第二部 风力发电机组技术基础.docx

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第二部风力发电机组技术基础

第二部风力发电机组技术基础

风力发电机组简介

风力发电机组:

能源转换装置:

风能→电能

几点说明

􀂄风力发电机和风车

􀂄风力发电机组:

风能转化成电能

􀂄风车:

风能转换成机械能

􀂄风力发电机和电网

􀂄风力发电机总是连接着某种电网

􀂄蓄电池电路

􀂄民用电网

􀂄独立电网

􀂄大型公用电网

􀂄风力发电机组和风

􀂄风不能贮存

􀂄风电的波动性和断续性（不可调度）

􀂄风不能被传送,风电只能就地产生

风力发电机组的主要组成部分

􀂄风力发电机组的主要组成部分：

—叶轮：

将风能转变为机械能。

—传动系统：

将叶轮的转速提升到发电机的额定转速

—发电机：

将叶轮获得的机械能再转变为电能。

—偏航系统：

使叶轮可靠地迎风转动并解缆。

—其它部件：

如塔架、机舱等

—控制系统：

使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全

风力发电机组的主要机型

􀂄按功率调节方式分:

􀂄定浆距（失速型）机组

􀂄变浆距机组组合成多种机组

􀂄按叶轮转速是否恒定分:

􀂄定速风速

􀂄变速风机

􀂄其它类型

􀂄主动失速型

􀂄无齿轮箱

􀂄海上机组

基本技术特征及发展趋势

􀂄基本技术特征

采用丹麦设计:

:

三叶片,水平轴,上风向

􀂄机型的发展趋势:

定浆距-----变浆距

定速型-----变速型

KW型-------MW型

有齿轮箱式----无齿轮箱式

主要零部件简介

叶轮

􀂄由叶片,轮毂（延长节）组成

􀂄是机组中最重要的部件,决定性能和成本

􀂄有上风向和下风向两种

􀂄叶轮的连接方式有固定式和可动式

􀂄叶片的材料:

玻璃钢,碳纤维,木质叶片….

叶轮设计

􀂄基本概念

􀂄尖速比

􀂄叶轮叶尖线速度与风速之比λ=2πnR/v1=ΩR/v1是一个重要的设计参数.对于大型风力发电机组,通常取较大的尖速比,尖速比在5-15时,较高的风能利用系数,通常可取6-8.

升阻比

􀂄叶片的升力系数和阻力系数之比,它是衡量叶片的一个重要指标ε=CL/Cd（其中CL为升力系数,Cd为阻力系数

叶片翼形

叶片的升阻比随着叶片的翼形和攻角的变化而不断变化的.

轮毂

功能：

联接叶片和主轴,最终连接到传动系统的其余部件

必须传递并承受所有来自叶片的载荷

材料：

通常用钢材,焊接或铸造制成，

由于结构一般较复杂,多用球墨铸铁制成

结构形式：

主要取决于方案的设计，水平轴通常有以下三种基本形式

􀂄钢性轮毂

􀂄跷跷板式轮毂

􀂄铰接叶片轮毂

轮毂结构形式

跷跷板式轮毂：

连接叶片的部件和连接主轴的部件可以相对运动．常用于两叶片或是单叶片机组

铰接式轮毂：

允许叶片相对旋转平面单独挥舞运动．；较少使用．

风力机的理论基础

􀂄贝兹理论

􀂄升力和阻力系数及特性

􀂄攻角

􀂄层流和紊流

贝兹理论

扫风面积：

A

􀂄假设:

空气流是均匀的，空气密度是常量，密度、速度和面积的乘积是不变的

贝兹理论

作用在叶片上的力

功角α

低速

中速

高速

失速的原理

传动系统

●􀂄是由风力发电机组中的旋转部件组成的，主要包括低速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承，联轴器和机械刹车

●􀂄齿轮箱通常采用行星架式

●􀂄有些机组无齿轮箱

􀂄包括:

低速轴、齿轮箱（有些机组无）、联轴器、膜片联轴器、离合器、齿轮箱

齿轮箱结构

􀂄一级行星,一组平行轴传动

􀂄一级行星,二级平行轴传动

􀂄强制润滑

􀂄润滑泵

􀂄过滤器

􀂄强制风冷

􀂄冷却器

􀂄温度传感器（PT100）

联轴器

发电机

􀂄主要有感应电机和同步电机两种，两者都能在并网时定速运行。

感应电机由于可靠,廉价,易于接入电网而得到更多的使用.

􀂄变速运行,电器系统较为复杂。

􀂄选用适当的变流装置,感应电机和同步电机都可以用于变速运行

发电机

􀂄异步发电机

􀂄双速电机（600机组）

􀂄单速电机（750及系列化机组）

􀂄主要结构

􀂄定子:

定子铁心、线圈等

􀂄转子:

转子铁心、轴、转子绕组、风扇。

工作原理

􀂄当接入电网时，S为滑差，也叫转差率。

S<0时：

发电机

S>0时：

电动机

发电机

􀂄同步电机

􀂄并网需满足以下条件

􀂄电压

􀂄频率

􀂄相位角

􀂄变频装置:

专门针对同步电机而设计的

􀂄发电机输出端，采用二极管整流器进行整流AC/DC

􀂄DC/AC转换,并入电网.

偏航系统

􀂄偏航轴承:

四点接触的球轴承

􀂄内齿

􀂄外齿

􀂄偏航减速器

􀂄偏航电机

􀂄偏航小齿轮

􀂄偏航计数器

塔架

桁架结构塔钢制锥塔水泥塔

风速计算

对于水平轴风力发电机组，塔架起着非常重要的作用。

地表粗糙度、大气热稳定性以及风机安装地点地形等因素的影响，风速随高度的增加而变化

H0一般为10m，H指距离风速平面的高度。

n取决于地表粗糙度、大气热稳定性等因素，是一个大约0.1～0.4的系数。

􀂄由于能够获得的风能：

􀂄因此，塔架越高，风力发电机组可能获得的风能就越高。

另一方面，塔架越高，但其成本会随之上升。

塔架所受的力

􀂄风速梯度分布产生的力

􀂄风产生的推力

􀂄叶片旋转产生的扭矩

􀂄重力本身对塔架产生的扭矩因此风区在塔架的设计中很重要风区划分标准

􀂄GL规范

􀂄IEC标准

􀂄DiBtwindzone德国标准

GL规范

IEC标准

DiBtwindzone德国标准

地质勘测

机位地质勘测

1.土质结构

2.地下水位

3.土壤承载力

4.冻土层（北方）

其它

基础设计

􀂄基础所受的力：

􀂄在计算时，一般将Mx与My合成合力矩，FX和Fy合成合力：

即

基础所需提供的力矩表

􀂄下表为750风机60米三类风区基础设计参数

􀀗750风机60米三类风区基础受力数据表

基础施工

1.机位确定后，开挖，平整

后铺垫层（砂砾层）。

2.基础钢筋布置。

3.混凝土浇注

基础环

􀂄基础环

􀂄连接基础与塔架

􀂄浇注混凝土

丹麦设计概念

设计特点:

􀀗水平轴

􀀗三叶片上风向

􀀗叶片与轮毂刚性联接

􀀗定速

􀀗异步发电机

􀀗主动偏航

􀀗失速调节功率

第一代商用并网风机简单，可靠，耐用

丹麦设计概念的发展

早在90年代，丹麦生产的150kW到300kW成了市场的主流

􀀗现在许多的制造商改变了他们的设计概念

􀀗一些依然坚持丹麦设计概念

􀀗一些用变浆功率调节代替了失速调节

Enercon设计概念

􀀗变速

􀀗变浆控制

􀀗同步发电机直接驱动

􀀗无齿箱

􀀗ac-dc-ac转换

金风62/1200

发电机

发电机转子直接由叶轮驱动

金风62/1200

􀂄塔高70米,叶轮直径62米

􀂄额定功率1200KW

其它设计概念

􀀗变浆控制（液压或是电控）

􀀗变速设计

􀀗双反馈电机通过AC-DC-AC转换

􀀗齿轮箱驱动电机

􀀗其它

软并网技术

􀂄叶轮带动异步发电机起动或转速接近同步转速时，与电网相连的每相双向晶闸管（两端与自动并网常开触点并联）逐渐同步打开。

自动并网开关尚未动作，发电机通过双向晶闸管平稳进入电网。

—异步转速小于同步转速阶段，异步发电机作为电动机运行；

—转速差为零时，双向晶闸管全部导通，自动并网开关动作，常开触点闭合，短接已全部开通的双向晶闸管。

软并网技术

􀂄—转速升高，发电机输出功率，双向晶闸管自动关闭，发电机输出电流通过自动开关触点流向电网

􀂄示意如图