風力發(fā)電機設計

1、風力發(fā)電機設計摘要：本課題所研究的異步發(fā)電機是目前最理想的風力發(fā)電機，前景非常樂觀。本文重點介紹了目前風電場中所采用的風力發(fā)電機組,包括風力機、風力機的功率調(diào)節(jié)及恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。關鍵詞：新能源；風力發(fā)電機；變速恒頻；電磁計算ABSTRACT:Thislessonastudythethreephaseasynchronousmachinesisthebestwindturbinegeneratoratpresent.Themaintopicsmentionedhereareaboutwindturbine,powerregulationofwindturbineandinductio

2、ngeneratorinwindfarmswithelectricalpowersystem.Keywords:Newenergyresource；Windturbinegenerator；Varietyinvariablefrequency；electromagneticcalculation0引言風能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風能的動因也在變化。20世紀80年代以來，工業(yè)發(fā)達國家對風力發(fā)電機組的研制取得了巨大進展。1987年美國研制出單機容量為3.2MW的水平軸風力發(fā)電機組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。1987年加拿大研制出單機容量為4.0MW的

3、立軸達里厄風力發(fā)電機組，安裝于魁北克省的凱普-柴特。進入20世紀80年代，單機容量在100KW以上的水平軸風力發(fā)電機組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。到20世紀90年代，單機容量為100200KW的機組已在中型和大型風電場中成為主導機型。同時單機容量在1MW以上的風力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風電場中成功運行。中國風力發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩(wěn)步提升?！笆濉逼陂g，我國風電產(chǎn)業(yè)仍將持續(xù)每年10000兆瓦以上的新增裝機速度，風電場建設、并網(wǎng)發(fā)電、風電設備制造等領域成為投資熱點，市場前景看

4、好。1 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的總體設計變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^適當?shù)目刂疲癸L力機的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風能。另外，對于恒速風機來說，當風速躍升時，巨大的風能將通過風輪機傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應力，如果這種過程重復出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞，因此設計時應該加大安全系數(shù)，從而導致制造成本增加。而風力發(fā)電機采取變速運行時，當風速躍升產(chǎn)生的巨大風能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風輪吸收以功能的形式儲存于高速運轉(zhuǎn)的風輪中，從而避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力。當風速下降

5、時，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)，風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到緩沖作用，使風力機內(nèi)部能量傳輸部件的應力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機械應力產(chǎn)生，從而使風力發(fā)電機組運行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具有以下共同的優(yōu)點：1) 最大限度的捕捉風能。2) 較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，以適應由于風速變化引起的風力機轉(zhuǎn)速的變化。采用一定的控制策略(如矢量PWM)可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，對電網(wǎng)而言這種系統(tǒng)電網(wǎng)圖1.1變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)為使風力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進行有效的控制?？紤]到風力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應依次滿足以下要求：1) 風

6、能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2) 運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風、剪切風、負載變化作用下具有魯棒性；3) 控制代價小即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調(diào)向的時問等；4) 最大限度地將風能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風速以下，可能使發(fā)電機在每一種風速時，輸出的電功率達到最大，額定風速以上時則保持輸出電功率為常量；5) 風力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。在變速恒頻風力發(fā)電控制系統(tǒng)中，需要一種功率轉(zhuǎn)換裝置將發(fā)電機發(fā)出的電能控制為恒頻。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：1) 發(fā)電機把風力機輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?) 發(fā)電機側變流器由自關斷器件(如GIR、IGBT、GTO等)構成的AC/D變

7、流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機發(fā)出的變頻的交流轉(zhuǎn)換為直流。3) 直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。4) 網(wǎng)側變流器由自關斷器件構成的DC/AC變流器，采用某種控制方法使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補償電網(wǎng)功率因數(shù)。5）變壓器通過變壓器以及一些開關設備和保護設備，把電能變?yōu)楦邏航涣麟姡ㄈ鏻lkV或33kV等）。其中24可稱為變頻器，其能量流向在某些控制方案中是雙向的，上述變頻器為交一直一交變頻器，也有采用交一交變頻器的。另外，在有的方案中發(fā)電機的全部功率通過變頻器進行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進行轉(zhuǎn)換。2 風力發(fā)電機設計風能轉(zhuǎn)換系

8、統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸送電能時，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機以超同步轉(zhuǎn)速運行。這個特征在速度高于電機額定轉(zhuǎn)速時損失了風能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行的。為使異步發(fā)電機作為一種變速、恒頻裝置運行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個整流器、一個直流耦合變換器和一個有源逆變器相連，使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導體整流器整流為直流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機。此時整流器和逆變器兩者組成了一個從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置?？刂颇孀兤鞯哪孀兘?，就可以改變逆變器的電壓。該異步發(fā)電機是作為一臺雙輸出感應

9、發(fā)電機以超同步速度運行的。這實際上是異步發(fā)電機的串級調(diào)速在風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實際應用。整流器逆變器圖2.1雙輸出異步發(fā)電機的工作原理工作原理圖雙輸出異步發(fā)電機的工作原理工作原理如圖2.l所示。2.1三相異步發(fā)電機的電磁設計方案根據(jù)設計要求及額定數(shù)據(jù)參考異步電動機的電磁計算程序確定電機的電磁負荷，計算定子、轉(zhuǎn)子沖片和鐵心各部分尺寸及繞組數(shù)據(jù)，進而核算電機各項參數(shù)及性能，并對設計數(shù)據(jù)做必要的調(diào)整，直到達到要求。但異步電動機與異步發(fā)電機是有差異的，故不能直接引用而必須重新分析計算。以下所述內(nèi)容均基于上海電器科學研制所出版的中小型三相異步電動機電磁計算程序1）滿載電勢系數(shù)1-£取值范圍不同，異

10、步電動機一般在0.850.95之間,e而異步發(fā)電機的要大得多，一般在0.951之間；2）異步電動機中1-£二1-（T-r+廠.x）,由于異步發(fā)電機中u與I之間的ep1k111夾角大于90。，因而某些項目的符號必須改變；3）異步電動機中廠=k-X-（廠）2-1+（k-廠）2用于異步發(fā)電機時誤差較大,km1pmk應導出新的計算公式。4）電動機計算鐵耗時對應于空載時的電勢，而發(fā)電機滿載時的鐵耗應對應于滿載電勢E=1-8；0e5）r用r=（i-8）/廠更接近發(fā)電機實際情況。mmeu另外，在設計過程中還要注意適當提高發(fā)電機的過載能力和功率因數(shù)，在保護線路上也要采取措施。2.2三相異步發(fā)電機電磁

11、計算程序(1) 額定功率P=600KWN(2) 額定電壓U=690V；U丄二£n二398.4VNMJ3PP(3) 功電流I=-n二=502.04AKWJ3UmUN1N©(4) 效率耳=0.96(5) 功率因數(shù)cos申=0,88(滯后)6) 極對數(shù)p=27) 定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z1=48,Z2=40(取q1=4)8) 定、轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)：Z定子p二2p=12Z轉(zhuǎn)子ZP2=2p=io9）定、轉(zhuǎn)子每極每相槽數(shù)：定子Zi=_Z=4p12pm轉(zhuǎn)子Z=Z2=10/3p22pm10）定子外徑：由經(jīng)驗公式可得2極對小型電機滿載電勢標么值K=0.92+0.008861nP=0.975EN計算功率：P

12、p'=K'n=664.773x103VAECOS申'初選a'=0.72,K'=1.12,K'=0.98,A'=46000A/m,pNmdp1B'=0.72T,假定n'=1450r/min.于是得：56.11p'V=-a'K'K'A'B'n'pNmdp15=0.10685m3取九=0.74則D'二3空V=0.569mi1九兀D，=D'/（D/D）=1.015m1i1i1根據(jù)標準尺寸最后確定D1=1.02m11）定子內(nèi)徑D=0.57mi1鐵心的有效長度Vl

13、二=0.329mefD2i1取鐵心長l=0.325mi（12）氣隙由經(jīng)驗公式0.3（0.4+人：'D7）x10-3=1.02xlO-3m13）轉(zhuǎn)子外徑D2=0.568m14）轉(zhuǎn)子內(nèi)徑D=0.08mi215）鐵心有效長度（無徑向通風道）l=1+0.325+2x1.02x10-3=0.327mefi兀D（16）極距t=f=0.4477m2P17）定、轉(zhuǎn)子齒距：nD定子t1=Z=0.0373mZ1nD轉(zhuǎn)子12="Z2=0.0448m218）定子繞組采用單層繞組（19）轉(zhuǎn)子斜槽寬（b取一個定子齒距t）于是b7=0.0375msk1sknDA'cospnx0.57x46000x

14、0.88“（20）每相導體數(shù)N=鋰二=48血mI3x502.041KW單層線圈N=每相線圈匝數(shù)=3s1(21)每相串聯(lián)導體數(shù)N=s11=4801ma11N每相串聯(lián)匝數(shù)N二甘1=24（22）繞組線規(guī)設計NA=牛=98.36mm2i1c1aJ'11I'（定子電流初步值）=丄刊=570.5A1cosp'23)槽滿率：初步取B'=1.5Ti1估計定子齒寬tB'b二1§i1KB'Fei1=0.0373X0.72=0.01885m1)2)3)4)24)1)2)初步取B'j1ta'Bh=ps_j12KB'Fej1=1.5Tb=

15、0.0196mi1槽面積h22O.4477X0.72X0.72=0.977m2x0.95X1.25h=0.0008m,h=0.078m,r=0.014m)012121二0.142,h二0.0005,r二0.00&b二0.02425)0222i22r+bnr'-21一11(h'-h)+去=0.00217m22s2(訃0.021m)槽絕緣占面積：槽有效面積槽滿率繞組系數(shù)分布系數(shù)短距系數(shù)單層A=人(2h'+兀r)=0.00059m2iis21A=AefKdpKd1Kp1-A=0.00158m2iN_i1Aef=KKd1p1Ns1d2X100%=.qasm1_27aqs

16、in12.4x20。sin220。"4sin20.78(符合要求)牆二O'9254=sin邙=1210.95x1.511所以K=KK=1x0.9254=0.9254dpd1p1(25)每相有效串聯(lián)導體數(shù)J富=48X0.9254=443 結束語根據(jù)前面的發(fā)電機設計得出以下結論：本發(fā)電機采用雙輸出異步發(fā)電機，采用變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。電機具體參數(shù)如下表：表3-1.電機基本參數(shù)電機基本參數(shù)額定輸出功率600KW額定功率因數(shù)0.88額定電壓690V極數(shù)4極頻率50HZ效率0.9594轉(zhuǎn)速1490轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)矩2.45牛米槽滿率0.78電路類型三相星型表3-2定轉(zhuǎn)子結構基本參數(shù)定子結構基本參數(shù)轉(zhuǎn)子結構基本參數(shù)定子槽數(shù)48轉(zhuǎn)子槽數(shù)40定子外徑1.02m轉(zhuǎn)子外徑0.568m定子內(nèi)徑0.57m轉(zhuǎn)子內(nèi)徑0.08m定子槽型短距