风电毕业设计信号部分.docx

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风电毕业设计信号部分

第一章风电场概况

一．风电场介绍

中国风力发电起步较晚，但发展较快。

目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。

20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。

1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。

1986年在新疆达坂城安装了１台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。

特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。

据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985万KW。

目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。

（一）1.风电场的兴起

在丹麦和德国风电机组主要是由农民购买，分散安装在各自的农场里，风力发电场是将多台并网型风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，简称风电场，是大规模集中利用风能的方式，于80年代初在美国加利福尼亚州兴起。

20世纪80年代初美国政府对可再生能源的投资者分别抵免25%的税赋，规定有效期到1985年底，另外立法规定电力公司必须收购风电，并且价格是长期稳定的，90年代后期，美国改为按可再生能源发电量减税，每kWh减1.5美分，

欧洲将风电的发展作为实现减排二氧化碳等温室气体承诺的措施，开发风电的动力主要来自改善环境的压力。

丹麦、德国和西班牙等都制定了比较高的收购风电电价，保持了稳定高速的增长，1996年以后年增长率超过30%，印度是一个缺电的发展中国家，政府制定了许多鼓励风电的政策，如投资风电的企业，可将风电的电量“储蓄”，当电网拉闸限电时，有“储蓄”的企业能够得到优先供电，印度风电增长很快，1995年当年装机30多万kW，2003年累计达到210万kW，居世界第5位。

风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。

下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。

1）经济驱动力

能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。

在偏远地区，电力供应困难。

与常规电网延伸和柴/汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。

例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风力发电系统供电，农牧户承担的成本约2元/KW左右。

如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于8元/KW。

在这些地区，利用汽油/柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于6元/KW。

进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。

人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。

目前石油储量约1300亿吨，年消耗量约35亿吨，计今后25年中平均年消耗量将达50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过2000亿吨，石油资源在四五十年后也将枯竭。

为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。

风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。

一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。

风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。

风力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。

风力发电技术的研发、示范到商业化发展，最终进入市场，将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。

一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。

2）环境驱动力

除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。

冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。

为减缓地球变暖，1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第3次大会上，84国代表审议通过《京都议定书》，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。

这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。

风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。

3）社会驱动力

风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。

除了在工厂的生产和装机工程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。

另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。

许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。

绿色电力的发展就是一个典型的例子，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。

4）技术驱动力

随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。

2丰富的风资源

风资源是评估风电场好差的标准

国际和国内风电场评估标准（GB/T18710-2002）

风电场等级

10m

50m

并网风发电

风功率密度

年平均风速（m/s）

风功率密度

年平均风速（m/s）

1

2

3

4

5

6

7

<1004.4<2005.6

100~1505.1200~3006.4

150~2005.6300~4007.0较好

200~2506.0400~5007.5好

250~3006.4500~6008.0很好

300~4007.0600~8008.8很好

400~5009.4800~200011.9很好

（二）设备

1风机

1.1风力发电机的描述

风力发电机（以下简称为“风机”）是三叶片式，上风向的，叶片受风角度可调（以下简称为“变浆矩”）并且主动偏航的风机。

叶轮直径为52米。

风机配有Ingecon-W控制系统，该系统可以使风机在比较宽的转子转速变化范围内运转。

叶轮有3个叶片（全长控制），叶片轴承，以及球墨铸铁轮毂构成。

叶片全长25.3米，由玻璃纤维增强的环氧树脂予浸料并采用模技术制造。

每一叶片由两个叶片“壳”和一根支撑“梁”构成。

叶片中插入特殊的钢插头用以连接叶片和叶片轴承（4-点球式轴承，安装在叶片轮毂上）。

叶片的受风倾斜角可调。

风机的这个特性可以根据发电量及发出的噪音精细地随时调节叶片运行时的角度。

在高风速下，Ingecon-W控制系统和变浆矩系统将风机的输出功率保持在额定功率，与空气的温度和密度没有关系。

在低风速条件下，变浆矩系统OptiTip和Ingecon-W控制系统通过选择转子的转速和叶片角度的最佳结合使风机的输出功率最大，主轴将功率通过齿轮箱传输到发电机。

3级复合行星式及螺旋状平行主轴齿轮箱.从齿轮箱,通过卡登柔性联结（cardan-joint）能量被偶合到发电机，发电机是一台高效率的,4极,双馈式发电机,带有绕组转子和滑差线圈。

风机的基本制动方法是全顺浆（fullfeatheirng）制动。

其他的制动是紧急状态下的紧急制动，通过液压系统启动安装在齿轮箱高速主轴上的紧急碟式制动器。

风机的功能通过几台微处理器构成的控制单元监控。

控制系统安装在机舱内。

叶片的角度变化通过液压系统调节。

这个调节控制系统可以使叶片的转动角度从-5o变化到+88o。

这个系统同时也向制动系统供应压力。

偏航系统由两台电机驱动的齿轮构成，由风机的控制器通过安装在机舱顶部的风向仪提供的风向信息控制风机的转向。

定向齿轮驱动定向齿轮条。

定向轴承是一个平面型轴承，有嵌入式摩擦和自锁定功能，机舱盖是由玻璃纤维强化的聚脂材料制成，可以保护机舱内部的设备，防雨，雪，尘和阳光的照射。

从塔架进入机舱是通过塔顶的一个中央开口。

机舱内还安装了一台起重量为125千克的维护（检修）吊车，风机的塔架的高度有3种，44，55和65米。

塔架是钢结构的圆锥型筒式结构，可以由两段或三段构成。

塔的外表刷了油漆以保护塔体不被腐蚀。

1.2Ingecon-W控制系统

Ingecon-W控制系统可以保证风机叶轮的速度和驱动扭矩总是将稳定和恒定的电能最终输送给电网。

这个控制系统同时使电能到达电网的功率因数为1。

Ingecon-W系统由一台高效的异步电机和绕组转子，滑差线圈，以及两台4-象限转换器IGBT，接触器和保护构成。

由于这台发电机独特的控制方式，如果我们从电网（也就是从锭子来看）这台发电机是一台同步发电机，发电机有短路和过载保护。

它们的温度也连续不断地受到锭子上的PT100模块的监控，Ingecon-W控制系统下的发电机是一台特殊的同步发电机，它可以在变化的速度（900-1900rpm）下运转，并且随时保持发电功率的稳定。

发电机的这个特点是通过控制转子的电流实现的，通过控制这些电流，功率因数可以看作是一个可控的控制系统参数，同步发电的另一个结果是通过Ingecon-W系统可以实现与电网的“软”连接，也就是与电网的“平滑”连接/断接。

1.3气象条件

风机的设计运行环境温度为-30℃到+40℃的范围，如果在这个温度范围之外，必须采取特殊的措施，安装在风场的风机之间的距离在主风向至少5个叶轮的直径的距离，也就是260米。

如果风机在主风向的垂直方向上成排安装，风机之间的距离不得小于3个轮的直径，也就是156米，相对湿度可以为100%（最长10%的时间）。

外部的防腐等级为C5-M，内部的防腐等级为C2-C3（ISO12944-2）。

1.2功率曲线（包括能量转换系数Cp和推力系数Ct曲线）

1.2.1功率曲线（计算值）

G80-2.0MW风力发电机的功率曲线是根据NACA63.XX和FFA-W3叶片外形计算得到的。

计算采用的参数如表1所示。

表1.G80-2.0MW风力发电机功率曲线的计算参数

额定功率：

2000KW

频率：

50Hz/60Hz

叶轮直径：

80米

叶片角度：

可调

紊流强度：

10%

表2a-e提供了在不同的空气密度[kg/m3]下功率与风速[m/s]（10分钟平均）的函数关系。

风速是在轮毂高度并与叶轮平面垂直的位置上的值。

功率曲线不包括在变压器和高压电缆上的损失。

功率曲线105.1DB（A）

表2a.G80-2.0MW-105.1DB（A）风力发电机功率[Kw]在不同的空气密度[kg/m3]下与风速[m/s]（10分钟平均）的函数关系。

图1a.G80-2.0MW-105.1DB（A）风力发电机的功率曲线，空气密度1.225kg/m3

功率曲线104.0DB（A）

表2b.G80-2.0MW-104.0DB（A）风力发电机功率[Kw]在不同的空气密度[kg/m3]下与风速[m/s]（10分钟平均）的函数关系。

图1b.G80-2.0MW-104.0DB（A）风力发电机的功率曲线，空气密度1.225kg/m3

功率曲线102.5DB（A）

表2c.G80-2.0MW-102.5DB（A）风力发电机功率[Kw]在不同的空气密度[kg/m3]下与风速[m/s]（10分钟平均）的函数关系。

图1c.G80-2.0MW-102.5DB（A）风力发电机的功率曲线，空气密度1.225kg/m3

功率曲线102DB（A）

表2d.G80-2.0MW-102DB（A）风力发电机功率[Kw]在不同的空气密度[kg/m