【文章內(nèi)容簡介】 組成部分介紹 風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置 ,按其容量可大小以劃分為小型風電機組 (10KW 以下 ),中型風電機組 (10~100KW),大型風電機組 (100KW 以上 )。按其主軸與地面的相對位置 ,可以劃分為水平軸風力發(fā)電機組 (主軸與地面平行 ),垂直軸風力發(fā)電機組 (主軸與地面垂直 )。 最早最簡單的風力發(fā)電機由葉輪和發(fā)電機兩個部分組成 ,站立于一定高度的塔上。由于外界因素影響風很不穩(wěn)定 ,這類風力發(fā)電機電壓、頻率差異很大且效率低下 ,沒有實際運用價值。所以在原有的基礎(chǔ)上 ,增加了偏航系統(tǒng) ,齒輪箱 ,控制系統(tǒng) ,停機系統(tǒng)等部件更加有效地使用風能。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上大致可以把一個普通的風電機分為四大部分 :風輪組件 ,機艙組件 ,塔架組件以及控制部分。圖 21 表示風 機各個部分的組成。 圖 21 風電機組的組成 風輪及其組件 風輪由三部分組成 :葉片、輪轂、風輪軸 [4]。風輪是風力發(fā)電機最重要的部件 ,也是風力發(fā)電機區(qū)別于其他發(fā)電機的顯要標志 ,其作用是獲取和吸收風能 ,它將風能轉(zhuǎn)化為機械能。而風輪軸則將能量給傳動機構(gòu)。 葉片是風力發(fā)電機獲取風能的部件 ,風能利用率的好壞大都取決于良好的葉片外形 ,它材料的強度、硬度、密度以及使用壽命。一般葉片具有高硬度 ,高強度 ,低密度等特點。根據(jù)葉片橫截面形狀可以將葉片分為平板型 ,弧板型和流線型。 輪轂是將葉片和葉片組固定到主轉(zhuǎn)軸上的裝置。它的作用是葉片的力和力矩傳遞到主傳動機構(gòu)中。輪轂有固定式和鉸鏈式兩種。 風輪軸也叫主軸、低速軸 ,它在風輪以及齒輪箱之間。其前面端子由螺栓與輪轂剛性連接 ,后面端子與齒輪箱低速相連 ,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受力大。風輪軸有較高的綜合機械性。 此外風輪機構(gòu)組件還包括變漿機構(gòu) ,它是根據(jù)風速的變化來調(diào)節(jié)槳距角 ,用以風電機保持高效率的輸出功率。 機艙及其組件 風力發(fā)電機的機艙承擔容納所有的機械零部件 ,起到支撐作用。它還需要承受所受外力作用 (靜負載和動負載 ),機艙罩材 料應(yīng)具高強度高硬度 ,表面光滑 ,均勻厚度 ,無層件剝離等特點。其中包含齒輪箱、發(fā)電機等主要部件。機艙的左邊是風力發(fā)電轉(zhuǎn)子 (葉片與風輪軸 )。 風力發(fā)電機的傳動機構(gòu)包含增速器、主軸、齒輪箱、發(fā)電機和聯(lián)軸器等 [4],它是用于傳遞機械能 ,并且將機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。一般情況下 ,風輪轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子所必須的轉(zhuǎn)速 ,增速器要給風輪轉(zhuǎn)動加速。聯(lián)軸器與制動器往往設(shè)計在一起。 發(fā)電機是將傳動軸傳給的機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝備。一般選用直流發(fā)電機、永磁發(fā)電機、同步交流發(fā)電機、異步交流發(fā)電機等作為風電專用發(fā)電機。 齒輪箱 也是風電發(fā)電機組的關(guān)鍵部件之一 ,它的作用是在風電機工作在低轉(zhuǎn)速 ,而發(fā)電機在高轉(zhuǎn)速下運作時 ,使兩者實現(xiàn)工作的匹配。葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過齒輪的傳動遞給發(fā)電機。齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,在機艙內(nèi)安裝空間小 ,由于外界工作環(huán)境惡劣 ,常有強風沖擊 ,維修檢查顯得十分困難 ,所以齒輪箱材料和可靠性要求比較高。齒輪箱按照傳動的方式可以分為 :展開式 ,分流式 ,同軸式和混合式。圖 22展示了齒輪箱的樣式。 圖 22 風力發(fā)電齒輪箱 偏航系統(tǒng)也稱作對風裝置 ,被安裝在機艙座內(nèi)。它的作用是調(diào)控葉片隨著風向變化而變化 ,快速平穩(wěn)地對準風向 ,以便風機 獲得最大的風能 。當機艙內(nèi)引出電纜發(fā)生纏繞時 ,它會自動解纜。 塔架部件 塔架的功能是支撐位于空中的機艙、輪片等風力發(fā)電主要器件 ,一般要求高度達到六十米以上 ,且塔架與地基相連接處要求牢固 ,能夠承受強大的風力沖擊以及有風力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的不同載荷 ,將這些載荷接地消除 ,使得整個系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全地運行下去。塔架內(nèi)部配置線纜還必須將發(fā)電機運作得到的電能輸送至蓄電池或者變壓器傳輸至電網(wǎng)。塔架內(nèi)部空間大 ,必須配有爬梯與安全導軌 ,備以工作人員操作、維護。塔架的幾種基本形式 :單管拉線式 ,衍架拉線式 ,衍架式和錐筒 式。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是整個風力發(fā)電機組的核心部分 ,它關(guān)系到系統(tǒng)中每一個部件的動作和狀態(tài)。通常使用 PLC,或者 DSP微機處理器作為控制器件 ,它們功能強大 ,能夠應(yīng)付惡劣的工作環(huán)境 ,所以受到廣泛應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有對運行過程的模擬量和數(shù)字量進行采集、傳遞、分析、運算 ,從而做出命令控制風電機組的運行 ,使得功率輸出穩(wěn)定 ,轉(zhuǎn)速在合理的范圍內(nèi) 。若出現(xiàn)故障或者遇到異常情況可以快速準確地檢測到并且分析原因 ,做出相應(yīng)的保護措施或停機?？刂葡到y(tǒng)通常由各種傳感器 ,微機處理器 ,編程控制器 ,軟件系統(tǒng)和執(zhí)行機 構(gòu)組成。圖 23 為風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)示意圖。 圖 23 風力發(fā)電機組控制系統(tǒng) 風能理論簡介 風速和風能 瞬時風速是指風速的瞬時值 [8]。它只可給出相關(guān)風的近似概念 ,并且因為傳感器的慣性作用 ,風速的瞬時值只能近似地測量。瞬時風速 V 用平均風速 Vm加上風的波動分 v 來表示 : VVm+v ()風速為 v,當風吹過葉輪時 ,葉輪受力轉(zhuǎn)動。假設(shè) m 為氣體質(zhì)量 ,ρ為空氣密度。根據(jù)空氣流體力學可知 ,在一秒中流向風輪的空氣具有的動能為 : E?mv2 () 單位時間里氣體流過截面 S 的氣體體積是 V,那么 VSv () 單位氣體體積的質(zhì)量為 mρ Vρ vS()流動氣體具有的動能為 E?mv2?v3ρS () 據(jù)風能表達式可知 ,風能的大小與流過截面的面積和氣體的密度相關(guān)且成正比 ,與氣體流速的立方也成正比。 氣體密度和速度都隨著海拔高度的變化而變化。 P 為當?shù)卮髿鈮?,t 為當?shù)卮髿鈮?,則氣體密度計算公式 : ρ () () 本章小結(jié)本章主要介紹了風力發(fā)電機組的四個主要 組成部分 :風輪及其組件、機艙及其組件、塔架部件和控制系統(tǒng) ,詳細介紹了它們的構(gòu)造和功能。最后還介紹了相關(guān)的風能理論知識。 3 設(shè)計方案和電氣元件選型 設(shè)計方案 風力發(fā)電的主要工作原理 :機械能轉(zhuǎn)化為電能 ,這也是發(fā)電機工作的原理。 控制方面的工作原理及過程為 :當系統(tǒng)的總開關(guān)合上后 ,可編程控制器初始化 ,測速傳感器感知到風速模擬信號 A/D轉(zhuǎn)換后并且傳輸給 PLC,處理中心則將模擬量與額定參數(shù)進行比較 ,若在參數(shù)范圍內(nèi)則啟動系統(tǒng)中的發(fā)電機 ,不在參數(shù)范圍內(nèi)則報警手動停機。發(fā)電機 運作后 ,在運作過程中溫度傳感器、風向傳感器、測速傳感器將測得的各類參數(shù)模擬量 A/D 轉(zhuǎn)換后傳送給 PLC 進行分析 ,PLC 根據(jù)分析后的結(jié)果 ,做出相應(yīng)的動作 ,例如啟動發(fā)電機開始工作 ,隨風向的變化驅(qū)動電機隨之旋轉(zhuǎn) ,繞纜時自動停機 ,運行冷卻機當機艙或塔架溫度過高時 ,變壓器運作控制等。一般設(shè)計的風力發(fā)電設(shè)備如果遇到突發(fā)情況 ,沙塵暴或是暴風 ,風速突然加大 ,測速傳感器要及時傳送模擬量 ,經(jīng) PLC 分析后立即做出停機措施。最后還有將輸出的直流電流經(jīng)過濾波器濾波 ,送入電流變換裝置成為三相交流電 ,這兩部分控制要求在本文中不涉及。 據(jù)系統(tǒng)功能的要求 ,本文將對風力發(fā)電系統(tǒng)的啟動 ,發(fā)電機控制 ,偏航控制、溫度模糊控制以及變壓器控制著重進行研究?？刂祈樞驗?,首先系統(tǒng)初始化啟動后 ,進行發(fā)電機啟動 ,接著進行偏航控制 ,然后控制溫度的變化 ,最后控制變壓器的啟動與停止。了解該設(shè)計所需用到的電器元件 ,對各種元件進行選型。 在設(shè)計中四個基本控制要求是 :(1)發(fā)電機啟動之前 ,將外界風速模擬量轉(zhuǎn)換后傳送至內(nèi)存單元 ,與正常發(fā)電的風速范圍進行比較 ,不在范圍內(nèi)則警報進行手動停機 ,在范圍內(nèi)則啟動發(fā)電機 。(2)事先編制好風向標夾角的角度區(qū)間 ,啟動發(fā)電機后 ,將外界 風向模擬量轉(zhuǎn)換后傳送給控制器 ,將角度數(shù)據(jù)分析后歸相應(yīng)角度區(qū)間進行控制 ,運作向左偏航電機或者向右偏航電機 ,使之偏轉(zhuǎn)到合適風向范圍內(nèi) 。(3)對機艙和塔架內(nèi)部的溫度進行控制 ,因為是對模擬量的閉環(huán)控制 ,所以采用 PID 控制方法。系統(tǒng)內(nèi)分為機艙控制單元與塔架控制單元 ,打開進氣閥排放冷氣流 ,間隔一定時間檢測室溫 ,溫度太高則使得進氣閥繼續(xù)進氣 ,溫度低于設(shè)定值停止進氣 ,使得溫度恒定在安全范圍內(nèi) 。(4)根據(jù)發(fā)電機運行狀態(tài)來控制變壓器的啟動與停止。 系統(tǒng)整體設(shè)計 本文中 ,控制方式將采取順序控制和中斷控制。主要流 程如下 :啟動后PLC 開始初始化 ,用風速傳感器檢測外界風力的大小 ,在發(fā)電允許范圍內(nèi)將控制發(fā)電機啟動 ,風速檢測值過大 ,則要報警并且進行手動停機。在正常風速范圍內(nèi) ,發(fā)電機啟動 ,接下來進行各類控制 ,控制的目的是使風力得到最大程度的利用。首先是偏航自動控制 ,由于風向不同導致風能吸收率下降 ,控制航向使風輪機頭部隨風向轉(zhuǎn)動 ,還可以防止繞纜的危險 。然后是溫度模糊控制 ,控制對象是機艙和塔架內(nèi)部這兩部分使溫度保持在恒定數(shù)值。因為是對模擬量的閉環(huán)控制 ,所以針對溫度的變化采用 PI