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風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)項目設(shè)計方案(完整版)

2025-06-05 05:47上一頁面

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【正文】 法。 變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)這是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其主要優(yōu)點(diǎn)在于風(fēng)輪以變速運(yùn)行,可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比,從而提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率,從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。它的定子鐵心和定子繞組的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機(jī)相同。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。 3) 穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行,為用戶提供穩(wěn)定的電能。此外,發(fā)展海上風(fēng)電場也成為新的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用領(lǐng)域而受到重視。在中、大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計中,采用了更高的塔架以捕捉更多的風(fēng)能。例如,單機(jī)容量不斷增大,槳葉的長度也在不斷增長,容量為2MW的風(fēng)力機(jī)葉輪掃風(fēng)直徑達(dá)72m。1983年在山東榮城引進(jìn)3臺丹麥55KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,開始并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的試驗和示范。到20世紀(jì)90年代,單機(jī)容量為100~200KW的機(jī)組已在中型和大型風(fēng)電場中成為主導(dǎo)機(jī)型。另外,在一些國家(如歐盟國家)中,風(fēng)能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題,得到了公眾的支持。一個國家如果開發(fā)利用風(fēng)能技術(shù)早,就有可能占據(jù)風(fēng)能利用的技術(shù)和市場優(yōu)勢。人們開始認(rèn)識到,無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源,終有資源枯竭的一天。下面將主要從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會和技術(shù)進(jìn)步四方面來介紹風(fēng)能開發(fā)利用的動因。如果用電網(wǎng)延伸的方法,農(nóng)牧戶承擔(dān)的成本高于8元/KW。風(fēng)能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴,并加強(qiáng)本國的能源供應(yīng)安全水平,國內(nèi)的化石能源價格變化較小,社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性也因此而增強(qiáng)。風(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會產(chǎn)生任何排放量,因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外,也不會帶來全球環(huán)境污染。安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。 中國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀[13]中國風(fēng)力發(fā)電起步較晚,但發(fā)展較快。 風(fēng)力發(fā)電展望風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前還在不斷發(fā)展,主要體現(xiàn)在單機(jī)容量不斷增大上。對葉型的進(jìn)一步改進(jìn),增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的效率。其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較低。因此,研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運(yùn)行可靠、效率高、控制及供電性能好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng),是風(fēng)力發(fā)電工作的一個重要組成部分。即同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,成本相對于感應(yīng)發(fā)電機(jī)也比較高。在并網(wǎng)運(yùn)行時,感應(yīng)發(fā)電機(jī)一方面向電網(wǎng)輸出有功功率,另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。主要效果是比以單一轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組有較高的年發(fā)電量,因為它能在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行于最佳葉尖速比附近。它的價格當(dāng)然也比通常的單速電機(jī)貴。這些方法雖然可以得到連續(xù)的變速運(yùn)行,但都存在這樣或那樣的缺點(diǎn)和問題,在實(shí)際應(yīng)用中難以推廣。通過并聯(lián)橋式整流器整流,然后通過可控硅開關(guān)電路,將波形的一半反向,最后經(jīng)濾波器濾波,即得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)頻率為的恒頻正弦波輸出。磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高,而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低,故系統(tǒng)需要速比較大的增速器,也提高了系統(tǒng)的成本。這種系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)可以超同步運(yùn)行(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同,n1為負(fù)),也可以次同步速運(yùn)行(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機(jī)械旋轉(zhuǎn)方向相同,為正)。可以通過適當(dāng)?shù)目刂?,使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近最佳值,從而可以最大限度地利用風(fēng)能。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變速恒頻風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)以變速恒頻為核心,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括:風(fēng)能機(jī)、齒輪箱、異步發(fā)電機(jī)、整流裝置、儲能裝置、控制系統(tǒng)六部分組成。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易,換向損耗小,系統(tǒng)效率較高。 齒輪箱 齒輪箱是風(fēng)輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的傳動機(jī)構(gòu),屬于機(jī)械部分,它的作用是風(fēng)能機(jī)轉(zhuǎn)動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來。第三,電壓和頻率的動態(tài)控制使電機(jī)勵磁能跟蹤風(fēng)速變化,因此可以降低機(jī)械傳動的能量損耗。這個特征在速度高于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時損失了風(fēng)能,也就是說,該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行的。但由于SCR的應(yīng)用的衰退,也由于網(wǎng)側(cè)諧波嚴(yán)重,SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代;而且,轉(zhuǎn)子側(cè)接交交變頻器時,檢測、控制轉(zhuǎn)差頻率的電流存在一定的困難,采用上述串級系統(tǒng)就可以解決這個問題。換言之,就是建立氣隙磁通的激磁電流,部分或全部由轉(zhuǎn)子電壓產(chǎn)生。另外,直流側(cè)的整流電壓與逆變電勢的瞬時值不相等,還會引起逆變器的提前短路,形成環(huán)流。單相全波可控整流電路中只用2個晶閘管,比單相全控橋式可控整流電路少2個,相應(yīng)地,晶閘管的門極驅(qū)動電路也少2個;但是在單相全波可控整流電路中,晶閘管承受的最大電壓為,是單相全控橋式整流電路的2倍。在可工作的半波內(nèi),截去正弦曲線的前一部分,這部分所占角度稱為截止角,導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角,靠調(diào)導(dǎo)通角的大小,達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。直流變換器是指直流電壓供電,經(jīng)開關(guān)電路,將直流變成交流,因與整流作用相反,因此通常稱為逆變器。2) 高頻鏈逆變技術(shù)逆變出交流220V電壓這種方法因為使用高頻變壓器,因此體積小、重量輕、成本也低。 儲能裝置一般的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能,系統(tǒng)()所示。鋰離子電池:工作電壓高,比能量大,充電速度快等優(yōu)點(diǎn),安全性好,循環(huán)壽命長,但價格按貴。到90年代已被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),然而迄今為止僅用于孤島型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)??紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊性,按重要性的順序,控制器應(yīng)依次滿足以下要求:1) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的;2) 運(yùn)行過程中,在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負(fù)載變化作用下具有魯棒性;3) 控制代價小.即對不同輸入信號的幅值有一定限制,如調(diào)向的時問等;4) 最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能,即在額定風(fēng)速以下,可能使發(fā)電機(jī)在每一種風(fēng)速時,輸出的電功率達(dá)到最大,額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量;5) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電功率保持恒壓恒頻,有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。另外,在有的方案中發(fā)電機(jī)的全部功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,而有的方案只有部分功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制目標(biāo)通常有很多項,控制方法多種多樣,但目前亟待解決的兩個核心問題是:風(fēng)能的最大捕獲以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及改善電能質(zhì)量問題為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲,風(fēng)力機(jī)有三種典型的運(yùn)行狀態(tài):1) 低風(fēng)速段實(shí)行變速運(yùn)行,可保持一個恒定的風(fēng)能利用系數(shù)值,根據(jù)風(fēng)速變化控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,使葉尖速比不變,直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限;2) 轉(zhuǎn)速達(dá)到極限后,風(fēng)速進(jìn)一步加大時.按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機(jī)運(yùn)行,直到輸出最大功率,此時的風(fēng)能利用系數(shù) 不一定是最大值;3) 超過額定風(fēng)速時,輸出功率達(dá)到極限,按恒功率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)。在最優(yōu)控制中,性能指標(biāo)的選取直接表明了設(shè)計者的控制目的.若選時間,則為時間最優(yōu);若選狀態(tài),則為狀態(tài)最優(yōu);若選擇控制,則為能量最優(yōu);若選擇諧波損耗,則為諧波損耗最優(yōu)控制。考慮到磁路的飽和問題,給出相應(yīng)電流控制方法,導(dǎo)出最優(yōu)鐵損耗的狀態(tài)方程,仿真表明此方法可使低風(fēng)速時風(fēng)能捕獲效率提高6%。對于永磁電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng),以槳距角和葉尖速比為自變量,采用適于非線性尋優(yōu)的單純形加速法給定不同風(fēng)速下的最佳風(fēng)輪轉(zhuǎn)速_,控制反饋到電網(wǎng)的電流來控制直流側(cè)電壓,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲??刂品椒ú煌?,塔頭在不同方向上的運(yùn)動模式也不同。應(yīng)用最優(yōu)和傳統(tǒng)控制器在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中,重點(diǎn)是為一階傳動鏈模式提供阻尼,控制中使用了槳距控制環(huán)和發(fā)電機(jī)勵磁電壓控制環(huán):傳統(tǒng)控制器包括一個電功率的 PI 環(huán)及一個軸速度的 P 環(huán),發(fā)電機(jī)使用傳統(tǒng)的 AVR。風(fēng)電系統(tǒng)不但要求最大風(fēng)能捕獲,還要求有平穩(wěn)的力矩傳遞動態(tài),而最佳葉尖速比跟蹤必須根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,導(dǎo)致在力矩傳動鏈中產(chǎn)生大的力矩振蕩:采用一類 LQG 方法,用二次型性能指標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化對風(fēng)能捕獲和傳動鏈負(fù)載限制要求,與線性控制方法對比:線性控制器因采用恒值參考速度以及非線性化空氣動力特性的引入,力矩的動態(tài)特性不好;而 LQG 非線性控制器在風(fēng)速變化時,首先減小發(fā)電機(jī)力矩,使轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)風(fēng)速變化,直至力矩達(dá)到新的平衡點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)速度的快速響應(yīng),減小力矩波動。當(dāng)電網(wǎng)容量足夠大時,電網(wǎng)電壓和頻率均與異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。小型感應(yīng)電機(jī)通常采用半閉口槽和有高強(qiáng)度漆包線繞成的單層繞組,線圈與鐵心之間墊有槽絕緣。轉(zhuǎn)子繞組分為籠形和繞線形兩種。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理,通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。此時電機(jī)從電網(wǎng)輸入功率,通過電磁感應(yīng),由轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率,電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)。 三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計 三相異步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計的特點(diǎn)異步發(fā)電機(jī)與其他發(fā)電機(jī)相比具有一些突出的有點(diǎn):不像直流發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)那樣,需要直流電源勵磁,并且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無刷(指鼠籠式),這樣運(yùn)行可靠;如與電網(wǎng)并聯(lián),過程非常簡單,易于控制,只要將轉(zhuǎn)子驅(qū)動到盡量接近同步轉(zhuǎn)速,即可并入電網(wǎng)吸收滯后的無功電電流來激磁。其他電機(jī)如同步電機(jī)、直流電機(jī)的兩種狀態(tài)都有較廣泛的應(yīng)用,已有專門的分析方法。以上兩種情況都使異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行成本增加。以下所述內(nèi)容均基于上海電器科學(xué)研制所出版的《中小型三相異步電動機(jī)電磁計算程序》 1) 滿載電勢系數(shù)1ee取值范圍不同,~,而異步發(fā)電機(jī)的要大得多,~1之間;2) 異步電動機(jī)中1ee=1( +),由于異步發(fā)電機(jī)中與之間的夾角大于90176。 65. 轉(zhuǎn)子電阻 導(dǎo)條電阻折算值 = 式中 是疊部整齊造成導(dǎo)條電阻增加的系數(shù),鑄鋁轉(zhuǎn)子=. 為電阻率——對級絕緣鑄鋁為。然而,經(jīng)過兩周多地大量閱讀參考資料、復(fù)習(xí)專業(yè)書、多次請教老師和同學(xué)以后,逐漸對課題內(nèi)容有了較深的認(rèn)識,從而基本上掌握了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理,設(shè)計思路,以及設(shè)計時應(yīng)注意的各種問題和解決問題的方法。自學(xué)能力有了大大的提高,為我以后的工作奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過這么久的設(shè)計雖然很累,壓力也很大。70. 空載電勢標(biāo)么值 ==71. 空載時定子齒磁密 = T ;= A/cm72. 空載時轉(zhuǎn)子齒磁密 = T; = A/cm73. 空載時定子軛磁密 = T;= A/cm74. 空載時轉(zhuǎn)子軛磁密 = T;= A/cm75. 空載時氣隙磁密 = T76. 空載定子齒磁壓降 = A77. 空載轉(zhuǎn)子齒磁壓降 = A78. 空載定子軛磁壓降 = A79. 空載轉(zhuǎn)子軛磁壓降 = A80. 空載氣隙磁壓降 = A81. 空載總磁壓降 = A82. 空載磁化電流 =83. 定子電流標(biāo)么值 == 定子電流實(shí)際值 = A84. 定子電流密度 = 85. 線負(fù)荷 =44251 A/m86. 轉(zhuǎn)子電流標(biāo)么值 = A轉(zhuǎn)子電流實(shí)際值 = A 端環(huán)電流實(shí)際值 = A87. 轉(zhuǎn)子電流密度 導(dǎo)條電密 = 端環(huán)電密 = 88. 定子電氣損耗 = = W89. 轉(zhuǎn)子電氣損耗 = = W90. 附加損耗 銅條轉(zhuǎn)子 = W91. 機(jī)械損耗 可參考實(shí)際試驗值92. 定子鐵耗 (1)定子齒重量 = Kg (2)定子軛重量 = Kg (3)損耗系數(shù) (查)(4)定子齒損耗 = W(5)定子軛損耗 = W(6)定子鐵耗 = W鐵耗校正系數(shù) (半閉口槽),(開口槽)2 (半閉口槽),(開口槽) 鐵耗標(biāo)么值 =93. 總損耗表么值 =94. 輸入功率 =95. 效率 ==96. 功率因數(shù) ==97. 轉(zhuǎn)差率 = % =98. 轉(zhuǎn)速 =1490 r/min99. 最大轉(zhuǎn)矩 =結(jié)束語通過將近一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計,使我學(xué)到了很多東西。4) 電動機(jī)計算鐵耗時對應(yīng)于空載時的電勢=1e0,而發(fā)電機(jī)滿載時的鐵耗應(yīng)對應(yīng)于滿載電勢=1ee;5) 用=(1ee)/更接近發(fā)電機(jī)實(shí)際情況。發(fā)電機(jī)發(fā)熱,絕緣老化,降低發(fā)電機(jī)壽命,所以,異步發(fā)電機(jī)的滿載電勢系數(shù)取值要大得多,~。長期以來只注重異步電動機(jī)的設(shè)計和制造,而異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計和制造或是照搬異步電動機(jī),或是用相近容量的異步電動機(jī)作為異步電機(jī)來使用,通過以下的分析可知這種簡單的照搬是不恰當(dāng)?shù)?。異步發(fā)電機(jī)的激磁電流比較大,一般中大型異步電機(jī)的=(20~30)%,而大型同步發(fā)電機(jī)的激磁容量常不到額定容量的1%.而對自激異步發(fā)電機(jī)來說,它所需要的激磁電流有并聯(lián)的電容來提供,按從傳統(tǒng)的方法使并聯(lián)價格較高且較笨重的電力電容器。此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢以及電流的有功分量將與電動機(jī)狀態(tài)時相反,因此電磁轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑴c旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向兩者相反,即電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速ns子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差,轉(zhuǎn)差Δn與同步轉(zhuǎn)速ns的比值為轉(zhuǎn)差率,用s表示,即:S= ()轉(zhuǎn)差率是表征異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個基本變量。為節(jié)約用銅和提高生產(chǎn)率,小型籠形電機(jī)一般都用鑄鋁轉(zhuǎn)子;對中,大型電機(jī),由于鑄鋁質(zhì)量不易保證固用銅條插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi),再在兩端焊端環(huán)的結(jié)構(gòu)。中型感應(yīng)電機(jī)通常采用半開口槽。另外它的低耗,高可靠性,無需勵磁裝置和電刷,結(jié)構(gòu)簡單尺寸小,堅固耐用,基本上無需維修,它已成為風(fēng)力及其它發(fā)電系統(tǒng)的最理想設(shè)備。最優(yōu)控制技術(shù)是所有先進(jìn)控制技術(shù)中在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最早、相對比較成熟的控制方法。此類 MIMO 方案可獲得更平穩(wěn)的槳距調(diào)整過程,在硬件兼容的基礎(chǔ)上,傳統(tǒng)方案也是可行的。最常見的兩種功率控制方法是槳距調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)的電磁制動轉(zhuǎn)矩控制。試驗結(jié)果證明了控制策略的可行性。轉(zhuǎn)子回路中接有兩個背靠背的變頻器,目的是通過最小化電氣損耗獲得系統(tǒng)全局最大效率,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的最佳速度跟蹤,電機(jī)功率因
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