小型風(fēng)力發(fā)電機總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計開題報告一、綜述1.課題研究的目的和意義能源是發(fā)展國民經(jīng)濟和提高人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟發(fā)展的“火車頭”，能源已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。社會經(jīng)濟發(fā)展推動能源需求的持續(xù)增長，要求不斷開發(fā)新的能源。雖然，人類的技術(shù)進步旨在提高能源的利用效率、減少能源的消耗，但現(xiàn)今的能源生產(chǎn)量依然滿足不了人類發(fā)展的需求。由于對能源的渴求，人們無節(jié)制地開采石油、煤炭、天然氣等這些埋在地層深處的維系人類生存的“能源食糧”，不僅嚴(yán)重地污染了我們的生存空間，惡化了自然環(huán)境，而且?guī)砹烁膳碌膼汗茉纯萁摺鹘y(tǒng)化石能源資源的減少，引發(fā)的石油危機和石油總體價格的攀升，已在向世人警示能源安全問題,引起對能源安全的廣泛擔(dān)憂。現(xiàn)實告誡人們，要生存就必須尋求開發(fā)新能源。1我國地域遼闊，廣大邊遠山區(qū)、沿海島嶼和少數(shù)民族地區(qū)地廣人稀、交通不便，利用大電網(wǎng)的延伸解決供電問題非常困難，而這些地區(qū)風(fēng)力資源往往又比較豐富。充分利用這些地區(qū)的風(fēng)力資源來解決無電、缺電問題，對改善當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏?，發(fā)展地方經(jīng)濟具有深遠的意義。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有機組投資小，使用靈活，非常適用于解決居住相對分散、風(fēng)力資源較好的無電地區(qū)居民的基本生活用電及部分小型生產(chǎn)用電問題。2小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的進一步推廣應(yīng)用，將會推動農(nóng)村能源的發(fā)展，對于改善用能結(jié)構(gòu)，特別是邊遠山區(qū)等的生產(chǎn)、生活用能，推動生態(tài)和環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，具有廣闊的市場前景。3風(fēng)能具有隨機性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。簡化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果風(fēng)能的利用有著悠久的歷史。近年來,資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風(fēng)能資源。自80年代以來,風(fēng)能利用的主要趨勢是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠地區(qū),應(yīng)用的方式主要有:1)單獨使用小型風(fēng)力發(fā)電機供家庭住宅使用；2)風(fēng)力發(fā)電機與其它電源聯(lián)用可為海上導(dǎo)航設(shè)備和遠距離通信設(shè)備供電；3)并入地方孤立小電網(wǎng)為鄉(xiāng)村供電。4風(fēng)電場是由多臺并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組,并按一定規(guī)律排列組成的風(fēng)力發(fā)電機群。每臺風(fēng)力發(fā)電機組一般包括風(fēng)力機、異步發(fā)電機和中間的傳動連接機構(gòu):輪轂、齒輪箱、連軸器。通常機端還有并聯(lián)電容器,提供異步發(fā)電機運行時所需的無功功率,以提高發(fā)電場的功率因數(shù)。51風(fēng)力機現(xiàn)代風(fēng)力機從基本結(jié)構(gòu)上分為兩類,即水平軸風(fēng)機(HAWT)和立軸風(fēng)機(VAWT),如圖1所示，這兩類風(fēng)機都是利用空氣動力升力原理來獲取風(fēng)能的。目前水平軸風(fēng)機較多采用。水平軸風(fēng)機輪轂上有三個或兩個風(fēng)翼,也稱葉片。葉片用強化聚酯玻璃纖維、膠合板、鋁或鋼制造。6風(fēng)力機通過葉片捕獲風(fēng)能,將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力機的特性通常用風(fēng)能利用系數(shù)CP尖速比曲線來表示,如圖2所示。不同漿距角時,風(fēng)能利用系數(shù)CP對應(yīng)的尖速比不同。這里尖速比=mR/V,R為葉片半徑(m),m是風(fēng)機的機械轉(zhuǎn)速(r/s),V是作用于風(fēng)輪機的迎面風(fēng)速(m/s)。對于同一CP,風(fēng)輪機可能有兩個運行點,它們分別對應(yīng)于風(fēng)輪機的高風(fēng)速運行區(qū)和低風(fēng)速運行區(qū)。當(dāng)風(fēng)速變化時風(fēng)輪機的運行點將要發(fā)生變化。對一臺實際的風(fēng)力機,其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械輸出功率Pm的表達式為Pm=0.5ACPV3式中空氣密度,kg/m3A掃掠面積,m2風(fēng)力機的整體設(shè)計和相應(yīng)的運行控制策略應(yīng)盡可能追求CP最大,從而增加其輸出功率。然而實際應(yīng)用中輸出功率的提高卻受到兩方面的限制:一方面是電氣回路中元器件的功率限制；另一方面是機械傳動系統(tǒng)元件存在轉(zhuǎn)速上限。因此風(fēng)機存在三個典型運行狀態(tài):保證恒定CP,控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速(維持不變)直到轉(zhuǎn)速達到極限；風(fēng)力機以恒定速度運行,通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機可使CP具有較大數(shù)值,直到最大輸出功率；當(dāng)風(fēng)速過大,輸出功率達到極限時風(fēng)力機按恒定功率控制,使輸出功率限制在額定值附近。72風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)是風(fēng)輪機的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前投入運行的機組主要有兩類功率調(diào)節(jié)方式:一類是定漿距失速控制；另一類是變漿距控制。1)漿距失速控制風(fēng)力機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性,稱為定漿距風(fēng)力發(fā)電機組。這種機組的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化,從CP的關(guān)系看,難以保證在額定風(fēng)速之前CP最大,特別是在低風(fēng)速段。這種機組通常設(shè)計有兩個不同功率,不同極對數(shù)的異步發(fā)動機。大功率高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于高風(fēng)速區(qū),小功率低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機工作于低風(fēng)速區(qū),由此來調(diào)整,追求最佳CP。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時,通過葉片的失速或偏航控制降低CP,從而維持功率恒定。實際上難以做到功率恒定,通常有些下降,如圖3所示。2)變漿距控制為了盡可能提高風(fēng)力機風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機輸出功率平穩(wěn),風(fēng)力機將進行漿距調(diào)整。在定漿距基礎(chǔ)上加裝漿距調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),稱為變漿距風(fēng)力機組。變漿距風(fēng)力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性,它要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調(diào)節(jié)。在額定風(fēng)速以下時攻角處于零度附近,此時,葉片角度受控制環(huán)節(jié)精度的影響,變化范圍很小,可看作等同于定漿距風(fēng)機。在額定風(fēng)速以上時,變漿距機構(gòu)發(fā)揮作用,調(diào)整葉片攻角,保證發(fā)動機的輸出功率在允許范圍以內(nèi)。變漿距風(fēng)力機的起動風(fēng)速較定漿距風(fēng)力機低,停機時傳動機械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風(fēng)機正常工作時,主要采用功率控制。93發(fā)電機目前風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機主要有兩種:同步發(fā)電機和異步發(fā)電機。而采用最多的是籠型異步發(fā)電機?；\型異步發(fā)電機既可以孤立運行,也可以聯(lián)網(wǎng)運行。由于它的低耗、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。異步發(fā)電機作為并網(wǎng)型發(fā)電設(shè)備的方案可分為兩類:恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。1)恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)恒速運行的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不變,而風(fēng)速經(jīng)常變化,因此葉尖比不可能經(jīng)常保持在最佳值(即使采用變漿距葉片),CP值往往與最大值相差很大,使風(fēng)力機常常運行于低效狀態(tài)。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中,多采用籠型異步電機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機,在并網(wǎng)后其輸出功率在輸出功率P(或轉(zhuǎn)矩)與轉(zhuǎn)速n/ns曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行,如圖4所示。異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機傳給發(fā)電機的機械功率隨風(fēng)速而增加時,發(fā)電機的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大,運行點發(fā)生改變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%5%時達到最大值,若超過這個轉(zhuǎn)速,異步發(fā)電機進入不穩(wěn)定區(qū),產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高,引起飛車,這是十分危險的。異步發(fā)電機并網(wǎng)運行時,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。異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸出的電流大小及功率因數(shù),取決于轉(zhuǎn)差率及電機的參數(shù)。轉(zhuǎn)差率與異步發(fā)電機負荷的大小有關(guān),電機的參數(shù)無法改變。8風(fēng)力