风力发电系统设计

课程设计

设计题目：小型风力发电系统设计

姓名郭国亮

院系食品工程学院

专业热能与动力工程

年级热能本1202

学号20122916100

指导教师刘启一

2015年12 月13 日

第一章：风力发电系统设计的概况

1.1设计的目及意义：

1）了解风力发电系统的原理和运行流程。

2）设计小型的风力系统满足地方需要。

3）为了解决能源危机和环境保护、气候变暖等各方面的问题，大力推广可再生能源发展的必要性。

1.2设计原则：

1）可再生，且清洁无污染。

2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。

3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。

1.3设计条件：

设计一个10 KW并网的风力发电系统和控制系统。

1.4发电系统设计方案：

1）恒速恒频发电系统。

2）变速恒频发电系统。

1.5烟台当地风资源概要：

1）烟台地理位置：

烟台市位于胶东半岛北缘，中心地理位置约为：北纬37.8，东经121.23，受季风环流的控制和其他天气形势的影响，该地区的风力资源十分丰富。

2）风资源估算：

切变指数：用于描述风速剖面线形状的幂定律指数，准确计算得预装轮毂高度处的风资源数据，是评估风电场发电估算的条件。

风切指数表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随着高度增加的快慢，其值大表示风能随高度增加得快，其计算公式如下： 幂定公式：

α)(1

212z z

v v =

其指数公式为：

)

/㏒(z )

/㏒1212z v v （=α

式中：

α-为风切指数；

1z -为已知高度；2z -为变化后风速所在高度；m

1v -为高度为1z 的风速；2v -为高度为2z 的风速；单位s m /

由此算得10米风切指数为：0.121；

1.6安装位置风资源的确定：

风力发电机依靠风力转动，为了使风力机能够输出更多的能量，风力发电机安装位置的选择是非常重要的，风力大小除了跟风速有关，还跟气候环境、地理位置、地形、风机安装的高度等因素有关。因此，安装地点的确定主要就是风资源和具体安装位置选择。

1）选择地区需要年风资源较好

安装地点的风资源至少要满足以下三个条件之一，才适合安装风力发电机。而且年平均风速越大越好。 （1）年平均风速s m /4>=

（2）s m /20~3的有效风速累计h 4000~2000以上时效

（3）全年s m /20~3平均有效的风能密度满足2/100m W 以上 2）有较稳定的盛行风向

盛行风向指的是出现频率最高的风向，选址时希望盛行风向能比较稳定。我国是季风性较强的国家，不同季节盛行风有所变化。

3）风速日变化、季变化小

4）风机高度范围内“风切变”要小

“风切变”是指风速在水平及垂直方向的突变，尤其在垂直方向的风速变化对风机的影响最大。安装风机应该避开强切变，将风机安装在迎风坡上。

5）湍流强度要小

第二章：风力发电系统结构组成设计

2.1风力发电基本原理：

风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，主要包括风力机和发电机。空气流动的能动作用在风力机风轮上，从未推动风轮旋转，将空气动力能转换风轮的机械能，通过传动装置，发电机将机械能转换为电能，输送给电力系统。

2.2风力发电机整体结构：

风力发电机机组整体结构分为：桨叶、轮毂、发电机自动控制装置、传动系统、逆变器、偏航系统、蓄电池、变桨系统，变流器、风速风向仪和各类传感器、以及塔架等等。

风电机组的电气系统包括以下四个主要部分：变浆距驱动，偏航驱动，发电机部分，控制和监控部分

2.2.1偏航系统

偏航系统的两个作用：

1）与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。

2）提供必要的锁紧力矩，保障风力发电机组安全运行。

偏航系统两个分类：

1）主动偏航：通过电控系统来执行对准风向的偏航方式

2）被动偏航：依靠风力通过机械结构被动完成对准风向的偏航方式。

主动偏航使得迎风过程可以控制，可靠性更高，所以，在这里选择主动偏航装置。结构图如下：

其中，工作原理为：风向风速仪将风速风向的实际测量值传递到工控机，偏航编码器把检测到风机机舱的实时指向角度也传递给工控机，工控机通过算法程序后，把指令发送给偏航驱动器，偏航驱动器最后控制偏航电机，从而决定风力发电机的偏航动作，达到对准风向目的。在偏航过程中，偏航电机通过同轴连接的减速箱带动机舱转动。并且要考虑到风机朝一个方向转3圈后需要解缆的保护措施。

2.2.2变桨系统

变桨系统分类： 1）液压型变桨系统 2）电动型变桨系统

变桨控制方式：失速调节、变桨距调节、主动失速调节

其中，工作原理为：直线位移传感器将检测到的主轴实际位移值传递到工控机，接近开关把检测到的发电机的实时转速传递给工控机，通过算法程序后，把指令发送到变桨驱动器，最后控制变桨电机，从而决定发电机的变桨动作。为了安全，要实时检测变桨电机的温度，并传送到工控机，当温度过高，停止变桨电机工作。

2.2.3变流器

变流器将主发电机发出来的电能整流成直流电，在逆变成与电网匹配的交流电，电能谐波少，质量高。 2.2.4风力发电机

1）按容量分类：小型（kw 10)、中型(kw kw 100~10)、大型（以上kw 100）风力 发电机。

2）按主轴与地面相对位置：水平轴风力发电机和垂直轴发电机。