基于组态王的风力发电的偏航系统的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

基于组态王的风力发电的偏航系统的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

(25) 所以经过风轮叶片的风的动能转化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT   (26) 式中 sv ——空气质量 TP  (27) 8 2 21 vvv  (28) 因此 ， 风作用在风轮叶片上的力 F 和风轮输出的功率 P 分别为 )(21 2221 vvsF   (29) ))((41 212221 vvvvsP   (210) 风速 1V 是给定的， P 的大小取决 于 2V ， P 是 2V 的函数，对 P 微分求最大值得 )32(41 2221212 vvvvsdvdP   (211) 令其等于 0，求解方程得 12 31vv  (212) 3131m a x 271621278 svsvP   (213) 16/27=， PC 称作贝茨功率系数 pCsvP 31m a x 21  (214) 而 3121 sv正是风速为 1V 的风能 T ，故 pTCP max (215) PC =，说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率 maxP 为风吹过叶片扫掠面积 S的风能的 ％。 贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是 ％。 通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到 ％，一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取。 风力发电机特性系数 贝茨理论提供了风能的基本理论，但在讨论风轮机的能量转换与控制时有几个特性系数具有特别重要的意义。 （ 1）风能利用系数 PC 风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数 PC 表示 SvPCp 3121  (216) （ 2）叶尖速比  9 为了表示风轮在不同的风速中的状态用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量称为叶尖速比  vwRvRn   2 (217) 低速风轮  取较小值；高速风轮  取较大值。 （ 3）转矩系数 TC 和推力系数 FC 为了便于把气流作用下的风轮机产生的转矩和推力进行比较常以  为变量作成转矩和推力的变化曲线，因此转矩和推力也要无因次化。 SRvTSRvTCT 22221  (218) SvFSvFCF 22221  (219) 现代风机 刚出现的 风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。 一阵狂风吹来，风 轮越转越快，系统就会被吹跨。 现 代风机为了解决风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定的问题，增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，现代风机的示意如图。 图 现代风力发电机 10 现代 风力发电机组的构成 现代风力发电机组的构成包括：叶轮、传动系统、发电机、偏航系统、控制系统以及其他部件。 叶轮 是 将风能转变为机械能 ， 传动系统 是 将叶轮的转速提升到发电机的额定转速 ， 发电机 是 将叶轮获得的机械能再转变为电能 ， 偏航系统 是 使叶轮可靠地迎风转动并解缆 ， 其它部件如塔架、机舱等 ， 控制系统 是 使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。 （ 1） 叶轮由叶片和轮毂组成，是机组中最重要的部件：决定其性能和成本，目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片。 叶片与轮毂的连接有固定式（定桨距），及可动式（变桨距）。 叶片多由复合材料（玻璃钢）构成。 （ 2） 传动系统由风力发电机中的旋转部件组成。 主要包括低速轴，齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。 齿轮箱有两种：平行轴式和行星式。 大型机组中多用行星式（具有重量和尺寸优势）。 有些机组无齿轮箱，即直驱式。 传动系的设计按传统 的机械工程方法，主要考虑特殊的受载荷情况。 齿轮箱可以将很低的风轮转速（ 17 48转 /分）变为很高的发电机转速（通常为 1500 转 /分）。 同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。 由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。 例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特 性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件。 （ 3） 机舱与偏航机构 包括机舱盖，底板和偏航系统。 机舱盖起防护作用，底板支撑着传动系部件。 偏航机构是驱动机舱在回转轴承上相对塔架转动的装置，也称为对风装置，其作用是能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能，偏航系统的主要部件是一个连接底板和塔架的大齿轮。 上风式机组采用主动偏航，由偏航电机或液压马达驱动，由偏航控制系统控制。 偏航刹车用来固定机舱位置。 （ 4） 控制系统是现代风力发电机的神经中枢。 现代风机是无人值守的。 以 600 千瓦风机为例，一般 在 4 米 /秒左右的风速自动启动，在 14米 /秒左右发出额定功率。 然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到 25 米 /秒时自动停机。 现代风机的存活风速为 6070 米 /秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。 通常所说的 12 级飓风，其风速范围也仅为 米 /秒。 风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。 并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。 11 风力发电的 原理 现代风力发电系统由风能资源、风力发电机组、控制装置及检测显示装置等组成。 风力发电机组是风电系统的关键设备，通常包括风轮机、发电机、变速器及相应控制装置，用来实现能量的转换。 完整的并网风力发电系统结构示意图见图。 风 速 模 型传 动 部 分风 力 机 控 制 器变 频 器风 力 机发 电 机电 网变 频 器发 电 机 与 换流 器 控 制变 压 器w oPwTsPwwwsPcPr efrefPc 图 风力发电系统结构示意图 其中，风轮机理想运行功率输出曲线见图。 1 0 2 0 3 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 2风 速 / ( m / s )有功输出5 1 52 5切入风速切出风速风 能风 力 机 输 出 图 风轮机理想运行功率输出曲线 12 1 0 2 0 3 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 2风 速 / ( m / s )有功输出5 1 52 5恒 功 率 输 出切 入 风 速 切 出 风 速风 轮 机 最 大出 力 图 恒速恒频发电方式与变速恒频发电方式运行功率曲线比较 长期以来风力发电系统主要采用恒速恒频发电方式 (Constant Speed Constant Frequency简称 CSCF)和变速恒频发电方式 (Variable Speed Constant Frequency简称 VSCF)两种。 恒速恒频发电方式，概念模型通常为 “ 恒速风力机 +感应发电机 ” ，常采用定桨距失速或主动失速调节实现功率控制。 在正常运行时，风力机保持恒速运行，转速由发电机的极数和齿轮箱决定。 由于风速经常变化，功率系数 Cp不可能保 持在最佳值，不能最大限度地捕获风能，效率低。 变速恒频发电方式，概念模型通常为 “ 变速风力机 +变速发电机 (双馈异步发电机或低速永磁同步发电机 )” ，采用变桨距结构，启动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后，在额定风速以下，调节发电机反转矩使转速跟随风速变化以保持最佳叶尖速比从而获得最大风能；在额定转速以上，采用变速与桨叶节距的双重调节限制风力机获取的能量以保证发电机功率输出的稳定性。 前者结构简单、运行可靠，但其发电效率较低，而且由于机械承受应力较大，相应的装置成本较高。 后者可以实现不同风速下高效发电从而使得系统 的机械应力和装置成本都大大降低。 采用变速恒频发电方式，能在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终在最佳转速上运行，捕获最大风能。 风力发电机系统组成部分简介 目前研究最多的是双馈感应风力机系统，与传统的恒速恒频风力发电系统相比，采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等。 但无论哪种结构形式，风力发电机系统基本包括以下几个组成部分：风力机桨叶系统，齿轮箱系统，发电机系统，控制系统，偏航系统，刹车系统等。 如图 所示风力发电机组结构总图。 13 图 风力发电机组结构总图 风力机桨叶系统 风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的 速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转换成机械能，进而通过增速器驱动发电机。 对于定桨距系统，其桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之改变。 这一特点，给定桨距风力发电机组提出了两个必须要解决的问题，一是当风速高于风轮额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。 二是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。 为解决这样的问题，制造商家通过改善叶轮的 制造材料，采用加强玻璃塑料、碳纤维强化塑料、钢和铝合成。 另外在桨叶尖部安装叶尖扰流器，在需要制动时打开。 由于叶尖部分处于距离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即是桨叶空气动力刹车。 叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。 对于变桨距系统，叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。 随着风力机单 机容量的不断增加，风力机发电效率和可靠性的不断改善，大中型风力机的叶片材料逐渐由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。 14 风力机齿轮箱系统 由于风轮转速与发电机转速之间的巨大差距，增速齿轮箱成为风力发电机组中的一个必不可少的部件。 增速箱的低速轴接桨叶，高速轴接发电机（直驱式风力发电机则没有齿轮箱机构）。 齿轮箱系统的特点是： （ 1）低速轴采用行星架浮动，高速轴采用斜齿轮（螺旋齿轮）浮动，这种两级或者三级的复合齿轮形式，使结构简化而紧凑，同时均载效果好。 （ 2）输入轴的强度高、刚性大、加大支承 ，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。 在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小。 国外一般采用 24 极的发电机。 风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达 20 年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。 近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。 在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。 与传统的风力发电机系统相比，直驱永磁风力发电机取消 了沉重的增速齿轮箱，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，降低了制造和维护成本，减小了机械效率损失，提高了运行效率。 开发直驱式风力发电机组是我国日后风力发电机制造的趋势之一。 发电机系统 现今，风力发电机的单机容量越来越大。 风力发电机所用的发电机一般采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。 由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。 所以，有些风 力发电系统采用无刷双反馈电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。 目前，这种发电机形式成为各风电制造厂商生产的主流形式。 但对于直驱式风力发电机系统，采用的是永磁同步发电机形式。 这。