【導讀】本論文詳細闡明了小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)的設計方案，對風力發(fā)電機組的結構和。電能的變換及繼電控制電路做了深入的研究。了全面而嚴謹的分析，最后電氣控制部分進行了系統(tǒng)仿真。

　　

【正文】 .....................30 湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 1 前言 隨著 世界工業(yè)化進程的不斷加快，使得能源消耗逐漸增加，全球工業(yè)有害物質的排放量與日俱增，從 而造成氣候異常、災害增多、惡性疾病的多發(fā)。因此，能源和環(huán)境問題成為當今世界所面臨的兩大重要課題。由能源問題引發(fā)的危機以及日益突出的環(huán)境問題，使人們認識到開發(fā)清潔的可再生能源是保護生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的客觀需要。 可以說，對風力發(fā)電的研究和進行這方面的畢業(yè)設計對我們從事風力發(fā)電事業(yè)的同學是有著十分重大的理論和現實意義的，也是十分有必要的。 湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 2 1 概述 開發(fā)利用風能的動因 風能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風能的動因也在變化。下面將主要從經濟、環(huán)境、社會和技術進步四 方面來介紹風能開發(fā)利用的動因。 經濟驅動力 經濟最優(yōu)化 能源供應的經濟最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。在偏遠地區(qū)，電力供應困難。與常規(guī)電網延伸和柴／汽油機發(fā)電相比，利用小型離網風力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。例如在內蒙古農牧區(qū)，利用小型離網風力發(fā)電系統(tǒng)供電，農牧戶承擔的成本約2 元 /KW 左右。如果用電網延伸的方法，農牧戶承擔的成本高于 8元 /KW。在這些地區(qū)，利用汽油／柴油發(fā)電機的供電，考慮油料的運輸成本，農牧戶承擔的成本也要高于 6元 /KW。 化石能源資源枯竭與供應安全 進入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經過了多次能源危機。人們開始認識到，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。目前石油儲量約 1300億噸，年消耗量約 35 億噸，計今后 25 年中平均年消耗量將達 50億噸，即使加上新發(fā)現的油田，專家估計總儲量也不會超過 2020億噸，有油資源在四五十年后也將枯竭。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當務之急是尋找和研究利用其他可再生資源。 湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 3 風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。一些國家要靠進口化石能源來滿足本國內能源的消費。風能的 開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內的化石能源價格變化較小，社會經濟穩(wěn)定性也因此而增強。 促進能源產業(yè)升級 風力發(fā)電技術屬于新興技術，風電產業(yè)是朝陽產業(yè)。風力發(fā)電技術的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進入市場，將給整個能源產業(yè)帶來新的活力，成為國民經濟的一種新的經濟增長點。一個國家如果開發(fā)利用風能技術早，就有可能占據風能利用的技術和市場優(yōu)勢。 環(huán)境驅動力 除了人們早先認識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認識到二氧化碳等溫室氣體的 大量排放對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導致自然災害的頻發(fā)、土地沙漠化，使 “ 地球村 ” 的效應更加明顯，各國都認識到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。為減緩地球變暖， 1997 年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第 3 次大會上， 84 國代表審議通過《京都議定書》，要求工業(yè)發(fā)達國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。風能在能源轉化工程中不會產生任何排放量，因此除了不產生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。 湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 4 社會驅動力 風能份額增加時，會創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機會。除了在工廠的生產和裝機工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設備維護方面也會提供就業(yè)機會。另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風能開發(fā)利用已經成為熱點問題，得到了公眾的支持。許多民眾十分關注風能的發(fā)展，并將利用風能和其他可再生能源當成他們的生活方式。綠色電力的發(fā)展就是一個典型的例予，人們自愿以高于化石電力的價格購買風電和其他可再生能源電力。 技術驅動力 隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新型高強度、輕質材料的出現，計算機設計技術的廣泛 應用和自動控制技術的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術的成熟，為風電技術向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。 風力發(fā)電的現狀 世界風力發(fā)電現狀 20 世紀 80 年代以來，工業(yè)發(fā)達國家對風力發(fā)電機組的研制取得了巨大進展。 1987 年美國研制出單機容量為 的水平軸風力發(fā)電機組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。 1987 年加拿大研制出單機容量為 的立軸達里厄風力發(fā)電機組，安裝于魁北 克省的凱普一柴特。進入 20世紀 80年代，單機容量在 100KW 以上的水平軸風力發(fā)電機 組的研究開發(fā)及生產在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。到 20 世紀 90 年代，單機容量為 100～ 200KW 的機組已在中型和大型風電場中成為主導機型。同時單機容量在 1MW 以上的風力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 5 風電場中成功運行。世界風電總裝機容量 1997 年底為 746 萬 KW，1998 年底為 1015 萬 KW， 1999 年底風力發(fā)電機的設計及風力發(fā)電系統(tǒng)的研究為 1393 萬 KW， 2020 年達 1845 萬 KW， 2020 年達 2493萬 KW， 2020 年達 3112KW，平均年增長率在 30%以上。歐洲風能協(xié)會預計，全世界到 2020 年風力發(fā)電裝機容量將超過 1 億 KW，占歐洲總發(fā)電量的 20%以上。世界能源委員會預計，全世界到 2020年風力發(fā)電裝機容量可達 億～ 億 KW。 中國風力發(fā)電現狀 中國風力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。目前風力發(fā)發(fā)電機組的研制開發(fā)重點分兩方面，一是 1KW 以下獨力運行的小型風力發(fā)電機組，二是 100KW 以上并網運行的大型風力發(fā)電機組。 20 世紀 80 年代中期，中國開始規(guī)劃風力發(fā)電場的建設。 1983年在山東榮城引進 3臺丹麥 55KW 風力發(fā)電機組，開始并網風力發(fā)電技術的試驗和示范。 1986 年在新疆達坂城 安裝了 1臺 100KW 風力發(fā)電機組， 1989 年又安裝了 13 臺 150KW 風力發(fā)電機組，同年在內蒙古朱日和也安裝 5臺美國 100KW 機組，開始了中國風電場運行的試驗和示范。特別近年來，中國的風力風電場建設取得了較好的經濟效益和巨大的發(fā)展。據統(tǒng)計，到 2020 年底，中國共建有 27 座風電場，裝機 812 臺，總容量 方 KW。目前正處 于前期工作階段和正在建設的風電場以遍及 10 多個省、市和自治區(qū)。 風力發(fā)電展望 風力發(fā)電技術目前還在不斷發(fā)展，主要體現在單機容量不斷增大上。目前主流發(fā)電機組的功率，以上升到 600～ 750KW， MW級的機組也成批生產， 24MW 級的機組已在實驗生產。這就必然要采用一些新的復合材料和新的技術。例如，單機容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為 2MW 的風力機葉輪掃風直徑達72m。目前最長的葉片以做到 50m。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 6 發(fā)展為強度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。早期的一些風力機槳葉是根據直升飛機的機翼設計的，而風力機的槳葉運行在與直升飛機很不同的空氣動力環(huán)境中。對葉型的進一步改進，增強了風力機捕捉風能的效率。例如，在美國，國家可再生能源實驗室研制開發(fā)了一種新型 葉片，比早期的一些風力機槳葉捕捉風能的能力要大 20%。目前，丹麥、美國、德國等風電科技較發(fā)達的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進的設備和技術條件致力與新葉型的從理論到應用的研究開發(fā)。在中、大型風電機組的設計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風能。地處平坦地帶的風力機。在 50m 高處捕提的風能要比 30m 高處多 20%。尤其值得注意的是 ， 隨著電力電子技術的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風力發(fā)電機 ， 風力發(fā)電機的設計及風力發(fā)電系統(tǒng)的研究組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風力發(fā)電機組軸上，轉子的轉速隨風阻而改變， 其交流電的頻率也隨之變化，經過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，在逆變成與電網同頻率的交流電輸出。由于他被設計 成在幾乎所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率，因而提高了捕捉風能的效率，試驗表明，在平均風速 ，變速風力發(fā)電機組要比恒速風力發(fā)電機組多捕獲 15%的風能，同時每由于機艙重量減輕和改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風力發(fā)電機組的支撐結構減輕，塔架等基礎費用也可降低。其運行維護費用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術。 風力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向將集中在：提高機 群安裝場地選擇的準確性；進機群布局的合理性：提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現運行的最佳控制；進一步降低設備投資及發(fā)電成本；總裝機容量在 1MW 以上的風力發(fā)電場將占據主導地位，風力發(fā)電場內的風力發(fā)電機組單機容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級的。 湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 7 2 風力機理論 基本公式 風能利用系數 風力機從自然風能中吸收的能量大小程度用風能利用系數 Cp表示。橫截面積為 s(m2)的氣流的動能為 E= 式中 ρ—— 空氣密度，㎏ /m3 Vf —— 風速， m/s 如果風力機實際獲得的軸 功率為 P,那么風能利用系數為 CP=P/E=P/() （ 21） 風壓強 如圖 21a，根據伯努力方程，風中物體受到的風壓 Q為 Q= 式中 C—— 空氣阻力系數與物體形狀有關，平板一般取 2 Vf—— 風與平板的相對速度 阻力式風力機的最大效率 建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖 2l（ b），并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為 Vf，平板的運動速度為 V，那么平板吸收的功率可以表示為 P=FV=QSV 式中 F—— 板受到風的 壓力，牛頓 S—— 平板的面積， m2 湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 8 圖 21 平板模型 F=QS=(VfV)2 所以 P=(VfV)2V (22) 對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度 V為函數的功率變化關系式，對 V進行微分得 dp／ dv=CP(VfV)(VfV／ 3) 令 dp／ dv=0， 可以得到兩個解： 1） V1=Vf沒有物理意義 2） V2=Vf／ 3對應于最大值 Pmax=(4C/27) CPmax=4C/27 (23) 從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設法提高風的阻力系數 C。 工作風速與輸出功率 風力發(fā)電機的輸出效率 最理想的風力機也不可能吸收全部的風能，而只能吸收部分風能。如上一節(jié)推導的那樣，有一個最大風能利用系數 Cpmax。但是，風力機在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸收的功率與理想風力機吸收的功率的比值叫做風力機的效率。用 η 1表示。另外還有傳動機構的效率甲 η 2和發(fā)電機的效率 η 3 等 ，所以實際風力發(fā)電機輸出的效率，可以表示為 湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 9 η = η 1 η 2 η 3 工作風速與輸出功率 風力機啟動時，為了克服其內部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風力機本身的傳動機構摩擦阻力有關 因此風力機有一最低工作風速稱 Vfmin，只有風速大于 Vfmin時風力機才能工作。 當風速超過某一值的時候，基于安全上的考慮 (主要是塔架和槳葉強度 )，風力機應該停止運轉，所以每一臺風力機都規(guī)定有最高風速 Vfmax，最高風速 Vfmax與風力機的設計強度有關，是設計時給定的參數 。 最小風速稱 Vfmin，和最大風速 Vfmax之間的風速叫做風力機的工作風速，相應于工作風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。 啟動風速和額定風速的選定 如何根據風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風速和額定風速是關鍵。 （ 1） 雙參數威布爾分布 風能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風能密度，設 ρ為空氣密度， V為風速，則風能密度 p=， p隨 V的立方增大，變化非常快，故知 道風速的變化情況是利用風能的先決條件。 風速 V是隨機變量，經研究專家們多認為用雙參數威布爾概率密度函數擬合風速頻率分布最好腳。威布爾分布函數形如下式 其中 K為形狀參數，無量綱， C為尺度參數，量綱為 ms1。不同地區(qū)，不同時期參數 K、 C是不同的，可根據某地連續(xù) 30年的風資料算出該地的 K、C參數，威布爾分布函數曲線見圖 22。參數 K、 C影響曲線形狀， K大 C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。湖南電氣職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 10 圖 22 威布爾分布函數曲線 上式滿足 (24) （ 2）起動