风力发电专业课程设计.docx

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风力发电专业课程设计

榆林学院

专业综合实训

题目

风力发电系统设计

学生姓名

任刚

学号

院（系）

能源工程学院

专业

能源和动力工程

指导老师

胡广涛

汇报日期

12月23日

风力发电系统设计

引言

自然界风，是因为大气运动而产生自然形式。

大气运动则是因为大气受到太阳辐射，能量起源于大气吸收部分太阳能，太阳抵达地球辐射20%会转变成风能。

人类对于风能利用历史久远，能够追溯到公元10世纪，波斯就出现了种水平转动风磨，即为以风车为动力磨坊。

风能是种取之不尽、用之不竭可再生能源之一。

它特点是生产利用过程安全清洁，成本花费较低，起源不受限制。

风能也是种最具商业潜力，最具发展活力绿色能源，利用于发电这一领域有很大利用空间。

风电是现在技术最成熟、最具市场竞争力且极具发展潜力可再生清洁能源，发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济可连续发展等方面有着及其关键意义。

风力发电含有装机容量增加快，成本下降快，安全环境保护等优势。

风力发电在为社会发展和经济增加提供稳定可靠电力供给同时，能够有效地缓解空气污染、水体污染和温室效应问题。

在各类新能源开发利用中，风力发电技术相对于其它能源开发是比较成熟，而且含有大规模场地开发和商业经济开发条件。

风力发电能够完全避免像石油、煤炭等化石燃料发电所产生大量污染物和二氧化碳排放。

中国风能资源分布：

中国风能资源地域区域差异大。

沿海、内蒙古和甘肃北部、黑龙江南部和吉林东部三个区域风能最多；青藏高原中部和北部、西北、华北、东北三区域北部，东南沿海风能资源丰富；山区，比如南岭、武夷山地域，辽河、华北、长江中下游平原、西北高原地域，风能可待开发利用；云贵川陕西、豫西、鄂北、湘西、福建广东，盆地地形区等风能贫乏。

中国风能资源分布除了含有空间上差异以外，在时间上也有很大差异。

东部沿海地域，夏季风势力强劲，风能资源关键集中在夏季。

而北方和西北内陆地域，冬季风势力强劲，所以这些地域风能资源关键集中在冬季。

海上风电场是最近世界范围内广泛推广使用大型有效利用风能资源形式，在1980年初在美国加利福尼亚首先兴起。

在海陆线周围因为陆地、海洋吸热量差异大，表体温度差异大而产生丰富风能资源，风力强大，能够大规模采取进行发电。

不过在海陆线上建设风力发电厂还存在技术难度，需要投入巨额资金装备和维护，所以在美国，德国，中国等这么大国才进行投产建设。

1设计概述

1.1风力发电意义

伴随电力和能源改革逐步深入，在国家提倡节能减排大背景下，风

力发电成为新能源开发利用关键领域。

在有风力资源地域，建设小型

风力发电或风光互补独立电站（集中供电系统或户用系统）成为为小型负

荷供电一个新选择。

研究中小型风力发电系统设计显得十分必需。

1.2明确风力发电系统设计要求和条件

在烟台地域设计一个装机容量100

风电场，一台风力发电机功率为10KW，需要10台风机。

中小型风力发电机通常应在风力资源较丰富地域使用。

　　　烟台地域气象设计参数：

如表：

年烟台市，全市平均气温

12.5℃

13.0℃

12.7℃

12.2℃

12.5℃

12.1℃

13.1℃

12.2℃

13.4℃

12.6℃

12.7℃

13.4℃

由此可得，历年平均气温为

℃年平均温度（℃）：

12.7　最高温度（℃）：

38　最低温度（℃）：

-12.8　平均风速（m/s）：

5.0

经过查取风功率密度等级表，得悉烟台地域风功率密度为200~250

（高度为10米）、320~400

（高度为30米）、400~500

（高度为50米）

1.3风力发电系统设计方案确实定

1.3.1风力发电机类型及选择标准

风力发电机组是将风能转化为电能装置，按其容量可大小以划分为小型风电机组（10KW以下），中型风电机组（1划分为水平轴0~100KW），大型风电机组（100KW以上）；按其主轴和地面相对位置，能够风力发电机组（主轴和地面平行），垂直轴风力发电机组（主轴和地面垂直）。

现在中国部分厂家研发生产采取永磁同时发电机风机，因为永磁同时电机轻易实现多极化，可省去或简化齿轮增速箱结构，其叶轮主轴和发电机能够直接祸合，不经齿轮增速而直接驱动发电机，所以这类风机又称为直驱（半直驱）式。

直驱式风机由塔架、轮毂、桨叶、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。

直驱式风机均采取低速永磁同时发电机。

本设计考虑采取永磁同时发电机。

1.3.2风电场类型

并网型：

接入电力系统运行，规模较大风力发电场。

本设计选“并网型”风力发电，能够省去蓄电池等储能装置。

选择同时发电机间接并网方法，电压经历了交流—直流—交流改变，避免了同时发电机直接并网可能出现失步问题。

1.3.3安装地点

安装地点确实定关键就是风资源和具体安装位置选择。

风能资源丰富，含有较稳定风向，风力发电机尽可能装在风向和风速比较稳定，季节改变比较小地方，湍流小，自然灾难小。

依据设计要求，关键设计内容拟包含风力发电机组控制系统中偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。

最早最简单风力发电机由叶轮和发电机两个部分组成，站立于一定高度塔上。

因为外界原因影响风很不稳定，这类风力发电机电压、频率差异很大且效率低下，没有实际利用价值。

所以在原有基础上，增加了偏航系统，齿轮箱，控制系统，停机系统等部件愈加有效地使用风能。

2风力发电系统结构组成设计

2.1风力发电系统原理及结构组成

风力发电机是一个将风能转换为电能能量转换装置，关键包含风力机和发电机。

空气流动能动作用在风力机风轮上，从未推进风轮旋转，将空气动力能转换风轮机械能，经过传动装置，发电机将机械能转换为电能，输送给电力系统。

风力发电系统组成：

风轮（风能转化为机械能关键部件）、发电机、传动机构、偏航系统、限速安全机构、制动装置、机舱和塔架等。

在现有技术基础上大致能够把一个一般风电机分为四大部分：

风轮组件，机舱组件，塔架组件和控制部分。

2.2风力发电系统设计参数

2.2.1风力发电机类型选择

本设计选择水平轴螺旋桨式风力机。

水平轴风力机关键由风轮、塔架、对风装置、齿轮箱组成。

（1）风轮：

由1~3个叶片组成，这是吸收风能关键部件。

当风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力作用，离心力对叶片是一个拉力，而气动力使叶片弯曲。

当风速高于风力机设计风速时，为预防叶片损坏，需对风轮进行控制，控制风轮有三种方法：

a，使风轮偏离主方向；b，改变叶片角度；利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。

（2）塔架：

为了让风轮能在较高风速中运行，需要塔架把风轮支撑起来。

这时塔架需要承受两个关键载荷：

一个是风力机重力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使塔架向风下游方向弯曲。

选择塔架时要必需考虑其成本，依据实际情况而定。

（3）对风装置：

自然界风向及风速一直改变，为了得到较高风能利用率，应使风能旋转面常常对准风向为此需要对风装置。

小型风力机对风装置，利用尾舵控制对风。

由尾翼带东水平轴旋转，是风轮总朝向风吹来方向。

（4）齿轮箱：

因为风轮转速比较低，而且风力大小常常改变着，这又使得转速不稳定。

所以，在带动发电机之前，还必需附加一个齿轮箱，再加一个调速装置使得转速保持稳定，然后在连接到发电机上。

齿轮箱关键作用是将风轮在风力作用下所产生动力传输给发电机，经过齿轮副增速作用使其得到对应转速。

在装机是应使其和轮毂相连。

为了增加齿轮箱制动能力，在齿轮箱输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。

2.2.2风力机功率

风动能和风速平方成正比，功率是力和速度乘积，也可用于风轮功率计算。

风力和速度平方成正比，所以风功率和风度三次方成正比。

假如风速增加一倍，风功率便会增加8倍。

风轮从风中吸收功率以下：

式中：

P为输出功率，

为风轮机功率系数，ρ为空气密度，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速。

众所周知，假如靠近风力机空气全部动能全部被风力机全部吸收，那么风轮后空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机效率总是小于1。

2.2.3控制方法

（1）偏航系统控制方法：

偏航系统用于在风向改变时，能够确保风轮跟着转动，通常由风向传感器和伺服电机组合而成。

并网型风力发电机组采取主动偏航齿轮驱动形式。

（2）变桨系统控制方法：

所以，选择电机驱动。

2.2.4最大功率追踪

叶尖速比控制算法：

为了表示风轮机运行速度快慢，通常采取叶尖速比来表征，计算公式以下：

（2-3）

其中：

—为叶尖速比，

—风轮机转速，

—风轮机旋转角速度，

—风轮机半径，最好叶尖速比控制算法是保持风轮机叶尖速比一直在最优值处，从而使风力发电机输出功率最大值。

3设备计算及选型

3.1风力机设计计算

3.1.1叶片设计计算

风轮半径：

（3-1）

式中：

P——一台风力机功率，W

——空气密度，取1.235

——风速，m/s

——功率系数

解得R=5.98m风轮转速：

（3-2）

式中：

—叶尖速比，取值6

解得：

=67.07r/min

3.1.2轮毂选型

风轮轮毂是连接叶片和风轮转轴部件，用于传输风轮力和力矩到后面机构。

轮毂通常由球墨铸铁制成。

关键有三种结构：

（1）固定式轮毂：

三叶片风轮大多采取固定式轮毂，制造成本低，维护少，不存在磨损问题。

（2）叶片之间相对固定铰链式轮毂，驱动力距改变很大产生很大噪音，风轮含有阻尼器作用。

（3）各叶片自由铰链式轮毂,风轮可保持恒速运转。

综合考虑本设计轮毂选择固定式。

3.1.3塔架设计计算

塔架高度：

塔架高度要满足风机叶片运转要求，而且要考虑经济方面原因，塔架通常高度为：

（3-3）

式中：

—靠近风轮叶片地面障碍物高度，m

—风轮叶扫落到障碍物最高点距离1.5~2m

解得：

H=12m

塔架结构：

依据塔架最大承受载荷及风能资源利用效率、成本综合比较选择塔架高度、材料及结构。

塔架设计参数以下：

塔架高度

安装方法

柱装

材料

Q345钢制材料

备注

表面镀锌

结构

锥形液压式

加工定制

3.1.4齿轮箱选择确定：

由上述求得：

所以：

（3-4）

其中：

-为扫风面积，

；

-为风轮半径，

；所以，风力机有效功率为：

（3-5）

取齿轮箱效率为

，则：

齿轮箱增速比为：

（3-6）　　　　　　　

齿轮箱前段低速轴由风轮驱动，而输出端高速轴和发电机轴连接。

3.1.5机舱设计

机舱通常包容了将风轮取得能量进行传输、转换全部机械和电气部件。

机舱多为铸铁结构，或采取带加强筋板式焊接结构。

设计机舱要求尽可能减小机舱质量而增加其刚度；兼顾舱内各部件安装、检修便利和机舱空间要紧凑，满足通风、散热、检验等维护需求，机舱对流动空气阻力要小。

水平轴风力机常采取单级或多级定轴线直齿齿轮或行星齿轮增速器。

3.2控制系统选型设计

ZK460-W12/10型控制器关键用于风电系统组成供电网络，控制器操作比较简单，性能可靠。

风机可接最大容量为12kW

技术参数如表3—2所表示：

项目描述

控制器类型ZK460-W12/10

额定电压DC460V

最大输入功率12kW

额定输出功率l0kW

保护电压DC550V~DC570V│

环境温度-10~45

环境湿度85%RH

防护等级IP20

整个控制器关键组成部分有:

液晶显示器、指示灯、显示仪表、内部接线、

内部操作开关和泄荷器等。

3.3变流器功率选择：

变流器将主发电机发出来电能整流成直流电，在逆变成和电网匹配交流电，电能谐波少，质量高。

变流器功率通常为风电机组额定功率1/2~1/3，考虑到风电机组可靠性，通常为风电机组额定功率1/2。

由此得：

型号

H8.0-10

额定功率

空载直流电流

逆变效率

逆变输出电压

主供方法

输出频率

运行温度范围

3.4逆变器选型计算

用于风力发电逆变器输出交流电频率为50Hz。

逆变开关电路是逆变器关键，它经过半导体开关器件导通和关断完成逆变功效。

完整逆变电路由主逆变电路、输入电路、输出电路、控制电路、辅助电路和保护电路组成。

选择逆变器型号为；GNW12K3G—CN（致远企业产）关键参数如表3—4所表示：

项目描述

工作电压范围DC380V~680V

最大输入电流30A

额定输入功率12KW

过载能力120%输出连续运行1min

3.5接触器选择：

发电机开关使用交流接触器。

选择西门子3TB系列接触器。

电机过载保护需要使用继电器进行保护。

选择继电器型号为LCD-84发电机差动型，它适应于大型交流发电机差动保护电路中。

3.6熔断器选择：

熔断器保护作为电途经载保护最常见一个手段利用于本文各个电路模块中。

在发电机处能够选择型号为LMZD2-20高压熔断器；偏航、变桨距和温度控制模块选择RT18低压熔断器。

3.7传感器、继电器选择：

风速风向传感器使用PH100SX型号[12]。

温度传感器选择PT100风管式温度传感器。

4设计体会

经过这次风力发电设计，让我了解了风力发电系统发电基础原理和系统组成，学到了很多风电场建设相关知识。

设计过程中掌握了风电系统运行过程，对风力发电有了更深入深入了解。

经过这次设计让我知道了理论和实践相结合关键性。

即使在设计过程中出现了部分问题，发觉了自己在这方面知识欠缺，如在选型计算中，自己设计考虑原因毕竟有限，得出计算结果和选择部件会有一定误差。

其实这次风力发电系统设计要计算包含很多方面，不过因为对风力发电系统没有过实体考察，很多比较材料系数，及结构组成、当地风资源情况方面不是很清楚，所以不是做很具体。

我个人认为课程设计相当于模拟训练，实战演练，我们每一位同学也转而变成了研究院里一名设计师，承包了一项大工程，从实地考察到确定设计方案，从设计计算到施工绘图每个过程我们全部要认认真真，实事求是，本着负责谨慎态度，使我们设计合理实用，经济舒适。

尽管如此，因为理论知识贮备不足和实践经验严重缺乏，设计中不可避免地出现了多种错误。

还好我们有所认识，有所领悟，我们会在以后工作中加以更正，补充不足。

不管怎样，课程设计还算顺利，能够按时完成。

实践出真知。

失败是成功之母。

从错误中吸收经验和教训，确保以后不再犯类似错误。

经验丰富了，知识也就成熟了。

伴随课程设计不停深入，我也逐步发觉自己所学专业知识不够用，对风力发电系统、控制系统、并网系统了解并不透彻，总而言之有很多不足。

经过这次设计，我确实提升了各方面能力，增加了很多知识，积累了丰富经验，对以后工作有很大帮助。

在此谢谢指导老师和同学们悉心教导和帮助。

5关键参考文件

1.《风电场工程技术手册》，宫靖远主编，机械工业出版社

2.《风能技术》,[美]TonyBurton等著，武鑫译，科学出版社

3.《中国风资源测量和评定实务》，高虎，刘薇，王艳等编著，化学工业出版社

4.《风能—可再生能源和环境》，[美]VaughnNelson著，李建林肖志东等译，人民邮电出版社

5.《风能技术和应用》，钱伯章编，科学出版社

6.《风能利用技术》，郭新生编著，化学工业出版社

7《风能利用技术》，化学工业出版社，郭新生主编

8《电力电子技术》，机械工业出版社，杨耕主编

9《风能和风力发电技术》，化学工业出版社，张志英主编

10《风力发电》，中国电力出版社，王承熙主编