風力發(fā)電系統(tǒng)設計

經(jīng)典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網(wǎng)絡整理，如有侵權，請聯(lián)系刪除，謝謝！郭國亮指導教師2015年12月13日1第一章：風力發(fā)電系統(tǒng)設計的概況1.1設計的目及意義：1）了解風力發(fā)電系統(tǒng)的原理和運行流程。2）設計小型的風力系統(tǒng)滿足地方需要。3）為了解決能源危機和環(huán)境保護、氣候變暖等各方面的問題，大力推廣可再生能源發(fā)展的必要性。1.2設計原則：1）可再生，且清潔無污染。2）風速隨時變化，風電機組承受著十分惡劣的交變載荷。風力發(fā)電的運行方式常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。1.3設計條件：設計一個10KW并網(wǎng)的風力發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。1.4發(fā)電系統(tǒng)設計方案：1）恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。2）變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。1.5煙臺當?shù)仫L資源概要：1）煙臺地理位置：煙臺市位于膠東半島北緣，中心地理位置約為：北緯37.8，東經(jīng)121.23，受季風環(huán)流的控制和其他天氣形勢的影響，該地區(qū)的風力資源十分豐富。如表：2003~2014年煙臺市，全市平均氣溫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，歷年平均氣溫為12.7℃煙臺歷年平均風速：年份19881989年份19941995風速（m/s)3.2200020013.73.43.3219901991199219933.63.83.63.519961997199819993.53.33.43.320022003200420053.02.83.13.1所以，煙臺歷年平均速度大約為：3.39m/s，最大風速為32.8m/s。2）風資源估算：切變指數(shù)：用于描述風速剖面線形狀的冪定律指數(shù)，準確計算得預裝輪轂高度處的風資源數(shù)據(jù)，是評估風電場發(fā)電估算的條件。風切指數(shù)表示風速在垂直于風向平面內(nèi)的變化，其大小反映風速隨著高度增加的快慢，其值大表示風能隨高度增加得快，其計算公式如下：冪定公式：zvv()221z其指數(shù)公式為：式中：1㏒（v/v)21(z/z)21-為風切指數(shù)；z-為已知高度；z-為變化后風速所在高度；m12v-為高度為z的風速；v-為高度為z的風速；單位m/s112如表：70米測風塔各高度風速和風切變指數(shù)25010m切變指數(shù)/0.1230.1290.1300.129由此算得10米風切指數(shù)為：0.121；1.6安裝位置風資源的確定：位置、地形、風機安裝的高度等因素有關。因此，安裝地點的確定主要就是風資源和具體安裝位置選擇。1）選擇地區(qū)需要年風資源較好安裝地點的風資源至少要滿足以下三個條件之一，才適合安裝風力發(fā)電機。而且年平均風速越大越好。（1）年平均風速4m/s（2）3~20m/s的有效風速累計2000~4000h以上時效（3）全年3~20m/s平均有效的風能密度滿足W/m2以上2）有較穩(wěn)定的盛行風向盛行風向指的是出現(xiàn)頻率最高的風向，選址時希望盛行風向能比較穩(wěn)定。我國是季風性較強的國家，不同季節(jié)盛行風有所變化。33）風速日變化、季變化小4）風機高度范圍內(nèi)“風切變”要小“風切變”是指風速在水平及垂直方向的突變，尤其在垂直方向的風速變化對風機的影響最大。安裝風機應該避開強切變，將風機安裝在迎風坡上。5）湍流強度要小2.1風力發(fā)電基本原理：統(tǒng)。2.2風力發(fā)電機整體結構：以及塔架等等。機部分，控制和監(jiān)控部分2.2.1偏航系統(tǒng)偏航系統(tǒng)的兩個作用：1）與風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風力發(fā)電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率。2）提供必要的鎖緊力矩，保障風力發(fā)電機組安全運行。偏航系統(tǒng)兩個分類：1）主動偏航：通過電控系統(tǒng)來執(zhí)行對準風向的偏航方式2）被動偏航：依靠風力通過機械結構被動完成對準風向的偏航方式。主動偏航使得迎風過程可以控制，可靠性更高，所以，在這里選擇主動偏航裝置。結構圖如下：輸入輸出端子模塊4碼器把檢測到風機機艙的實時指向角度也傳遞給工控機，工控機通過算法程序3圈后需要解纜的保護措施。2.2.2變槳系統(tǒng)變槳系統(tǒng)分類：1）液壓型變槳系統(tǒng)2）電動型變槳系統(tǒng)變槳控制方式：失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動失速調(diào)節(jié)輸入輸出端子模塊安全，要實時檢測變槳電機的溫度，并傳送到工控機，當溫度過高，停止變槳電機工作。2.2.3變流器變流器將主發(fā)電機發(fā)出來的電能整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)匹配的交流電，電能諧波少，質(zhì)量高。2.2.4風力發(fā)電機1010kw~100kw)、大型（100kw）風力發(fā)電機。2）按主軸與地面相對位置：水平軸風力發(fā)電機和垂直軸發(fā)電機。53）按使用的發(fā)電機類型分：鼠籠式異步風電機組、雙饋式異步風電機組、永磁同步風電機組。4）按風機功率調(diào)節(jié)方式分：定槳距失速型風電機組、變槳距失速型風電機組。5）按照應用場合的不同分為：并網(wǎng)型發(fā)電機和離網(wǎng)型發(fā)電機2.2.5風輪機1）組成部分：風輪機包括輪轂、葉片、主軸幾個部分，是風力發(fā)電機接受風能的部件。202枚或3不會超過允許值。3）輪轂：是連接葉片和主軸和主軸的部件，一般由鑄鋼和鋼板焊接而成，不允許有沙眼、裂紋，并按葉片可承受的最大離心力載荷來設計。4）主軸：將轉子軸心和齒輪箱連接。2.2.6塔架為了讓風輪在地面上較高的風速帶中運行，需要用塔架把風輪支撐起來，這量和承受的阻力來確定高度及結構類型。2.3貝茨理論：SSS123VVV123SV22SVSV1133。6SVSVSV112233FSVVV)22131PSVVV)2212223PSVVV)2222131VVV)22131PSVV)(VV)22142133VVP131VVVV)S2123421331PC32p所以得：1VV3318PSV321此時，P為理論最大吸收功率。綜上所述并計算得到C，為最大風p能利用系數(shù)，這表明即使沒有任何功率損失，風機的風能利用率最大只能達到59.3%。2.4葉尖速比：風能的利用率。風輪機對風能的利用率可以通過風機槳葉的風能利用系數(shù)Cp來和葉片槳距角葉片尖端的線速度和當前風速的比值，公式如下：R(24)(2Vn其中：7—為風輪的旋轉角速度，—為風力機葉片半徑，RV—為當前風速，n—為風輪機的轉速，2.5風能利用系數(shù)：1）風參數(shù)：風速和風向2）風能特點：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風地帶、無污染、分布廣、可分散利用。3)利用系數(shù)：1W32由于空氣中的能量不可能完全比風輪吸收，1926年，貝茨首次提出，通過減少風的速度來理論最大優(yōu)化風能。理論最大優(yōu)化公式如下：1PC32pSR2式中：P—是風機吸收的功率，C—是風能利用系數(shù)，pS—是掃風面積，—空氣密度，R—風輪的半徑，因此，風能利用系數(shù)代表著風機從自然風能中吸收能量的大小程度。2.6風力發(fā)電機組由運行方式分兩類：1）獨立式風力發(fā)電機組（發(fā)出的電能不并網(wǎng)，通過蓄電池儲存）。2）并網(wǎng)型風力發(fā)電機組。3）風機變流器蓄電池控制系統(tǒng)8上圖是：并網(wǎng)風力發(fā)電機組整天框圖圖中，風機主發(fā)電機發(fā)出的電能，經(jīng)過變流器，最后送到電網(wǎng)上。而變流器ACDC/轉換器，能將電的控制能源一直由電網(wǎng)提供，變流器與電網(wǎng)之間有一個網(wǎng)的電能轉換成24V器工作。蓄電池由電網(wǎng)充電，保證蓄能滿，從而保證控制系統(tǒng)電能穩(wěn)定。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，變流器不工作，控制系統(tǒng)的電能由蓄電池保證。由此可知，并網(wǎng)型發(fā)電機組更加靈活可靠，所以這次設計選用并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)。2.7控制系統(tǒng)的選擇：偏航電變槳電機機器如上：風力系統(tǒng)控制流程圖其中：控制系統(tǒng)的主要兩個目的為：1）最大風能捕捉，偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)實現(xiàn)最大風能捕捉。2）功率控制（最大功率追蹤、功率轉換），變流器實現(xiàn)功率控制。塊系統(tǒng)的運行，同時檢測、顯示和記錄各項數(shù)據(jù)。當異常情況出現(xiàn)時，還要能自動判斷，進行保護措施。工控機的主要作用：1具體包括風速、風向、轉速、組件溫度、變流器輸出有功功率等。92）控制偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)工作。3）根據(jù)檢測到的風速和轉速數(shù)據(jù)，額定功率以前，通過變流器來控制主發(fā)電機進行最大功率追蹤，額定功率以后，控制變槳系統(tǒng)保持主發(fā)電機額定功率發(fā)電。4）控制是否執(zhí)行保護措施。2.8最大功率追蹤算法：1）基本的原理：風能，并使風力發(fā)電機輸出功率最大，提高風能利用率，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運行。2）基本算法：自然界中風能是一種無規(guī)律隨機變化可重復利用的巨大能源，想要最大限度利用這一能源，需要采取最優(yōu)秀的方法，保證實時捕獲的風能資源利用率最高，終是保證每時每刻追蹤風能的最大化，使得風力發(fā)電設備發(fā)出的電能最大。一．葉尖速比控制算法：RVV其中：—為葉尖速比，n—風輪機轉速，—風輪機旋轉角速度，R—風輪機半徑，力發(fā)電機輸出功率最大值。原理圖如下：v輸出功率達到最大值。二．功率信號反饋控制算法：得到差值信號，從而實現(xiàn)對風力發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)化控制，其原理圖如下：w增加了系統(tǒng)的成本和復雜程度。3.1風力機的選型確定：3.1.1.基本參數(shù)的確定：1.葉片數(shù)：3B1~3風速高，因此適用于風力發(fā)電。3葉片風輪有以下優(yōu)點：平衡簡單，動載荷?。?葉片使風力發(fā)電機組系統(tǒng)運行平穩(wěn)，基本消除了系統(tǒng)的周期載荷，輸出較穩(wěn)定的轉矩；3葉片風輪通常能提供較佳的效率；3葉片風輪從審美的角度來說更令人滿意；3葉片風輪的受力平衡好，輪轂可以簡單些；噪聲相對較小。2.切入風速：Vm/s即發(fā)電的最低風速；3.切出風速：V25m/s即發(fā)電的最大風速；4.額定風速為：V10m/s；5.風能利用系數(shù)：C即額定功率下的風能利用系數(shù)；p6.各部分效率：傳動系統(tǒng)效率取η；發(fā)電機效率取η；變流器效率12取η0.96；37.風力發(fā)電機組額定輸出功率為P10kw；由此可得：風輪的直徑為：DmηηηV3Cp123其中：D-為風輪直徑，單位m-為空氣密度，取值為1.225kg/m3-為葉尖速比，取值為5所以風輪直徑選擇D由式(24)(2得：60Vm風輪轉速為：n116.5r/minR由此風力機選擇如下：10kms45/NE額定功率最大功率額定電壓啟動風速額定風速葉片材質(zhì)品牌增強玻璃鋼群英ms10/3.2齒輪箱的選擇確定：由上述求得：所以：DmAR23.144.125.748m2其中：A-為掃風面積，m2；R-為風輪半徑，；m所以，風力機的有效功率為：1PC321p1P0.361.22525.74810005677.43W21取齒輪箱效率為，則：nP10000齒輪箱的增速比為：i0nP5677.43110000116.5n0205.2r/min5677.43由此齒輪箱選擇如下：FZ25030~45低速轉速高速轉速工作效率r3.3發(fā)電機的選擇確定：發(fā)電機類型：雙饋異步變速恒頻式發(fā)電機發(fā)電機的輸出功率為：P10kwP1.1額定功率：P額1.111.46（預留的裕度）η3由此選擇發(fā)電機如下：型號額定輸出電壓額定電流500~1000/min輸出功率10kw3.4變流器功率選擇：電，電能諧波少，質(zhì)量高。變流器的功率通常為風電機組的額定功率的1/2~1/3，考慮到風電機組的可靠性，通常為風電機組額定功率的1/2。由此得：1PP變26kw空載直流電流逆變輸出電壓輸出頻率A50HZ運行溫度范圍25~50℃3.5控制系統(tǒng)的控制方式：控制流程圖如上2.7所示，其控制方式為：遠程監(jiān)控。1.偏航系統(tǒng)選擇：置。其流程圖如上2.2.1所示；2.變槳系統(tǒng)選擇：變槳系統(tǒng)控制方式：電動型變槳系統(tǒng)，其流程圖如上2.2.2所示；其電機參數(shù)選擇如下：2.2kw5.8Ar堵轉額定轉矩堵轉額定電流最大額定轉矩額定電流轉速710/80.5/min23.6塔架的高度及結構設定：1.塔架載荷計算：除了風載荷外，風電機組的幾乎所有的載荷也都將傳給塔架，按風電機組的載荷源分類又要有：1）風輪等構件承受的空氣動力載荷；2）重力和慣性載荷：由重力、振蕩、旋轉以及地震等引起的靜態(tài)和動態(tài)載荷；3）操作載荷：在機組運行和控制過程中產(chǎn)生的載荷。如功率變化、偏航、變漿以及制動過程產(chǎn)生的載荷等；4）其他載荷：諸如尾跡載荷、沖擊載荷、覆冰載荷等；最大歷史風速的暴風工況的推力計算：由于煙臺歷史最大風速為：32.8/，（預留20%的裕度）；ms所以V的取值為：sV32.81.239.36m/ss由推力計算公式：F0.784AVBbs其中：-為風輪的投影面積，m2；AV-暴風工況時最大風速，m/s；sB-為風輪葉片數(shù)；最終算得推力F為：NF造更高的塔架也需要更多的材料，使其造價相應增加。高度、材料及結構。塔架設計參數(shù)如下：塔架高度材料安裝方式備注Q345鋼制材料錐形液壓式表面鍍鋅加工定制結構來的，所以也許做的不是很好，但是真心能從里面學到的東西很多。真真，實事求是，本著負責謹慎的態(tài)度，使我們的設計合