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风力发电机设计
高等教育自学考试
毕业设计(论文)
风力发电机设计题目
级机电一体化工程09专业班级
姓名
高级工程师指导教师姓名、职称
所属助学单位
2011年4月1日
1绪论…………………………………………………………………………………1
1.1风力发电机简介………………………………………………………………1
1.2风力发电机的发展史简介……………………………………………………1
1.3我国现阶段风电技术发展状况………………………………………………2
1.4我国现阶段风电技术发展前景和未来发展…………………………………2
2风力发电机结构设计………………………………………………………………3
2.1单一风力发电机组成…………………………………………………………3
2.2叶片数目………………………………………………………………………3
2.3机舱……………………………………………………………………………4
2.4转子叶片………………………………………………………………………5
3风力发电机的回转体结构设计和参数计算……………………………………5
3.1联轴器的型号及主要参数………………………………………………………5
3.2初步估计回转体危险轴颈的大小……………………………………………5
3.3叶片扫描半径单元叶尖速比…………………………………………………6
4风轮桨叶的结构设计………………………………………………………………6
4.1桨叶轴复位斜板设计……………………………………………………………6
4.2托架的基本结构设计……………………………………………………………6
5风力发电机的其他元件的设计…………………………………………………6
5.1刹车装置的设计…………………………………………………………………6
6风力发电机在设计中的3个关键技术问题………………………………………7
6.1空气动力学问题…………………………………………………………………7
6.2结构动力学问题…………………………………………………………………7
6.3控制技术问题……………………………………………………………………7
7风力发电机的分类…………………………………………………………………7
8风力发电机的选取标准……………………………………………………………8
9风力发电机对风能以及其它的技术要求…………………………………………8
9.1风力发电机对风能技术要求……………………………………………………8
9.2风力发电机建模的技术是暂态稳定系统………………………………………9
9.3风力电动机技术之间的能量转换……………………………………………10
10风力发电机在现实中的使用范例………………………………………………10
结论……………………………………………………………………………………12
致谢……………………………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………………14
摘要
随着世界工业化进程不断加快,能源消耗不断增加,全球工业有害物质排放量与日俱增,造成了能源短缺和恶性疾病的多发,致使能源和环境成为当今世界两大问题。
因此,风力发电的研究显得尤为重要。
我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置,这造成风电场无功补偿的投资很大。
文章结合实例,通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算,提出利用风力发电机的无功功率可基本实现风电场的无功平衡,风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据,对于发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场,应利用风力发电机的无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量,降低无功补偿的投资。
关键词:
风力发电、风电场、无功补偿、电压波动
Abstract
Astheworldindustrializationisacceleratingandenergyconsumptionincreases
unceasingly,increasingglobalindustrialharmfulsubstancesemissions,causedenergy
majorshortageandmalignantdisease,causetheenergytwoandenvironmentare
problemsintheworldtoday.Therefore,windpowerresearchisparticularlyimportant.
isthethewaywindfarmChinareactiveWindpowercompensationinwithin
devices,powercompensationstationinstalledinsideconcentratedcollectionreactive
withinvestmentwindwhichcausedfarmreactivecompensationgreatly.Combined
examples,throughdifferentunderthewindcapacityofreactivepowerlossandvoltage
windputspowerreactiveforwardthecalculationofpapersituation,fluctuationthis
generatorcanrealizethebasicreactivepowerbalance,thewindofchangeisbusbar
voltagewindpower.atthereactivepowercompensationaccordingtotheselectionof
equipmentforgeneratingcapacityofbusbarvoltagechangescausedbythefluctuation
ofwindpowerrequirementsdonotexceedthewindgenerator,shouldusethereactive
powerdecreaseincollectionstationreactivepowercompensationdevices,reducethe
capacityofthereactivepowercompensationinvestment.
Keywords:
windpower、windfarm、reactivecompensation、voltagefluctuation
风力发电机设计
1.绪论
1.1风力发电机简介
自然界的风是可以利用的资源,然而,我们现在还没有很好的对它进行开发。
这就向我们提出了一个课题:
我们如何开发利用风能?
自然风的速度和方向是随机变化的,风能具有不确定特点,如何使风力发电机的输出功率稳定,是风力发电技术的一个重要课题。
迄今为止,已提出了多种改善风力品质的方法,例如采用变转速控制技术,可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。
由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置,当它将电能输出输送给电网时,会产生变化的电力协波,并使功率因素恶化。
1.2风力发电机的发展史简介
我国是最早使用风帆船和风车的国家之一,至少在3000年前的商代就出现了帆船,到唐代风帆船已广泛用于江河航运。
最辉煌的风帆时代是明代,14世纪初叶中国航海家郑和七下西洋,庞大的风帆船队功不可没。
明代以后风车得到了广泛的应用,我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法,一直延续到20世纪50年代,仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达20万台
随着蒸汽机的出现,以及煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得,各种曾经被广泛使用的风力机械,由于成本高、效率低、使用不方便等,无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争,渐渐被淘汰。
欧洲到中世纪才广泛利用风能,荷兰人发展了水平轴风车。
18世纪荷兰曾用近万座风车排水,在低洼的海滩上造出良田,成为著名的风车之国。
德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金,充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果,开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统,发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论,采用了新型风力机设计理论,采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型,研制出了变极、变滑差、变速、恒频及低速永磁等新型发电机,开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术,从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。
到了19世纪末,开始利用风力发电,这在解决农村电气化方面显示了重要的作用,特别是20世纪70年代以后,利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段。
1.3我国现阶段风电技术发展状况
中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。
经过初期发展、单机分散研制、系列化和标准化几个阶段的发展,无论在科学研究、设计制造,还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高,并取得了明显的经济效益和社会效益。
我国对风电已有部分优惠政策,包括以下几个方面。
1.风电配额:
制定出常规火电污染排放量分配比例,由全国所有省区共同分摊的政策。
2.风电上网电价:
落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中。
制定出按常规水电污染排放量分配比例,由全国所有省区共同分摊的政策。
按地区具体情况定出风电最高上网电价的限制,并保持10年不变,促使业主充分利用资源,降低成本
3.售电增值税:
发电增加了新的税源,建议参照小水电,核定风电销售环节增值税率为6%。
4.银行贷款:
为降低风电电价,减轻还贷压力,建议适当延长风电还贷期限,还贷期增至15年;为风电项目提供贴息贷款。
5.鼓励采用国产化风电机:
为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款,补偿开发商的风险,帮助初期国产化机组进入市场,得到批量生产和改进产品的机会,以利降低成本。
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象,按风力的强度等级来估计风力的大小,国际上采用的是英国人蒲福(FrancisBeaufort,1774~1859)于1805年所拟定的等级,故又称蒲福风级,他把静风到飓风分为13级。
1.4我国现阶段风电技术发展前景和未来发展
风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。
而且,风力机具有不同于通常机械系统的特性:
动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风,叶片经常运行在失速工况,传动系统的动力输入异常不规则,疲劳负载高于通常旋转机械几十倍[7]。
对于这样的强随机性的综合系统。
2风力发电机结构设计
2.1单一风力发电机模型组成
主电路断路器
制动器发电机主熔断器传动单元主接触器和充电电路滤波器~
线路变压器电网两侧交流器转子侧交流器调变桨中压开关(ISU)INU)(动节传LCL滤波器单元
CrowbeINU逆变单ISU供电单上位控制系
图2-1风力发电机模型电路图
单一风力发电机模型由两个基本部分组成。
降阶双涡轮惯性模型和驱使风力的力矩.在本文中,我们假设发电机是一个标准的异步电机直接连接起来的网络,这也是最常见的配置方法。
其结构如图2-1所示。
2.2叶片数目
风力发电机叶片的数目的确定可以根据以下公式来计算:
有效传动比=实际涡轮转速/额定涡轮转速;电气频率基数;每个叶尖惰性体:
每个叶片根部惰性+惯性+惯性涡轮轴传动力/惯性力+发电机轴转子的惯性力;叶片刚度,叶片阻尼,气动风力矩.发电机电气扭矩和叶尖角度通过齿轮传动反映出发电机轴向角.计算这个角需要有叶片断裂的惯性力和弹簧减振器的相关参数。
如果叶片放置在不破裂的正确位置,然后得到的机械模态形状就会正确了。
研究的突破点主要在一个刀片力学性能上,可以从有限元分析或试验的叶片得到相应的数据,这个关键的数据似乎发生在第二个节点弯曲的叶片上.在研究实例个案上,降阶系统的灵敏度放置不当的突破点是很大的.所幸的是,最先进的叶片或制成品设施(如在国家可再生能源实验室的设施)有所需的资料用以确定叶片的断裂
点。
电力工程师只需要这一信息请求便可轻易计算出典型制造的数据.还可以计算出知识系统的第一型机械固有频率的使用刚度。
哪里第一模型机械研究技术领先,其机械的固有频率与系统连接到一起的几率就大.例如,在上一节系统的系统情况就是这样.一般来说,制成品可以提供这样的频率范围.它可以很容易的用制动脉冲对水轮机进行计算和分析.在大多数情况下叶片阻尼很小,并假定为零.在旋转机中,衡量叶片的刚度是用弹簧刚度来计算的.主要衡量叶片的边缘刚度.可以看出,计算刚度是依靠俯仰的角度的。
这也仅限于从零度至10度的典型情况.根据这一限制表明,差异很小的不同位置需要设置不同的点.这意味着,根据实验的支持,这是水轮机模型很小敏感性变异系统的准确的俯仰角.假设一个理想的转盘来进行风力矩的计算.在叶尖部分反映出的实际速度,加上空气密度的影响,通过清扫面积的叶片的磨合,计算出了机组的功率系数.不幸的是,这不是一个常数.然而,大多数涡轮制成品的特性反映出同一条曲线.曲线表示,作为功能机组的叶尖速比.叶尖速比的定义是自由风速度比涡轮叶片的冰山速度.风力发电机模型结构图如图2-2所示。
图2-2风力发电机模型结构图
2.3机舱
机舱包容着风力发电机的关键设备,包括齿轮箱、发电机。
维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。
机舱左端是风力发电机转子,即转子叶片及轴。
2.4转子叶片:
转子叶片的作用是捉获风,并将风力传送到转子轴心。
现代600千瓦风力发电机上,每个转子叶片的测量长度大约为20米,而且被设计得很象飞机的机翼。
轴心:
转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
低速轴:
风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。
在现代600千瓦风力发电机上,转子转速相当慢,大约为19至30转每分钟。
轴中有用于液压系统的导管,来激发空气动力闸的运行,齿轮箱:
齿轮箱左边是低速轴,它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。
高速轴及其机械闸:
高速轴以1500转每分钟运转,并驱动发电机。
它装备有紧急机械闸,用于空气动力闸失效时,或风力发电机被维修时。
发电机:
通常被称为感应电机或异步发电机。
在现代风力发电机上,最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置:
借助电动机转动机舱,以使转子正对着风。
偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
图中显示了风力发电机偏航。
通常,在风改变其方向时,风力发电机一次只会偏转几度。
电子控制器:
包含一台不断监控风力发电机状态的计算机,并控制偏航装置。
为防止任何故障(即齿轮箱或发电机的过热),该控制器可以自动停止风力发电机的转动,并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
液压系统:
用于重置风力发电机的空气动力闸。
冷却元件:
包含一个风扇,用于冷却发电机。
此外,它包含一个油冷却元件,用于冷却齿轮箱内的油。
一些风力发电机具有水冷发电机。
塔:
风力发电机塔载有机舱及转子。
通常高的塔具有优势,因为离地面越高,风速越大。
现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。
它可以为管状的塔,也可以是格子状的塔。
管状的塔对于维修人员更为安全,因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。
格状的塔的优点在于它比较便宜。
3风力发电机的回转体结构设计和参数计算
3.1联轴器的型号及主要参数
由于主轴末端轴颈为80mm,选择HL6型弹性柱销联轴器,其主要参数为9C体积小、重量轻。
相同条件下,比普通渐开线圆柱齿轮的重量轻1/2以上,1/2到1/3。
传动效率高。
适应性强,传动功率范围大。
3.2初步估计回转体危险轴颈的大小
1.回转体,由于回转体位于整体装置的重心偏后200mm处,所以桨叶、桨叶轴、圆盘、增速器和托架对回转体会产生正向弯矩,发电机对回转体产生负向弯矩。
回转体由:
回转轴底盘、加强钣金、回转轴轴承轴肩、回转轴推力轴承轴段、回转轴危险轴段、滑动轴承注油口、回转轴轴向定位段、安装滑环轴段、轴向定位螺母、轴向定位挡板、回转体上联接板、铜套、无缝钢管、推力轴承等部分组成[7]。
其中回转轴的左右摆动问题通过滑动轴承来解决它能很好的解决由于顶部重心偏向前而引起对轴的弯矩,加强了回转轴的抗弯强度。
回转轴挡板可以在安装过程中防止回转轴脱落下滑,回转轴中心钻出的通孔此处为发电机输电线路。
因回转轴固定在塔架上当风向改变对风时套筒上方连接
的所有部件随着套筒一起转动铜套与套筒为过盈配合,铜套与回转轴之间用润滑油润滑所以输电线路不会缠到一起。
3.3叶片扫描半径单元叶尖速比
我们的研究已表明,可以假设固定情况下极高的风力条件下进行暂态稳定研究.这是因为典型的变异叶尖速比下一个10秒的瞬态叶尖比小。
假定风并没有显著的改变模拟时间,实际上,涡轮轴的扭矩实际上是一个调制版。
调制是众所周知的,而且主要是考虑由于大楼遮蔽和力学失衡的作用,在专业人员和模式上才能出现典型的调制频率(注:
1人,是一种模式,每一个涡轮叶片).我们不把这些效应考虑在内,我们假定扭矩引起的暂时性故障比调制扭矩的多.许多其他研究者已进行了这个假设。
今后的研究将侧重于检验这一假设。
在一般情况下,双涡轮惯性模型在这里是一个相对稳健的模式,涵盖了许多汽轮机运行条件。
所有模型参数相对恒定,缺少敏感性的俯仰角度。
4风轮桨叶的结构设计
4.1桨叶轴复位斜板
水平轴风力机的风轮一般由1~3个叶片组成(本设计中取6片桨叶),它是风力机从风中吸收能量的部件。
叶片采用实心木质叶片。
这种叶片是用优质木材精心加工而成,其表面可以蒙上一层玻璃钢[9]。
在本设计中桨叶材料选用落叶松作为内部骨架,桨叶轴从左至右安装零部件分别为:
桨叶轴复位斜板、桨叶轴支撑轴承座、轴套、光轴、轴向固定螺母、垫片、加强钣金、桨叶夹槽。
4.2托架的基本结构设计
托架是放置轮盘、主轴、增速器、发电机以及回转体、滑环和刹车装置等附件的。
它分两层上层为支撑轮盘、主轴、增速器、刹车装置和发电机。
下托板与回转体上端面联接,中间放置滑环和滑轮组件。
滑轮组件是把刹车装置的钢丝绳缠绕在滑轮上改变其方向令钢丝绳与托板不能接触。
5风力发电机的其他元件的设计
5.1刹车装置的设计
由于机械维修以及意外情况的发生需要对风轮机进行刹车,所我们在增速器高速轴侧加装一轮毂并在轮毂外安置刹车装置通过拉拽钢丝绳带动刹车带使风轮转速降低直至停止。
刹车带的复位由弹簧套筒内的弹簧来保证停止刹车后刹车皮与轮毂不在接触。
滑环是在一绝缘圆筒外壁镶嵌三到四个圆环并相应放置电刷电刷的另一端连接发电机的输出电线电缆,在绝缘圆筒内引线一直通到地面的变电所。
6风力发电机在设计中的3个关键技术问题
6.1空气动力学问题
空气动力设计是风力机设计技术的基础,它主要涉及下列问题:
一是风场湍流模型,早期风力机设计采用简化风场模型,对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义;另一是动态气动模型。
再一是新系列翼型。
6.2结构动力学问题
准确的结构动力学分析是风力机向更大、更柔和结构更优方向发展的关键。
6.3控制技术问题
风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统。
随着风力机组由恒速定浆距运行发展到变速变浆距运行,控制系统除了对机组进行并网、脱网和调向控制外,还要对机组进行转速和功率的控制,以保证机组安全和跟踪最佳运行功率2.5。
在横向力R的作用下底板链接接合面可能产生滑移,根据底板接合面不滑移条件,并考虑轴向力F∑对预紧力的影响,则各螺栓所需要的预紧力为:
查得联结接合面间的摩擦系数f=0.35,查得螺栓的相对连接刚度系数=0.2,取可靠性系数=1.2,则各螺栓所需要的预紧力为f*1.2*0.2。
螺栓所受的总拉力──六片桨叶、桨叶轴与圆盘整体自重作用在主轴上的力N。
弹性柱销联轴器制造容易,耐久性好,安装维护方便,传递转矩大。
为防止脱销,柱销两端用螺栓固定了挡板。
适用于轴向位移大,正、反转或启动频繁传动,因此选用弹性柱销联轴器。
7风力发电机类型
根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点,国内目前
发电机一般分为二类:
1.异步型
(1)笼型异步发电机;功率为600/125kW750kW800kW12500kW
定子向电网输送不同功率的50Hz交流电;
(2)绕线式双馈异步发电机;功率为1500kW
定子向电网输送50Hz交流电,转子由变频器控制,向电网间接输送有功或无功功率。
2.同步型
(1)永磁同步发电机;功率为750kW1200kW1500kW由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电
(2)电励磁同步发电机;由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电
根据叶片形式的不同,现有风力发电机分为以下两类:
1.水平轴
世界上目前利用最多的形式,功率最大5MW左右。
2.垂直轴
21世纪初由中国、日本、欧洲几乎同时发明的一种新型风力发电机,有别于最早的垂直轴风力发电机(达里厄型),效率高于水平轴风力发电机,无噪音和转向机构,维护简单。
已成为欧美市场中小型风力发电机的首选。
世界上目前最大功率是由上海模斯电子设备有限公司(MUCE)生产的50千瓦垂直轴风力发电机,日本最大功率30千瓦,英美国家生产的功率在1千瓦到10千瓦之间。
最近,国内外多家公司提出了建造超大型垂直轴风力发电机的计划(10MW),此项计划得到落实后,由于成本远低于目前的风力发电机,必将逐步取代水平轴风力发电机,成为世界新能源的主力军!
8风力发电机的选取标准
1.根据机械
负载性质和生产工艺对发电机的启动、制动、反转、调速等要求,选择发电机的类型。
2.根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度的要求
考虑发电机的温升限制、过载能力和启动转矩,选择发电机的功率,并确定冷却通风方式、所选电动机的功率应留有余量,负荷率一般取0.8,0.9。
3.根据使用场所的环境条件,
如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式,选择发电的结构形式。
4.根据企业的电网电压标准对功率因数的要求
确定发电的电
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