风力发电综述_毕业设计论文(编辑修改稿)

风力发电综述_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

风力发电机剧烈抖动时有发生，多数是因主要工作部件螺栓松动引起的。 若螺栓松动，将松动的螺栓拧紧 (注意加弹簧垫 )即可；若定桨距风轮叶片变形，需要卸下修复或更换新叶片 (注意，风轮叶片更换应成对、成付一起更换 )，若变桨距风轮出现卡滞，此时应卸下风轮，取下叶片，并用汽油清洗变桨距的滑槽、滑块和弹 簧等零件，然后再重新装回原位 (注意两个叶片的零件不得相互装错，以免破坏风轮平衡 )。 风机调向不灵有以下现象：风轮在低风速时 (一般 35m／ s以下 )，经常不迎风，机头转动困难，风大时 (如风速超过 12m／ s 以上 )，风轮不能及时偏转限速，使风轮长时间超速旋转，致使风机工作稳定性变坏。 (1)调向不灵的原因分析。 风机立柱 (或塔架 )上端压力轴承损坏，或风机安装时没有安装压力轴承，因长期不保养风机，使机座回转体长套内和压力轴承处油泥过多，黄油老化变硬，致使机头回转困难，回转体和压力轴承安装时，根本就没有加 黄油，致使回转体内部生锈。 (2)调向不灵故障的排除方法 卸下回转体，清洗后，若没有安装轴承，则需要补装压力轴承，若长期没有保养，使油泥过多或根本没有加油，则需认真清洗后，再涂新黄油即可。 3．异常杂音 风机运行中的异常杂音有如下现象：当风速小时出现明显的响声，或摩擦声，或出现明显的敲击声等。 (1)异常杂音的原因分析。 螺钉、螺栓各紧固部位有松动之处；发电机轴承缺油或松动；发电机轴承损坏；风轮与其他部件摩擦。 (2)异常杂音的排除方法。 发现风机运转工作时有异常杂音，应立即停机检查。 若紧固件螺丝松动，加好 弹簧垫拧紧即可，若风轮与其他部件摩擦，找出故障点，调整或检修排除，若不属以上原因，则异常杂音可能出在发电机前，后轴承部位，此时应打开发电机前，后轴承盖，检查轴承，对轴承部件清洗或更换新轴承，并加好黄油，将发电机前、后的轴承盖装回原位即可。 发电机不发电的现象：发电机运转工作时，无电流输出。 (1)发电机不发电的原因分析。 发电机输电线断路；发电机整流管损坏；输电线接头接触不良；发电机过热或线圈烧坏；保险管烧坏。 (2)发电机不发电故障的排除方法。 如发现发电机不发电，应立即停机检查，检 查时本着先易后难、由表及里的原则，先检查输电线各接头处接触是否牢靠，若各接头没有问题，可进一步检查发电机整流管或保险管是否有损坏，如整流管和保险管没有问题，则可进一步认定是发电机里边的问题。 此时卸下发电机，打开前后端盖，取出转子，检查定子线周，如是定子线圈有短路，找出短路部位，重新更换线圈或更换新发电机。 5．风轮转速明显降低 风轮转速明显降低的现象，一般比较直观。 即有风时风轮不好启动，运转时转速上不去，特别是额定风速时，风轮转速达不到额定转速。 (1)风轮转速明显降低的原因分析。 变桨距风轮叶片调速后没有 复位，发电机轴承损坏，抱闸刹车风轮的刹车带和刹车盘摩擦过大，风轮叶片变形。 (2)排除方法。 如风轮叶片变形或变桨距叶片没有复位，进行检查调整或更换新风轮叶片，抱闸刹车机型，应检查调整刹车间隙，保风轮运转自如，若发电机轴承损坏，应更换新轴承。 3. 2 风力发电的原理 风力发电机的基本工作原理比较简单 ,风轮在风力的作用下旋转 ,将风的动能转变为风轮轴的机械能 ,风轮轴带动发电机旋转发电。 其中风能转化装置称为风力机。 风力机的核心部件为叶轮的设计 ,随着空气动力学的飞速发展 ,叶轮设第三章 风力发电 11 计已经取得了巨大的进步。 一般将叶轮 设计成翼形 ,风轮从自然界获得的能量有限 ,理论上风力机获得最大效率约为 0. 593,其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。 如图 32 叶轮 ： 图 32 叶轮 现代风轮设计一般采用新翼形设计 ,除按照传统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外 ,新翼形和传统的航空翼形有较大差别 :一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数 ,并减少尖部叶片弦长 ,以控制转子尖部的负荷。 而在中部采用较高的升力系数 ,并增加叶片弦长 ,以达到中等风速时的最佳风轮性能。 这样的设计可使风轮年平均的能量输出大大增加 ]15[。 相信随着计算机流体设计水平和三维设计在风轮设计中的应用 ,可以设计出在一定输出功率下的最佳风轮几何形状。 现代并网风力发电机主要分为恒速恒频和变速恒频两种发电运行方式。 (1)恒速恒频方式 ,即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化 ,始终维持恒转速运转 ,从而输出恒定额定频率的交流电。 这种方式简单可靠 ,但是对风能的利用不充分 ,而且风轮调速机构体积较大 ,结构复杂 ,也增加了设备投资。 (2)变速恒频方式 ,即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行 ,但仍输出恒定频率的交流电。 这种 方式可增加 10%的风能利用率 ,以前需增加 来 实现恒频输出的较昂贵的电力电子设备 ,现在已经开始使用微机控制的双馈电机 ,在变速恒频风力发电上已有比较成功的应用。 3. 3 风力发电机组 3. 3. 1 总述 风力 发电机 组主要包括转子（回转叶片等）、升速装置、发电机、控制装置、调速系统以及支撑铁塔等。 当风力发电装置作为稳定电源经常供电时，还必须装设蓄能装置（如蓄电池）。 转子上的回转叶片受风力冲动，将风力转变为回转的机械力，通过升速装置驱动发电 机发电。 转子一般为立式，叶片数一般为 2～3片，叶片的方向与风向垂直，转速只有 40～ 50r／ min，而发电机的转速较高（例如 1500rmin、 50Hz的发电机），必须装设升速装置（齿轮、链条和皮带等）。 控制装置包括定向装置（将转于调整对准风向）、起动和停机装置、调整风力装置（调整叶片角度以调整接受的风力）和保护装置（在过高风速时停机以及发电机保护等）。 调速装置用来维持发电机定速回转。 支撑铁塔用来支撑和提高转于位置，使回转叶片能接受较大风速（因风速随高度而升高）。 风力发电机组是实现由风能到电能转换的关键设备 ]16[。 因 风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节 (转速、电压、频率 ) 、停机、故障保护 (超速、振动、过负荷等 )以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。 由于控制十分复杂 ,现在普遍采用微机控制。 因风能具有随机性，而电力负荷则有其本身的规律，为使供电可靠，大规模 风电是建设多台大型风电机组形成的风电厂与电网并联运行；在电网达不到的边远地区则采用风电机组与柴油 发电机 组联合运行的方式，既可节油又可保证连续供电。 我国风能资源比较丰富，是风能利用的大国之一，风力提水和风帆运输曾有过辉煌历史。 近代风力发电在我国起步较晚，前些年主要是建设小型风力发电机（ 10kW 以下）。 50～ 200W 微型风力发电机组己定型投入批量牛产，年第三章 风力发电 13 生产能力达一万台以上； l～ 20kW 容量的中、小型风力发电机组己 经 达到小批量生产阶段。 目前正在研制 50～ 200kW 大、中型风力发电机组。 据 1992 年末的统计，已推广使用微型风力发电机组约 12 万台，总装机容量约。 并在国际合作和引进国外机组的条件下，已在新疆、内蒙古等区建立了 14 个风力发电试验场，安装大、中型风力发电机组多台。 仅新疆达板城风电场装机容量己突破 10MW，其经济效益越来越明显。 3. 3. 2 风电机组运行方式 ⒈ 独立运行方式 独立运行的风力发电机组 ,又称离网型风力发电机组 ,是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能 ,再供应用户使用。 可供边远地区 ,气象台站、边防哨所等电网覆盖不到的地区利用。 这种方式的缺点是在无风期不能发供电 ,为了克服这一缺点 ,可配备少量蓄电池来保证不能断电的设备在无风期间内从蓄电池获得电能 ,同时为保证独立运行的离网则风力发电机组能连续可靠地供电 ,解决风力发电受自然条件限制的影响。 风力发电机组还可与其他动力源联合使用 ,常用的方式主要有风力 — 柴油发电联合运行、风力 — 太阳能电池发电联合运行等。 ⒉ 并网运行方式 并网运行方式 ,就是采用风力发电机与电网连接 ,由电网输送电能的方式。 这种方式是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式 ,同时可达到节约矿物燃料的目的。 10 kW 以上直至 MW级的风力发电机组皆可采用这种运行方式。 并网运行又可分为两种不同的方式 :恒速桓频方式和变速恒频方式。 风力发电 场是目前世界上风力发电并网运行方式的基本形式 ,即在风能资源良好的地区 ,将几十台、几百台甚至几千台单机容量从数十千瓦、数百千瓦直至兆瓦级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体 ,有利于风能的充分、高效率利用 ]17[。 3. 3. 3 大型风力发电机组的结构和特点 风电机组向大容量 、 优良的发电质量 、 提高材料利用率 、 减少噪音 、 降低成本 、 提高效率的方向发展。 为降低单位千瓦造价 ， 节省风电场使用面积 ， 加快风电场建设速度 ， 提高风电经济效益 ， 许多风电厂商致 力于提高单机容量。 兆瓦级机组的市场份额 1997年以前不到 10%， 2020年则超过一半 ， 2020年达到%。 大型风力发电机组必须通过联网运行 ,并将风电机组输出的电压和频率变为电网的恒定电压和频率加以传输 ,目前一般采用全额定值变换原理。 图 33示出这种方式的原理结构。 风电机组通过全额定值变频器和变压器与高压电网相联 ,变频器将风电机组输出的总是在不停变化交流电压 ,首先变换成直流 ,再逆变成电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。 显然 ,变频器的容量必须与发电机的额定容量对等 ,因此 ,一些资料把这种变频器称 作全额定值变频器。 这种方式的最大优点是发电机的变速范围宽 ,适用风力变化较大的环境能力强 ,而且维护简便。 缺点是变频器容量大 ,体积大。 由于风力机的机械旋转角频率远低于电网工频角频率 ,为减轻发电机的重量 ,以及变频器中直流环节的纹波系数 ,可以在风力机与发电机之间设置增速用齿轮箱。 图 33 变频器与电枢绕组相连 这种方式中的发电机可以采用鼠笼型异步发电机 ,也可以用永磁同步发电机。 若采用鼠笼型异步发电机 ,变频器相当于众所周知的异步电机传动系统中所用变频器的可逆运行若采用永磁同步发电机 ,使电机连同变频器及变压器即 构第三章 风力发电 15 成一台无换向器的发电机。 除上述图 33这种方式外 ,较为受世人关注的是用变频器对风力发电机进行励磁方式。 图 34是有刷励磁方式。 发电机为绕线式转子异步电机 ,转子励磁线圈通过滑环与电刷和静止变频器相联 ,所以称为有刷励磁。 通过控制变频器对发电机转子回路输出的三相交流低频电压的相位、幅值及频率 ,来达到发电机变速恒频恒压以达到联网运行的目的。 图 34 用变频器进行 有 刷励磁 这种方式的优点是所用变频器的体积容量大为减小 ,仅为被励发电机容量的 1/31/4,而且省去了风力机与发电机间的增速齿轮箱 ,以及发电机电枢 绕组与电网间的可能需要设置的升压变压器。 除有刷励磁方式外 ,还有无刷励磁的风力发电机方式。 图 35表示用变频器进行无刷励磁方式。 发电机由 2台同轴连接的绕线转子异步电机组成 ,见图 35（ a） ,一台为发电机 ,另一台为励磁机。 2套转子绕组在电气上直接相联 ,如图 35（ b）所示 ,实质上是一种无刷歇尔皮斯系统 ,变频器在励磁机的定子回路 ,并与工频电源相联 ,这样便构成无刷励磁系统。 通过改变变频器对励磁机输出电压的相位、幅值和频率 , 便可达到发电机实现变速恒频恒压运行的目的。 无刷励磁方式较有刷励磁而言 ,发电机结构较为复杂 ,但突出优点是运行维护简单 ,所以仍不失为一种好的风力发电方式 ,为用户所青睐 ]18[。 图 35 用变频器进行无刷励磁 3. 3. 4 国外风力发电机组的结构和特点 国外的风电机组和变频器技术起步较早 ,技术较国内先进 ,风力发电机单机容量已能生产 5MW机组 ,变频器容量也做得较大。 单机容量为 35MW的风力发电机群 ,对变频器的配置方式如图 7所示。 在风力发电场的几台发电机中 ,每台电机的电枢绕组输出端只设置 AC/DC整流器 ,通过直流母线实现所并联发电机的同步变速运行 ,再由风电场中的公用逆变器把直流母线中的电源转变成电压频率、幅值及相位与电网一致的交流电源进行传输 ,公用逆变器的容量为所有发电机 AC/DC整流器容量总和 ,可做到 4050MW。 这种方式的特点是直流母线上的电压是多台发电机整流输出后得到的 ,由每台发电机间交流输出电压的相位不同 ,相当于 3n=24相交流电压的整流输出 , 纹波系数特别小 ,尽管每台发电机输出电压频率很低 ,约为 510HZ,也不会损坏母线电压的波形效果 ,所以可以取消风力机与发电机间的增速齿轮箱 ,由风力机直接驱动发电机转子。 另外 ,由于变频器中整流与逆变部 分的分离 ,提高了风电场的经济整体效益及运行可靠性。 第三章 风力发电 17 图 36 变频器在“ Windformer”系统总的应用 为使直流母线上的电压达到足够高的程度 ,除了增大风力机的驱动功率 ,加大发电机的单机容量外 ,在发电机定子线圈绕制上 ,是由一整条高压电缆绕制而成 ,发电机输出电压可高达 12KV以上 ,从而使逆变器输出交流电源电压值足。