率转换），变流器实现功率控制。块系统的运行，同时检测、显示和记录各项数据。当异常情况出现时，还要能自动判断，进行保护措施。工控机的主要作用：1具体包括风速、风向、转速、组件温度、变流器输出有功功率等。92）控制偏航系统和变桨系统工作。3）根据检测到的风速和转速数据，额定功率以前，通过变流器来控制主发电机进行最大功率追踪，额定功率以后，控制变桨系统保持主发电机额定功率发电。4）控制是否执行保护措施。2.8最大功率追踪算法：1）基本的原理：风能，并使风力发电机输出功率最大，提高风能利用率，实现系统的优化运行。2）基本算法：自然界中风能是一种无规律随机变化可重复利用的巨大能源，想要最大限度利用这一能源，需要采取最优秀的方法，保证实时捕获的风能资源利用率最高，终是保证每时每刻追踪风能的最大化，使得风力发电设备发出的电能最大。一．叶尖速比控制算法：RVV其中：—为叶尖速比，n—风轮机转速，—风轮机旋转角速度，R—风轮机半径，力发电机输出功率最大值。原理图如下：v输出功率达到最大值。二．功率信号反馈控制算法：得到差值信号，从而实现对风力发电系统的最优化控制，其原理图如下：w增加了系统的成本和复杂程度。3.1风力机的选型确定：3.1.1.基本参数的确定：1.叶片数：3B1~3风速高，因此适用于风力发电。3叶片风轮有以下优点：平衡简单，动载荷小；3叶片使风力发电机组系统运行平稳，基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定的转矩；3叶片风轮通常能提供较佳的效率；3叶片风轮从审美的角度来说更令人满意；3叶片风轮的受力平衡好，轮毂可以简单些；噪声相对较小。2.切入风速：Vm/s即发电的最低风速；3.切出风速：V25m/s即发电的最大风速；4.额定风速为：V10m/s；5.风能利用系数：C即额定功率下的风能利用系数；p6.各部分效率：传动系统效率取η；发电机效率取η；变流器效率12取η0.96；37.风力发电机组额定输出功率为P10kw；由此可得：风轮的直径为：DmηηηV3Cp123其中：D-为风轮直径，单位m-为空气密度，取值为1.225kg/m3-为叶尖速比，取值为5所以风轮直径选择D由式(24)(2得：60Vm风轮转速为：n116.5r/minR由此风力机选择如下：10kms45/NE额定功率最大功率额定电压启动风速额定风速叶片材质品牌增强玻璃钢群英ms10/3.2齿轮箱的选择确定：由上述求得：所以：DmAR23.144.125.748m2其中：A-为扫风面积，m2；R-为风轮半径，；m所以，风力机的有效功率为：1PC321p1P0.361.22525.74810005677.43W21取齿轮箱效率为，则：nP10000齿轮箱的增速比为：i0nP5677.43110000116.5n0205.2r/min5677.43由此齿轮箱选择如下：FZ25030~45低速转速高速转速工作效率r3.3发电机的选择确定：发电机类型：双馈异步变速恒频式发电机发电机的输出功率为：P10kwP1.1额定功率：P额1.111.46（预留的裕度）η3由此选择发电机如下：型号额定输出电压额定电流500~1000/min输出功率10kw3.4变流器功率选择：电，电能谐波少，质量高。变流器的功率通常为风电机组的额定功率的1/2~1/3，考虑到风电机组的可靠性，通常为风电机组额定功率的1/2。由此得：1PP变26kw空载直流电流逆变输出电压输出频率A50HZ运行温度范围25~50℃3.5控制系统的控制方式：控制流程图如上2.7所示，其控制方式为：远程监控。1.偏航系统选择：置。其流程图如上2.2.1所示；2.变桨系统选择：变桨系统控制方式：电动型变桨系统，其流程图如上2.2.2所示；其电机参数选择如下：2.2kw5.8Ar堵转额定转矩堵转额定电流最大额定转矩额定电流转速710/80.5/min23.6塔架的高度及结构设定：1.塔架载荷计算：除了风载荷外，风电机组的几乎所有的载荷也都将传给塔架，按风电机组的载荷源分类又要有：1）风轮等构件承受的空气动力载荷；2）重力和惯性载荷：由重力、振荡、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷；3）操作载荷：在机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变浆以及制动过程产生的载荷等；4）其他载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等；最大历史风速的暴风工况的推力计算：由于烟台历史最大风速为：32.8/，（预留20%的裕度）；ms所以V的取值为：sV32.81.239.36m/ss由推力计算公式：F0.784AVBbs其中：-为风轮的投影面积，m2；AV-暴风工况时最大风速，m/s；sB-为风轮叶片数；最终算得推力F为：NF造更高的塔架也需要更多的材料，使其造价相应增加。高度、材料及结构。塔架设计参数如下：塔架高度材料安装方式备注Q345钢制材料锥形液压式表面镀锌加工定制结构来的，所以也许做的不是很好，但是真心能从里面学到的东西很多。真真，实事求是，本着负责谨慎的态度，使我们的设计合