风电毕业设计信号部分.docx

1、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

2、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，

3、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。

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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/T 18710-2002)风电场等级10m50m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)1234567 100 4.4 200 5.6 100150 5.1 200300 6.4 150200 5.6 300400 7.0 较好 200250 6.0 400500 7.5 好 250300 6.4 500600 8.0

9、 很好 300400 7.0 600800 8.8 很好 400500 9.4 8002000 11.9 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

10、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

11、法是全顺浆（full featheirng）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

12、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。1.2 Ingecon-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

13、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

14、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（ISO 12944-2）。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NACA 63. 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： 2000 KW频率： 50Hz/60Hz叶轮直径： 80 米

15、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/m

16、3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/m3下与风速m/s(10分钟平均)的函数关系。图1d. G80-2.0MW-1

17、02DB(A)风力发电机的功率曲线，空气密度1.225kg/m3功率曲线101DB(A) 表2e. G80-2.0MW-101DB(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1e. G80-2.0MW-101DB(A)风力发电机的功率曲线，空气密度1.225kg/m3Cp和Ct曲线 表3. G80-2.0MW风力发电机的Cp和Ct值 图2. G80-2.0MW风力发电机的Cp和Ct曲线G80-2.0MW风力发电机的的年发电量 表4a显示的是G80-2.0MW-105.1 dB(A)风力发电机在不同的平均风速Vavem/s和Weibull 形状系

18、数下的年发电量。计算时采用的空气密度为：1.225 kg/m3。表4b显示的是G80-2.0MW-104 dB(A)风力发电机在不同的平均风速Vavem/s和Weibull 形状系数下的年发电量。计算时采用的空气密度为：1.225 kg/m3。表4c显示的是G80-2.0MW-102.5 dB(A)风力发电机在不同的平均风速Vavem/s和Weibull 形状系数下的年发电量。计算时采用的空气密度为：1.225 kg/m3。表4d显示的是G80-2.0MW-102dB(A)风力发电机在不同的平均风速Vavem/s和Weibull 形状系数下的年发电量。计算时采用的空气密度为：1.225 kg/

19、m3。表4e显示的是G80-2.0MW-101dB(A)风力发电机在不同的平均风速Vavem/s和Weibull 形状系数下的年发电量。计算时采用的空气密度为：1.225 kg/m3。2.一次设备3.二次设备 第二章 风电原理一中国风力发电展望风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600750KW，MW级的机组也成批生产，24MW级的机组已在实验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也在不断增长，容量为2MW的风力机叶轮扫风直径达72m。目前最长的叶片以做到50m。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为

20、强度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增强了风力机捕捉风能的效率。例如，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大20%。目前，丹麦、 美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。地处平坦地带的风力机。在50m高处捕捉的风能要比30m高处多20%。尤其值得注意的是，随着电力电子技术的

21、发展，近年来发展了一种变速风力发电机组，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风力发电机组轴上，转子的转速随风阻而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，因而提高了捕捉风能的效率，试验表明，在平均风速6.7m/s时，变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能，同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风力发电机组的支撑结构减轻，塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。14风力

22、发电场未来的发展趋向将集中在：提高机群安装场地选择的准确性；进机群布局的合理性；提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；进一步降低设备投资及发电成本；总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。此外，发展海上风电场也成为新的大型风力发电机组的应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在规划较大的海上风电场项目。这是由于海上风速较陆上大且稳定，一般陆上风电场平均设备利用为2000h，好的为2600h，而在海上则可达3000h以上。为便于浮吊的施工，海上风电场一般建在水深为38m处，因而同容量装机要比陆上成本增加6

23、0%（海上基础占23%，线路占20%，陆上仅占5%）左右，但发电量可以增加50%以上。（一）中国风能产业发展概述1.中国风能资源蕴藏量极其丰富据不完全统计：中国风能理论蕴藏量约为3226 GW，可开发利用的风电装机容量约为2530GW，居于世界首位。中国10m高度以内可开发和利用的风能储蓄量估算约为100GW，其中海上的风能储蓄量约为75GW，陆地的风能储蓄量约为25GW。 2.世界风电发展现状国外风电现状和市场前景根据世界风能协会对全世界风力发电的装机容量、产业的统计：2007年新增19, 700MW（1970万kW），累计93,850MW （9380万kW） 。2008年累计将超过110G

24、W（1.1亿kW）风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍继续，2001-2007年的年平均增长率约为24%。 随着近海风电场的建设，需要单机容量更大的机组， 在海上安装的最大样机是德国REpower公司5MW机组，风轮直径为124m。 3.世界风机技术现状与发展趋势 风力发电离不开风力发电设备 风力发电 机，从目前的情况来看，风力发电机的发展出现以下趋势：单机容量稳步上升，风电机组结构多样化风电机组的功率调节方式向变桨距发展，大型风电 机组的运行控制方式多采用失速调节。 20世纪80年代生产的旧式机组单机容量仅为 2060 kW，而今天在风电市场上销售的商业化机组容量一般为6002500 kW。

25、目前单机容量最大的风 电机组是由德国Repower公司生产的，容量为5 MW， 叶轮直径达130 m， 安装在120 m高的塔架上。预计 2010年将开发出10 MW的风电机组。 目前大型水平轴风力机主要有定桨距失速型 和变速变桨距型。对变速变桨距型风电机组，从风轮到发电机的驱动方式又可分为3种：第一种是通 过多级增速箱驱动双馈异步发电机，简称为双馈式；第二种是风轮直接驱动多极同步发电机，简称为直驱式或无齿轮箱式。直驱式风力机具有传动链 能量损失小、 维护费用低、可靠性好等优点；第三种 是单级增速装置加多极同步发电机技术， 简称为混合式。混合式设计旨在融合双馈式和直驱式机组的 优点而避免其缺点

26、 。芬兰WinWinD公司已开发出容量1.1 MW，叶轮直径56 m的混合式风电机组。 大型风电机组的功率调节方式主要有失速调 节和变桨距调节2种。失速调节是在转速基本不变 的条件下， 风速超过额定值后， 叶片发生失速， 将输 出功率限制在一定范围。失速调节的优点是叶片与轮毂之间没有运动部件，不需要复杂的控制程序； 其缺点是风电机组的性能受叶片失速性能的限制，起动风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降，同时需要叶尖刹车装置。变桨距调节是沿桨 叶的纵轴旋转叶片，控制风轮能量吸收，以保持一定的输出功率。变桨距调节的优点是机组起动性能好，输出功率稳定、 机组结构受力小、 停机方便安全。缺点是增

27、加了变桨距装置， 增加了故障几率， 控制程序比较复杂 。2种控制方式各有利弊， 各自适 应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，变桨距调节方式将逐渐取代失速调节方式。3.风力发电机组选型 1）风力发电机组选型需考虑的几个问题： 风电机组是风电场的主要设备，其投资约占风电场总投资的60%80%。风力发电机组对风电场的年发电量和经济指标具有重要的意义。从国内外风电场建设的基本经验看，单机制造容量有不断增大的趋势，在条件允许的情况下，采用较大容量的风电机组，能够更好地利用当地风能资源，取得更大的经济效益。目前，主导机型已逐步从600 kW级向兆瓦级机组过渡。同时，为适应各种风况条件，在机型方面

28、又细分为中低风速区型、 内陆型和高风速区型机组以及发展变桨、 变速等技术来更大程度地利用风能。机组选型中需考虑的几个问题如下： 风资源评估在风电场建设过程中是个重要的依据， 直接影响到风电机组的选型、 布 置以及发电量估算， 因此， 在选定机组前首先要保证风资源评估结果的准确性。 陆地形风电场应充分掌握其自然条件，所选用的风机应能承受风电场的极限自然因素。 沿海风电场应在掌握风速沿海向陆地的衰减规律后，结合当地地质条件及海潮涨落规律，选用适应的沿海型风机。 海上风电场由于海洋环境不同，应选用适合海洋特殊条件的风电机组，其技术应包括耐腐蚀技术、安装技术、控制技术、防雷技术、防突变气候技术、并网及

29、输电技术等。 风电机组选型还需要考虑不同产品应用先进技术的成熟程度、运行情况、 生产历史、 价格因素、 当地的道路交通和设备的运输、 安装条件等。 2）风机选型原则 根据充分有效利用资源、规模开发、降低单位工程造价的原则，充分考虑我国风力资源和建设地质，对我国建设大型风力发电场的机组选型提出以下原则： 对于同一厂址的风资源条件，不同机型和不同的轮毂高度，理论利用小时数差别很大。在总装机容量相同的情况下，风电场选择不同机型， 理论年发电量差别很大。 在当前技术成熟条件下，采用双馈感应型风力发电机组较失速调节型风力发电机组具有更大的发电效率。 机型是国外比较成熟的机型，在国内有多年良好的运行记录。

30、但从充分有效利用资源， 规模开发的原则出发， 单机以下机组由于关税及相应的增值税等原因， 使之在投资规模上缺乏竞争力。推荐采用单机以上机组。 从风资源分布看，高度越高，风速越高。但根据风电场内的实际地质条件、地理环境，随风机轮毂安装高度的增加，会大大增加其吊装难度、 施工量以及工程费用。因此，应根据施工难度决定风力发电机组轮毂的安装高度。 风机的理论利用小时数与其扫风面积呈线性关系， 风机的发电量随扫风面积增加而增加。对于中低风速区，应选用启动和达到额定功率的风速相对较低、 叶片较长的机型；对高风速区，可选用启动和达到额定功率的风速相对较高的机型。同时还需考虑安全风速的限制。 对风电场风机同一

31、高度发电效益与投资变 化还需进行经济比较分析。同一机型不同安装高度投资变化的主要影响因素为：塔架费用、 基础桩基费用和吊装费用。不同机型同一高度的发电效益主要受风机价格、发电量、施工安装费及运输等因素影响。 用WasP软件对所选风机布置点进行能量估算，以获得较大发电量，并通过优化机位排布位置，得出风电场风机最佳布置方案。（二）风电技术风电技术就是利用风能发电的技术，主要靠制造风能发电机为主。因为风能是可再生环保能源，所以开发风电技术是当今诸多国家的发展主要战略。1.新型垂直轴风力发电机（H型）设计原理针对目前众多网友对新型垂直轴风力发电机（H型）的设计原理比较感兴趣，特在此将部分设计原理以及技术指标作详细地阐述，希望能给各位朋友予以更深入地了解。 最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构（型或称为达里厄），由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展，我国也在前几年做了一些尝试，但效果始终不理想。针对一些朋友问及：为何当初采用型设计而没有用现在这种H型结构?实际上，这和科技的发展特别是电脑的发展密切相关的，由于H型垂直轴风力发电机的设计需要非常大量的空气洞力学计算以及数字模拟计算，采用人工的方法计算一次至少需要几年的时间，而且不是一次计算就能得到正确的结果，所以在计算机还不是很发达的年代，人们根