开题报告小型风力发电机总体结构的分析

小型风力发电机总体结构的设计

开题报告

班级（学号）：机0405-19 姓名：崔亮

指导老师：许宝杰

一、综述

1.课题研究的目的和意义

能源是发展国民经济和提高人民生活的重要物质基础，是经济发展的“火车头”，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。社会经济发展推动能源需求的持续增长，要求不断开发新的能源。虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗，但现今的能源生产量依然满足不了人类发展的需求。由于对能源的渴求，人们无节制地开采石油、煤炭、天然气等这些埋在地层深处的维系人类生存的“能源食粮”，不仅严重地污染了我们的生存空间，恶化了自然环境，而且带来了更可怕的恶果—能源枯竭。传统化石能源资源的减少，引发的石油危机和石油总体价格的攀升，已在向世人警示能源安全问题,引起对能源安全的广泛担忧。现实告诫人们，要生存就必须寻求开发新能源。[1]

我国地域辽阔，广大边远山区、沿海岛屿和少数民族地区地广人稀、交通不便，利用大电网的延伸解决供电问题非常困难，而这些地区风力资源往往又比较丰富。充分利用这些地区的风力资源来解决无电、缺电问题，对改善当地人民的生活水平，发展地方经济具有深远的意义。小型风力发电系统具有机组投资小，使用灵活，非常适用于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的基本生活用电及部分小型生产用电问题。[2]小型风力发电技术作为农村能源的组成部分，它的进一步推广应用，将会推动农村能源的发展，对于改善用能结构，特别是边远山区等的生产、生活用能，推动生态和环境建设诸领域的发展将发挥积极作用，具有广阔的市场前景。[3]

风能具有随机性和不确定性，风力发电系统是一个复杂系统。简化小型风力发电系统的结构、降低成本、提高可靠性及实现系统优化运行，具有重要的理论意义和实际应用价值。

2.课题的研究现状及已有成果

风能的利用有着悠久的历史。近年来,资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80年代以来,风能利用的主要趋势是风力发电。风力发电最初出现在边远地区,应用的方式主要有:1)单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用;2)风力发电机与其它电源联用可为海上导航设备和远距离通信设备供电;3)并入地方孤立小电网为乡村供电。[4]

风电场是由多台并网型风力发电机组,并按一定规律排列组成的风力发电机群。每台风力发电机组一般包括风力机、异步发电机和中间的传动连接机构:轮毂、齿轮箱、连轴器。通常机端还有并联电容器,提供异步发电机运行时所需的无功功率,以提高发电场的功率因数。[5]

1 风力机现代风力机从基本结构上分为两类,即水平轴风机(HAWT)和立轴风机(VAWT),如图1所示，这两类风机都是利用空气动力升力原理来获取风能的。目前水平轴风机较多采用。水平轴风机轮毂上有三个或两个风翼,也称叶片。叶片用强化聚酯玻璃纤维、胶合板、铝或钢制造。[6]

风力机通过叶片捕获风能,将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。风力机的特性通常用风能利用系数CP—尖速比λ曲线来表示,如图2所示。不同浆距角β时,风能利用系数CP对应的尖速比λ不同。这里尖速比λ=ωmR/V,R为叶片半径(m),ωm是风机的机械转速(r/s),V 是作用于风轮机的迎面风速(m/s)。对于同一CP,风轮机可能有两个运行点,它们分别对应于风轮机的高风速运行区和低风速运行区。当风速变化时风轮机的运行点将要发生变化。

对一台实际的风力机,其捕获风能转变为机械输出功率Pm的表达式为

Pm= 0.5ρACPV3

式中ρ——空气密度,kg/m3

A——扫掠面积,m2

风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求CP最大,从而增加其输出功率。

然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制:一方面是电气回路中元器件的功率限制;另一方面是机械传动系统元件存在转速上限。因此风机存在三个典型运行状态:保证恒定CP,控制风力机转速(维持λ不变)直到转速达到极限;风力机以恒定速度运行,通过调节风力机可使CP具有较大数值,直到最大输出功率;当风速过大,输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制,使输出功率限制在额定值附近。[7]

2 风力机的功率调节

功率调节是风轮机的关键技术之一,目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式:一类是定浆距失速控制;另一类是变浆距控制。

1)浆距失速控制

风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性,称为定浆距风力发电机组。这种机组的输出功率随风速的变化而变化,从CP的关系看,难以保证在额定风速之前CP最大,特别是在低风速段。这种机组通常设计有两个不同功率,不同极对数的异步发动机。大功率高转速的发动机工作于高风速区,小功率低转速的发动机工作于低风速区,由此来调整λ,追求最佳CP。当风速超过额定风速时,通过叶片的失速或偏航控制降低CP,从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定,通常有些下降,如图3所示。

2)变浆距控制

为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳,风力机将进行浆距调整。在定浆距基础上加装浆距调节环节,称为变浆距风力机组。变浆距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性,它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来进行调节。在额定风速以下时攻角处于零度附近,此时,叶片角度受控制环节精度的影响,变化范围很小,可看作等同于定浆距风机。在额定风速以上时,变浆距机构发挥作用,调整叶片攻角,保证发动机的输出功率在允许范围以内。变浆距风力机的起动风速较定浆距风力机低,停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作时,主要采用功率控制。[9]

3 发电机

目前风力发电所采用的发电机主要有两种:同步发电机和异步发电机。而采用最多的是笼型异步发电机。笼型异步发电机既可以孤立运行,也可以联网运行。由于它的低耗、高可靠性、无需励磁装置和电刷、结构简单尺寸小、坚固耐用、基本上无需维修,它已成为风力