【正文】 計(jì)。隨著社會對能源的急劇需求，我國風(fēng)力發(fā)電的單機(jī)容量已發(fā)展到兆瓦級機(jī)組，控制方式從基本的定槳距失速型控制轉(zhuǎn)向變槳距控制，但與國際水平還有一定差距。設(shè)計(jì)中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問題，提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。 （ 3）零部件強(qiáng)度與剛度分析 1）結(jié)構(gòu)的極限 強(qiáng)度設(shè)計(jì) 極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。 為保證風(fēng)電機(jī)組有較高的可利用率，在總體設(shè)計(jì)階段，對重要零部件和系統(tǒng)應(yīng)規(guī)定可靠性量化指標(biāo)的要求，可以采用串聯(lián)模型法，確定有關(guān)零部件的可靠性定量要求。實(shí)際上，風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、傳動系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計(jì)都必須考慮振動問題。 總體設(shè)計(jì)階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，以求總體設(shè)計(jì)階段中的重大決策建立在可靠的 理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失誤和延期。最重要的載荷產(chǎn)生于 風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會對其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 以下簡要介紹風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與大致步驟 : （ 1）風(fēng)電 機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案 1 ）總體氣動布局方案設(shè)計(jì) 隨著風(fēng)電機(jī) 組單機(jī)功率的增大，系統(tǒng)氣動布局設(shè)計(jì)逐漸成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)重要方面。因此，針對設(shè)計(jì)需求，應(yīng)考慮合理的機(jī)組功能構(gòu)成、電機(jī)類型、控制方式、運(yùn)輸和安裝方式等影響機(jī)組性能指標(biāo)的主要因素。 當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)向偏離時，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對準(zhǔn)來風(fēng)方向。控制系統(tǒng)的功能是過程控制和安全保護(hù)。風(fēng)輪的輸出功率為 ?1 1 1PM? （ 11） 式中 P1—— 風(fēng)輪的輸出功率，單位為 W； M1—— 風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX17 （ 4）控制與安全系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要功能可分為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分：大型風(fēng)電機(jī)組需要自動控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風(fēng)電機(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機(jī)，以預(yù)防或減輕損失。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩），再通過風(fēng)輪軸驅(qū)動與之連接的機(jī)械能傳遞單元和發(fā)電單元。 1． 5 小結(jié) 隨著能源危機(jī)程度的加深，世界各國都在加大風(fēng)能利用和開發(fā)，尤其是我國能源耗費(fèi)相對較大，更要積極開發(fā)綠色環(huán)保能源。因此，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行時，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機(jī)組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。 為了減少葉片和整機(jī)上的疲勞負(fù)荷，可控制的尾緣小葉可能被逐步引入葉片市場。為了減少重力和保持頻率，則需要降低葉片的重量。 1． 4． 7 大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)健部件的性 能日益提高 隨著風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，各部件的性能指標(biāo)都有了提高，國外己研發(fā)出 3000V12021V 的風(fēng)力發(fā)電專用高壓發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)效率進(jìn)一步提高；高壓三電平變流器的應(yīng)用大大減少了功率器件的損耗，使逆變效率達(dá)到 98％以上；某些公司還對槳葉及變槳距系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如德國 ENERCON 公司在改進(jìn)槳葉后使葉片的 Cp 值達(dá)到了 以上。其他如：廣西銀河艾邁迪、航天萬源、濰坊瑞其能、包頭匯全稀土、江西麥德公司、山東魯能等制造企業(yè)也開發(fā)研制了直驅(qū)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX13 風(fēng)電機(jī)組。 1． 4． 6 直驅(qū)式、全功率變流技術(shù)得到迅速發(fā)展 無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機(jī)組故障，可有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和壽命，減少維護(hù)成本，因而得到了市場的青睞。 2MW 以上的風(fēng)電機(jī)組大多采用三個獨(dú)立的電控調(diào)槳機(jī)構(gòu)，通過三組變速電機(jī)和減速箱對槳葉分別進(jìn)行閉環(huán)控制。 近年來，海上風(fēng)電場的開發(fā)進(jìn)一 步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展， 2021 年底世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到 6MW，風(fēng)輪直徑達(dá)到 127m。 近幾年，風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購愈演愈烈。《開再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過 40 家。2021 年新增裝機(jī)容量超過 100%，累計(jì)裝機(jī)容量超過 。 2021年年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展 和能源需求的需要，歐盟又進(jìn)一步修訂了發(fā)展計(jì)劃，希望 2021年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 80GW；到 2020 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 180GW，發(fā)電量達(dá)到 3600億 kW中國超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國。經(jīng)過 30 年的努力，隨著市場不斷擴(kuò)大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時風(fēng)電成本由 20 世紀(jì) 80 年代初的 20 美分下降到 2021 年的 4~6 美分。美國在 1974 年開始實(shí)施聯(lián)邦風(fēng)能計(jì)劃， 20 世紀(jì) 80 年代成功開發(fā)了 100kW、 200 kW、 2021 kW、2500 kW、 6200 kW、 7200 kW 等 6 種風(fēng)電機(jī)組。 12 世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。 1． 2． 4 風(fēng)能開發(fā)利用 太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水 平方向運(yùn)動，空氣流動所形成的動能稱為風(fēng)能。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。到 2100 年，溫室效應(yīng)強(qiáng)度將相當(dāng)于把大蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX7 氣中 CO2 濃度提高到工業(yè)化社會以前 CO2 濃度的 3 倍，達(dá)到 5000 萬年前的 CO2 濃度水平。自 20 世紀(jì) 50 年代以后，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國際輿論開始關(guān)注世界能源危機(jī)問題。 1983年，山東引進(jìn) 3 臺丹麥 Vestas 55kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范； 1986 年 5 月，山東榮成建成我國第一個并網(wǎng)風(fēng)電場，其次是新疆達(dá)坂城風(fēng)電場。 2021 年 ，全球已有 48 個政府引入法規(guī)扶持風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由 4 個動態(tài)過程構(gòu)成，即啟動、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車。 Pitch。 本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主體 — 機(jī)械部分中的變槳系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究、分析。設(shè)計(jì)了一套新型變距傳動機(jī)構(gòu) —— 電動變槳距傳動機(jī)構(gòu)。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收的能量不到空氣動能的%，同時由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等限制，實(shí)際值更小。直到 1973 年發(fā)生了石油危機(jī)， 美國、西歐等發(fā)達(dá)國家為尋求替代化石燃料的能源， 投入大量經(jīng)費(fèi)，采用新技術(shù)研制現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組。 我國已成為繼歐洲、美國和印度之后風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的主要市場之一，風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)量為 1400GW。 2021 年，我國累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到 ，其中并網(wǎng)發(fā)電的裝機(jī)容量為 。 綜上所述，煤炭、石油、天然氣等 不可再生化石能源的總量有限，待開發(fā)新的可再生能源。其過程與人類大量消耗化石能源資源，尤其是燃燒化石燃料發(fā)電大量排放的 CO2 密切相關(guān)。因?yàn)樗鼈冊谏a(chǎn)的過程中不消耗煤、石油、天然氣等燃料，所以不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的排放物。根據(jù)我國 900 多個氣象站陸地上離地 10m 高度資料進(jìn)行估算，全國平均風(fēng)功率密度為 100W/m2，風(fēng)能資源總儲量為3226GW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量為 600GW，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量為 800GW，共計(jì)約 1400GW。 1891 年，丹麥建成了世界第一座 風(fēng)力發(fā)電站。我國風(fēng)力發(fā)電從 20 世紀(jì) 80 年代開始真正起步。到 2021 年年底， 全球總裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到近 94GW，新增風(fēng)電裝機(jī)容量20GW，分別在全球 70 多個國家和地區(qū)。歐洲 2021 年風(fēng)電新增裝機(jī)容量為 88GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了 66GW。 2021 年，美國可再生能源理事會提出了將可再生能源的比例由目前的 4%左右，提高到 2025 年的 25%的發(fā)展目標(biāo)。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從 2021 年年末的 567MW 增加到了 2021 年年末的 ，增加了 205 倍。“十五”期間，還開展了 1000 kW、 1500 kW 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，以及 1200 kW 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)，取得階段性成果。此外，各大公司在主要市場集中地都建立了生產(chǎn)基地，一個大公司相當(dāng)于多個公司的集成。目前，華銳、金風(fēng)、東汽、國電聯(lián)合、湖南湘電、重慶海裝等公司都在研制 5MW 或 6MW 的大容量風(fēng)電機(jī)組。西門子公司、德國 Nordex 公司、西班牙 Gamesa 公司、美國 GE風(fēng)能公司和印度 Suzlon 公司都在生產(chǎn)雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組， 2021 年新增風(fēng)電機(jī)組中，雙饋異步發(fā)電型變速風(fēng)電機(jī)組仍然占 80％以上。其他主要制造企業(yè)也在積極開發(fā)研制直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。應(yīng)用全功率變流的并網(wǎng)技術(shù)，使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍擴(kuò)展到。從 2021 年上海第四屆風(fēng)能展的情況看，我國風(fēng)電設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成，為今后的快速發(fā)展奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。對于陸上風(fēng)電機(jī)組來說，不久這種檢測設(shè)備就會成為必備品。 1． 4． 10 風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營的技術(shù)水平日益提高 隨著投資者對風(fēng)電場建設(shè)前期的評估工作和建成后運(yùn)行質(zhì)量的越來越高的要求，國外已經(jīng)針對風(fēng)資源的測試與評估開發(fā)出了許多先進(jìn)測試設(shè)備和評估軟件。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自身保護(hù)而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX控制與安全系統(tǒng) 一次能源轉(zhuǎn)換單元 機(jī)械能傳遞單元 發(fā)電單元 2. 發(fā)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成及工作原理 2． 1 風(fēng)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成 風(fēng)電機(jī)組是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。一般大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過傳動鏈按一定的速比傳遞風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元的需要。一種是能量流，另一種是信 息流。 m； ?2—— 主傳動系統(tǒng)的角速度，單位為 1/s； ?1—— 主傳動系統(tǒng)的總效率。 風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過傳感器變成電信號傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息。同時，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。此外，檢修、維護(hù)不便，對可靠性有更高的要求。 3 ）風(fēng)電機(jī) 組的總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 此階段是需要從風(fēng)電機(jī)組的總體功能角度出發(fā)，分析各部件、子系統(tǒng)、附件和設(shè)備的布置形式與技術(shù)要求，開展對各部件和子系統(tǒng)的技術(shù)組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)選擇等工作。在設(shè)計(jì)早期，可以通過功率曲線來預(yù)測風(fēng)電機(jī)組性能，這既是風(fēng)輪總體設(shè)計(jì)的重要功能目標(biāo)之一，同時也受到發(fā)電機(jī)類型、傳動系統(tǒng) 效率、運(yùn)行方式（恒速或變速）以及控制方式的影響。動特性分析屬于風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力學(xué) 研究范疇，主要涉及動 載荷分析、振動及結(jié)構(gòu)動特性分析等方面的內(nèi)容。在風(fēng)電機(jī)組發(fā)展史上 ，運(yùn)行中風(fēng)輪與其他機(jī)體耦合的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題造成了許多嚴(yán)重的后果。為保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的安全，對重要的蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX23 安全系統(tǒng)應(yīng)采取有余設(shè)計(jì)。實(shí)際上，構(gòu)件的剛度分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)有密切聯(lián)系，應(yīng)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工況條件和設(shè)計(jì)要求，考慮合理的剛度指標(biāo)，并結(jié)合強(qiáng)度分析使設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)化。測試項(xiàng)目主要包括功率特性、關(guān)鍵部件的動特性、實(shí)際載荷和溫升等。采用變槳距機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)可使葉輪重量減輕，并使整機(jī)的受力狀況大為改善。每個槳葉在減速齒輪箱的輸入端和輸出端分別配有一個旋轉(zhuǎn)變壓器（ resolver）和絕對值編碼器，用于 測量變槳的速度和位置，并將其作為速度閉環(huán)和位置閉環(huán)的反饋信號，用于實(shí)時的動態(tài)調(diào)節(jié)。 變 槳 距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)體建模 變槳距機(jī)構(gòu)分析 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)采用的是電作動筒控制系統(tǒng)。這樣，當(dāng)風(fēng)力機(jī)處于一定的風(fēng)速 v 下，對于一定的負(fù)載下， ? 、 ? 、 R 亦為常量，那么風(fēng)輪轉(zhuǎn)速就取決于風(fēng)能利用系數(shù) PC 的大小，即 PC?? （ 2） 根據(jù)葉素特性理論，分析風(fēng)輪起動后以某種速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時葉片微元的受力情況，如圖 42 所示。電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能對槳葉進(jìn)行單獨(dú)控制，精度高，受 到許多廠家的青睞，但其動態(tài)特性相對較差，有較大的慣性，且如連續(xù)頻繁的進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)，容易產(chǎn)生過量的熱負(fù)荷而損壞訓(xùn)。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX25 4. 風(fēng)電機(jī)組 變槳距 與偏航 系統(tǒng) 作為一種無污染的可再生能源，風(fēng)能開發(fā)有著巨大的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)保價(jià)值和發(fā)展前景。 4）零部件的工程詳圖設(shè)計(jì) 根據(jù)風(fēng)電機(jī)組總體與部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可以開展風(fēng)電機(jī)組的工程詳圖設(shè)計(jì)根據(jù)主要構(gòu)件的具體工作 。其中，有些部件（或構(gòu)件）應(yīng)采用剛度設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則；有些則應(yīng)首先考慮強(qiáng)度要求，并進(jìn)行必要的剛度分析。因此，可利用率實(shí)際上是一種反應(yīng)風(fēng)電機(jī)組固有可靠性和運(yùn)行管理可靠性的綜 合度量指標(biāo)