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附录2：风力发电实验室建设方案浙江省财政资助风力发电实验室项目组1风力发电实验室建设方案1、建设项目必须符合的总要求风力发电实验室是要求建设一个符合风力发电专业和实际风电专业教学要求的风力发电系统，包括具有无级可变风速及可任意连续可变风向的模拟风力源系统（与并网型双馈风力发电机组配套实验）和三组无级可变风速及60度连续可变风向的模拟风力源系统（与小型风力发电机组配套实验）。由一套采用主动偏航齿轮驱动形式的、模拟大型变桨距变速恒频风力异步双馈发电机组、双PWM变流器、电气测控柜和中控台构成的风力发电教学实训系统，以及由三套小型风力发电机和配套仪器仪表所组成的一个符合大、小型风电机组实验技术要求的综合风力发电实验室，以满足学生教学实训要求。同时需要系统地考虑教学实训项目的要求并具一定的特色。所以本建设项目具体实施的投标单位，不仅要吸收目前并网型风力发电设备的新技术，还应紧密结合教学的实际，必须全面满足完成实训项目的要求，模拟风场与变桨距异步双馈发电机组必须符合教学要求的实际原形的物理模拟标准。要能够观察到各种工况的物理过程，获得明确的物理概念，可以探索到现象的本质极其变化的基本规律，在教学实训中可使风力发电实验室的作用和功能得到进一步的拓展，能够进行典型系统的实训，应符合实训教学的可测试性和可操作性。2、对模拟风场系统结构的基本要求以风能为动力的发电设备，称为风力发电机组。在实际风电工程中，安装在风电场中的风力发电机组的原动力风能是自然风，风的速度和方向是不断变化的，而功率与风速的立方成正比。因此在实验室的室外模拟风场中必须设计建设一个连续可变风速及可任意连续可变风向的模拟风力源系统。在室外模拟风场中安装的风力发电机组要求是采用300W小型风力发电组，整个风场用金属网隔离。在室内安装的并网型风力发电机组要求设计制造成采用主动偏航齿轮驱动形式的、由变桨距风轮机、齿轮箱和异步双馈发电机组等构成风电主机，风速和风向信号取自于室外模拟风场的模拟风力源系统，变桨距调节信号取自于发电机功率。并网型风力发电机组的原动力采用直流调速电机，直流调速电机的转速与室外模拟风场中测得的风速成正比。并网型风力发电机组产生的电能，通过电缆经模拟箱式变电站将其电压由0.69KV模拟升至10KV后，是经架空线路或电缆模拟输送到风电场的变电所。3、对并网型风力发电机组的基本要求并网型风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。要求并网型风力发电机组的在设定的模拟风况和电网条件下能够长期安全运行。3.1、并网型风力发电机组系统分为风轮、齿轮箱、发电机、塔筒和基础等几个部分。经过调研和综合分析，为了符合风力发电专业和实际并网型风电工程的教学要求，本并网型风力发电机组设计制造要求是：采用三叶片（叶片长度根据实验室场地允许条件取）围绕叶片纵向轴线转动的变桨距风轮机，具有主动偏航齿轮驱动功能，采用双馈异步发电机。底盘上安装除了控制器以外的机组主要部件。塔架支撑底盘达到1M的高度，筒内安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，塔架结构采用筒形。基础根据实验室的地质情况和塔架筒形结构形式设计。其中心预置与塔架连接的基础部件，保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。附录2：风力发电实验室建设方案浙江省财政资助风力发电实验室项目组23.2、并网型风力发电机组由传动系统、偏航系统，液压系统与制动系统、发电机、控制与安全系统等组成。传动系统：包括主轴、齿轮箱和联轴节。轮毂与主轴固定连接，将风轮的转矩传递给齿轮箱。也可将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体。由于模拟大型风力发电机组，风轮的转速可考虑在0～30r/min范围内,通过齿轮箱增速经高速轴驱动发电机旋转。偏航系统：偏航系统要求跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。将模拟风向信号经传感器发给控制器，经过与风轮的实际方位进行比较后，发出指令给偏航电动机，驱动小齿轮沿着与塔架顶部固定的大齿圈移动，经过偏航轴承使机舱传动，直到风轮对准模拟风向后停止。液压系统：要求为油缸和制动器提供驱动压力。液压系统由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀等组成。油缸主要是用于驱动变桨距风轮的变距机构。制动系统：本并网型风力发电机组要求设置空气动力制动和机械制动两部分。要求变桨距风轮能处于顺桨位置时模拟利用空气阻力使风轮减速或停机的状态，以便显示空气动力制动原理。要求在齿轮箱的高速输出轴上设置的盘式制动器，进行机械制动。本实训系统在运行时要让机组停机，首先采用模拟空气制动，由原动机减速来模拟风轮减速，再采用机械制动使风轮停转。发电机：将风轮的机械能转换为电能，本并网型风力发电机组要求采用双馈异步发电机。当模拟风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网，向电网送电。模拟风速继续增加，发电机转速也略为升高，增加输出功率。达到额定模拟风速后，通过风轮叶片的调节，模拟稳定在额定功率不再增加。反之模拟风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后脱开电网。控制系统：包括控制和监测两部分，控制部分要求有手动控制和自动控制。可在现场根据需要进行手动控制，自动控制要求在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略，保证机组正常安全运行。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制的显示屏上可以查询，也应送到实验室中央控制室的电脑系统。安全系统：要保证机组在发生非正常情况时立即停机，风轮被制动停止旋转。4、对并网型风力发电机组主要参数的要求本并网型风力发电机组要求提供一个功率曲线图，横坐标是风速，纵坐标是机组的输出功率。功率曲线主要分为上升和稳定两部分，机组开始向电网输出功率时的模拟风速称为切入风速。随着模拟风速的增大，输出功率上升，输出功率大约与风速的立方成正比，达到额定功率值时的风速称为额定风速。此后模拟风速再增加，由于风轮的调节，功率保持不变。5、对并网型风力发电机组布局和中心位置的要求投标建设厂家首先论证总体设计任务和技术要求，以现有技术确定机组、布局，确定所设计模拟风力发电机组的几何尺寸、重量和性能等基本特性。5.1、整机总体布置整机各部件、各系统、附件和设备等布置要求合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。6、对并网型风力发电机组风轮总体参数的要求6.1、风轮叶片数B由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，本并网型风力机采用三叶片风轮。6.2、风轮直径D风轮直径应根据实验室场地限制考虑尽量取长（并网机组的风轮叶片长度缩短）。6.3、设计风速V1附录2：风力发电实验室建设方案浙江省财政资助风力发电实验室项目组3风力发电机组的平均毛呢风速和频度，按实际工程型机组的范围进行。6.4、尖速比λ本并网型风力发电机组采用变桨距的风轮叶片，要求在风轮起动时，变距角要能调节到较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。要求根据风轮设计转速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后再用公式λ=RΩ/V进行尖速比的计算，确定其设计参数。6.5、其他塔筒高度建议取1米，风轮中心高度是指风轮中心离安装处地面的高度，风轮中心离地高度应根据风轮机在机架上的布置而定。7、对并网型风力发电机组动力学特性的要求要求具有良好的动力学特性，足够的动力稳定性裕度，可接受的风轮及机体振动载荷以及低的水平振动。本并网型风力发电机组主要应考虑动载荷、振动及动力稳定性等三个方面。7.1动载荷本并网型风力发电机组的原动力考虑在模拟风力源系统风能的作用下通过传感系统控制并网型风力发电机组的原动机驱动，原动机要求能模拟作用于风轮叶片上的周期性气动载荷引起的动响应，因此在机构、传动、结合发电方面应尽量实现系统的展示。7.2振动本并网型风力发电机组除风轮外，电机、传动系统及其支撑结构等设计都应考虑减轻振动问题。7.3动力稳定性为了保证并网型风力发电机组在使用中不出现整机动力不稳定性，就要求机组在其整个运行范围内不存在整机动力不稳定区。风力发电机组开车时风轮转速总是从零开始加速，因而这个工作转速范围也就是从零一直到最大转速。此外，为了保证一定的安全裕度，要求整机动力不稳定区的下边界不低于最大转速的120%。8、对并网型风力发电机组整机可靠性的要求可靠性是并网型模拟风力发电机组基本质量标志，是风电教学实训质量的重要组成部分。可靠性是来自设计制造和使用维护、设计制造可靠性是影响实训系统可靠性的重要因素，因此要求投标单位必须进行认识的设计和制造。9、对并网型风力发电机组结构设计的要求并网型模拟风力发电机组的结构设计内容主要包括叶片、轮毂、偏航系统、主轴、主轴承、齿轮箱、刹车系统、液压系统、机舱及塔架的结构设计。9.1并网型风力发电机组的结构设计基本原则9.1.1技术性尽可能采用成熟的新技术、新材料、新工艺，保证风力发电机组满足总体设计技术指标。9.1.2经济性综合考虑包括模拟风力发电机组的制造成本、运行及维护成本。9.1.3可靠性应该科学、合理的综合考虑技术指标、经济性指标，最终满足可靠性指标。9.2并网型风力发电机组结构设计的一般要求部件设计的主要任务是选择部件的结构形式，布置结构的主要构件、确定构件的尺寸参数等。在这个基础上进行具体的细节设计，绘制出全部的工程图。9.2.1强度、刚度要求：机舱底盘平台、叶片、塔架等各受力构件及其组合部件必须能承受相应状态载荷的足够强度、刚度。9.2.2动力学要求：区别于一般机械结构设计的要求，并网型风力发电机组动部件所受载荷是交变载荷，设计时，应考虑质量、刚度分布对构件、整机的固有特性的影响，使得附录2：风力发电实验室建设方案浙江省财政资助风力发电实验室项目组4部件、整机的固有频率避开激振力频率，降低动应力水平、提高部件以及整机的寿命和可靠性。9.2.3工艺性要求：结构的工艺性是指在具体生产条件对所设计的结构能使其在生产过程实现的可能性程度。9.3对结构优化设计的要求由于建设经费有限，并网型风力发电机组应从各种可能的多个结构设计方面寻求满足设计要求的最好方案，使得结构设计既满足强度、刚度、工艺性要求而又使得结构重量轻、制造成本低。为了实现这个目的，在优化设计过程中，需要不断改变设计变量，使之按教学实训要求的方面变化，因此，结构优化设计就是一个分析→设计→再分析→再设计……的过程。要形成使总体、结构、工艺设计一体化的设计方法。结构设计不是一个简单的设计过程，要同时考虑大量复杂的条件，以达到结构可靠性要求和优化设计的目的。建议考虑下述两种设计方法：一是根据载荷及功能要求进行结构设计；二是根据结构进行载荷校核。10、对并网型风力发电机组总体布置及动力系统的设计要求10.1对机组总体布置的要求风力发电机传动及偏航系统和机舱底盘的结构设计方案中，采用当前最流行的一字型或一字型的改变型。10.2、对轮毂的要求轮毂是联接叶片与主轴的重要部件，它承受了风力作用在叶片上推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩。风轮轮毂传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去。它是影响风机性能和质量的关键部件。并网型模拟风力发电机组轮毂的形状要求采用三通型轮毂或三角形轮毂。轮毂的结构要求采用铸造结构或焊接结构，材料要求采用铸钢或高强度球墨铸铁。10.3、对主轴的要求在并网型模拟风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载的作用，并将扭矩传递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给机舱、塔架。在结构允许的条件下，应将主轴尽量设计的保守一些。主轴的主要结构一般有挑臂梁结构和悬臂梁结构两种，本并网型模拟风力发电机组要求采用三点式支撑的悬臂梁结构主轴，悬臂梁结构主轴上的一个支撑由轴承架支撑；另一支撑由齿轮箱支撑。这种结构的前支点为刚性支撑，后支点（齿轮箱）为弹性支撑，能够吸收突变负载。10.3.1.主轴的材料选用：由于风力发电机组主轴受力复杂，要求选用优质钢材。10.3.2.轴静强度的安全系数校核轴的静强度是根据轴的短时最大载荷（包括动载荷和冲击载荷）来计算的。校核的目的是保证轴对塑性变形的抵抗能力。10.