风力发电系统设计

1课程设计设计题目：小型风力发电系统设计姓名郭国亮院系食品工程学院专业热能与动力工程年级热能本1202学号20122916100指导教师刘启一2015年12月13日2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。3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，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：2014~2003年烟台市，全市平均气温2003年12.5℃2009年13.0℃2004年12.7℃2010年12.2℃2005年12.5℃2011年12.1℃2006年13.1℃2012年12.2℃2007年13.4℃2013年12.6℃2008年12.7℃2014年13.4℃由此可得，历年平均气温为7.12℃烟台历年平均风速：年份风速（m/s)年份风速（m/s)年份风速（m/s)19884.119943.420003.219893.719953.420013.3319903.619963.520023.019913.819973.320032.819923.619983.420043.119933.519993.320053.1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：)(1212zzvv其指数公式为：)/㏒(z)/㏒1212zvv（式中：-为风切指数；1z-为已知高度；2z-为变化后风速所在高度；m1v-为高度为1z的风速；2v-为高度为2z的风速；单位sm/如表：70米测风塔各高度风速和风切变指数高度（m）1030506070平均风速（m/s)6.827.818.398.618.7710m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：风力发电机依靠风力转动，为了使风力机能够输出更多的能量，风力发电机安装位置的选择是非常重要的，风力大小除了跟风速有关，还跟气候环境、地理位置、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sm/4（2）sm/20~3的有效风速累计h4000~2000以上时效（3）全年sm/20~3平均有效的风能密度满足2/100mW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。43）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）湍流强度要小第二章：风力发电系统结构组成设计2.1风力发电基本原理：风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，主要包括风力机和发电机。空气流动的能动作用在风力机风轮上，从未推动风轮旋转，将空气动力能转换风轮的机械能，通过传动装置，发电机将机械能转换为电能，输送给电力系统。2.2风力发电机整体结构：风力发电机机组整体结构分为：桨叶、轮毂、发电机自动控制装置、传动系统、逆变器、偏航系统、蓄电池、变桨系统，变流器、风速风向仪和各类传感器、以及塔架等等。风电机组的电气系统包括以下四个主要部分：变浆距驱动，偏航驱动，发电机部分，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：工控机输入输出端子模块偏航驱动装置风向风速仪偏航电机5其中，工作原理为：风向风速仪将风速风向的实际测量值传递到工控机，偏航编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后，把指令发送给偏航驱动器，偏航驱动器最后控制偏航电机，从而决定风力发电机的偏航动作，达到对准风向目的。在偏航过程中，偏航电机通过同轴连接的减速箱带动机舱转动。并且要考虑到风机朝一个方向转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、主动失速调节其中，工作原理为：直线位移传感器将检测到的主轴实际位移值传递到工控机，接近开关把检测到的发电机的实时转速传递给工控机，通过算法程序后，把指令发送到变桨驱动器，最后控制变桨电机，从而决定发电机的变桨动作。为了安全，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1）按容量分类：小型（kw10)、中型(kwkw100~10)、大型（以上kw100）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。偏航编码器工控机输入输出端子模块变桨驱动装置接近开关直线位移传感器变桨电机63）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。2）叶片数目的确定：一般叶片测量长度为20米，通常2枚或3枚。叶片可以分为变桨距和定桨距两种叶片，其作用都是为了调速，以保证风力发电机输出功率不会超过允许值。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，这是塔架承受两个载荷：一是风力发电机的重力，二是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。塔架的材料一般是铁管或钢材做成的桁架结构，要根据风力发电机的重量和承受的阻力来确定高度及结构类型。2.3贝茨理论：1S2S3S1V2V3V如图：贝茨理论模型其中：理想风轮由上图中间面积为2S的区域代替，风经过此处的风度为2V，风轮前区域面积为1S，风经过此处的风度为1V，风轮后方面积为3S，此处的风速为3V，其中空气密度为。由于空气总流量不变，可以得到：7332211VSVSVS由动量变化可以得出风轮上风的作用力：)(3122VVVSF因此，可以得到风轮前后的动能变化，即风轮吸收的功率：)(21232122VVVSP由于是理想的模式，因此，可以认为风轮吸收的功率与风轮上风的作用力做的功，即)(312222VVVSFVP由上式得：)(21312VVV))((412321312VVVVSP由于风速1V是不受控制的，即是固定的，我们可以把P看成3V的函数，对上式求导得：))((4123213123VVVVSdVdP又因为：321SVCPp所以得：1331VV312278VSP此时，P为理论最大吸收功率。综上所述并计算得到593.0pC，为最大风能利用系数，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%3.59。2.4叶尖速比：风轮机以风作为原动能，风轮机的性能的好坏直接影响着风力发电系统对于风能的利用率。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来表示，叶尖速比和叶片桨距角β决定了风能利用系数的大小，叶尖速比为风轮叶片尖端的线速度和当前风速的比值，公式如下：VR)42(n602)52(其中：8—为风轮的旋转角速度，R—为风力机叶片半径，V—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：风能大小实际就是气流流过的动能，风能与风速成正比，而当物体在流体空气中变慢时，流体空气的动能会变成对物体的压力能，所以这个压力与风度的平方成正比，又由于功率是力和速度的乘积，所以功率与风速的立方成正比，如下：321SVW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：321SVCPp2RS式中：P—是风机吸收的功率，pC—是风能利用系数，S—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）风机变流器电网控制系统蓄电池9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。而变流器的控制能源一直由电网提供，变流器与电网之间有一个DCAC/转换器，能将电网的电能转换成V24直流电，供变流器工作，当风力不足时，变流器不但不能给电网输送电能，反而消耗电网电能，因此长时间检测到风速过低时，要停止变流器工作。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：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。上图，控制系统中，工控机为风力发电机控制系统的核心，主要负责指挥个模块系统的运行，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）接受各类传感器检测到的实时数据，从而掌握风况以及风力发电机运行状态，具体包括风速、风向、转速、组件温度、变流器输出有功功率等。风力发电机机侧变流器网侧变流器电网偏航电机变桨电机机侧变流器控制器网侧变流器控制器偏航驱动器变桨驱动器输入输出端子模块工控机各类检测传感器人机界面102）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：在一定的风速条件下，通过对等效负载的调整，实现风轮机转速的调整变化，使得风轮机运行