1000kW风力发电系统设计.doc
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1000kW风力发电系统设计
摘要
21世纪以来,我国的电力建设发展迅速,国家对于新能源技术领域也日益关注,随着新能源发电技术在我国的推广与发展,风力发电技术得到了广泛的应用,国家不仅建立了一批有利于风力发电系统发展的政策制度,而且随着我国电力需求的增长以及传统能源的逐渐减少,风力发电利用越来越广泛、技术越来越趋于成熟。
本文先对风力发电系统安装地点以及该地的风力资源情况进行调研,再根据风力发电原理和风力发电系统结构基本知识,以及风电机组额定功率,确定系统的风力发电机类型,然后进行风力机各部分的设计计算(包括叶片设计、轮毂选型、塔架计算、机舱设计等)、机组控制系统设计,最后根据并网部分的相关要求确定主要设备选型,最终完成1000kW风力发电系统设计。
本文详细介绍了风力发电系统设计的原理以及在进行风力发电系统设计时需要考虑的风力机设计计算、机组控制以及并网设备型号选择问题,最终结合完成了1000kW风力发电系统整体设计。
本文的风力发电系统设计主要是在理论层面,相信到了实际工程中还有很多待完善的细节,本文能对风力发电系统设计工作提供较好的参考作用。
关键词:
风力发电;变速恒频;机组控制;系统设计
Abstract
Sincethe21stcentury,China'selectricpowerconstructionhasdevelopedrapidly,andChina'sattentiontothefieldofnewenergytechnologyhasbeenconstantlyincreasing.WindpowergenerationtechnologyiswidelyusedinthedevelopmentofnewenergypowergenerationtechnologyinChina.Policiesandsystemsthatareconducivetothedevelopmentofwindpowergenerationsystems,andwiththegrowthofChina'spowerdemandandthegradualdecreaseoftraditionalenergysources,windpowergenerationisbecomingmoreandmorewidelyusedandthetechnologyisbecomingmoreandmoremature.
Thisarticlefirsttothewindpowersysteminstallationsiteandthearea'swindresourcessituationresearch,andaccordingtotheprincipleofwindpowerandwindpowersystembasicknowledgestructure,thewindgeneratorandpowerrating,determinethetypesofwindturbinesandwindturbinedesignandcalculationofeachpart(includingbladedesign,selectionofwheelhub,towercalculation,planedesign,etc.),theunitcontrolsystemdesign,finallydeterminedaccordingtorelevantrequirementsofthegridpartofthemainequipmentselection,finallyfinished1000kWwindpowersystemdesign.
Thispaperintroducestheprinciplesofwindpowersystemdesignandthedesigncalculationsofwindturbines,unitcontrolandmodelselectionofgrid-connectedequipmentthatneedtobeconsideredwhendesigningthewindpowersystem.Finally,theoveralldesignofthe1000kWwindpowersystemiscompleted.Thedesignofthewindpowersysteminthispaperismainlyatthetheoreticallevel.Ibelievethattherearestillmanydetailstobeperfectedintheactualproject.Thispapercanprovideagoodreferenceforthedesignworkofthewindpowersystem.
Keywords:
windpowergeneration;variablespeedconstantfrequency;unitcontrol;systemdesign
III
目录
摘要 I
Abstract II
第一章设计概述 1
1.1风力发电的背景及意义 1
1.2风力发电系统设计的要求和条件 1
1.3风力发电系统设计基础 1
1.4本文主要研究内容 2
第二章风力发电系统结构组成 3
2.1风力发电机组结构及原理 3
2.2风力发电系统设计参数 4
2.2.1风力发电机的类型选择 4
2.2.2风力机设计参数 5
2.3风轮机的工程设计 6
2.3.1风力机单位面积功率选择曲线图 6
2.3.2风轮机工程设计 6
2.4风力发电系统的控制方式及最大功率追踪 7
2.4.1风轮功率的控制方式 7
2.4.2最大功率追踪控制 8
2.5本章小结 9
第三章风力发电机组设计 10
3.1叶片设计 10
3.1.1叶片设计要求 10
3.1.2叶片的长度计算 11
3.2轮毂选型 11
3.3塔架设计 12
3.3.1塔架的高度计算 12
3.3.2塔架的结构类型 12
3.4齿轮箱的选型 13
3.4.1齿轮箱传动比 13
3.4.2齿轮箱的类型 13
3.5机舱设计 14
3.6本章小结 14
第四章电气控制系统的设计 15
4.1风电机组的控制目标 15
4.2控制系统工作原理 15
4.2.1控制系统的基本结构 15
4.2.2控制系统工作原理 16
4.3控制系统的基本功能设计 17
4.3.1风电机组的工作状态 17
4.3.2基本运行控制功能 18
4.4主控制器的硬件设计 19
4.5本章小结 21
第五章风电机组并网部分设计 22
5.1风电机组并网及其影响 22
5.1.1 风电机组的电气接线 22
5.1.2风电并网对电网的影响 23
5.2变流器的选型 23
5.2.1变流器的选择 23
5.2.2变流器的工作原理 23
5.3熔断器的选型 24
5.4传感器选型 25
5.5本章小结 25
结论 26
参考文献 27
第一章设计概述
第一章设计概述
1.1风力发电的背景及意义
自上世纪中下叶开始,随着环境的恶化和能源危机的出现,清洁能源已经逐渐出现在人们眼前。
随着全球经济的高速发展,环境污染和能源危机愈发加重,新能源的发展已经迫在眉睫。
目前如煤、石油及天然气等的常规能源,其蕴藏量严重不足,而且对环境已经产生了很大的破坏,需要以新的能源来逐步代替常规能源,如风能、水能、太阳能、潮汐能等。
据世界气象组织和中国气象局气象科学研究院分析,地球上可利用的风能资源为200亿kW,是地球上可利用水能资源的20倍[1],因此,为了促使能源危机以及其带来的环境问题得到有效缓解,作为可再生的清洁能源中最具开发价值的风能,它的发展对中国乃至世界都是极为重要且具有现实意义的。
自20世纪80年代起,我国的风力发电行业开始起步,风电机组单机容量不过一两百千瓦,而当前,我国的陆上风电机组单机容量最高已经达到了3.3MW,海上风电机组单机容量最高达到了10MW,风力发电已经成为我国电力行业中不可或缺的一部分。
1.2风力发电系统设计的要求和条件
大中型风力机一般需要应用于风力资源较为丰富的地方,具有较稳定的风向,年平均风速较大,风力发电机尽可能的装在风向和风速比较稳定,地质条件好,地势坡度较小,且季节变化比较小的地方。
考虑交通运输的话,该地区需要有便利的交通运输条件,如码头或者建设四级公路的良好条件。
另外,风电场要求离电网近,且电网应有足够的容量,有良好的并网条件[2]。
除了风力发电系统基础条件外,为实现风电机组长期正常稳定运行,在风力发电系统设计当中,对系统的各个环节都存在一定的要求:
1.需要根据风场风况,设定合理的系统额定功率,确定合适的发电机类型以及风轮扫风面积,再根据风电机组相关的选型要求确定安全合理的叶片、轮毂、齿轮箱、机舱和塔架;2.要求具备全面的控制系统,制定合理的风电机组输出功率控制方式以及最大功率追踪策略,选择合适的并网部分保护设备,确保风电系统长期安全稳定运行。
1.3风力发电系统设计基础
在开始风力发电系统设计之前,首先需要确定系统安装地点及其类型。
本节主要是根据风力发电系统设计的相关要求和条件,简述本文选择的系统安装地点、类型及其选择缘由。
风力发电系统的安装地点选择风机选择安装在风能密度大,年平均风速8.54m/s,有效风速时数7000多小时,且地质条件好的南澳地区。
该地区属于海上岛屿,常年多风,有很好的风资源条件,且其风速季节性变化相对较小,地质条件较佳,适合风电机组的安装和运行。
风力发电系统类型确定南澳地区本身建设有一批的风电场,与电网距离较近,选择并网运行可以获取较好的经济效应,因此系统选择并网运行。
风力发电机的型式选择风力发电机型式的选择主要从叶片数、旋转轴和升阻型三方面进行考虑,通过对不同发电机型式的对比分析,本文风机叶片数选择启动风速较小、风域较大的三叶片风力发电机[2],旋转轴选择风能转换效率高、转轴短的水平轴风力发电机[9],型式选择旋转速度较快的升力型风力发电机[3],最终确定选择三叶片水平轴升力型风力发电机。
1.4本文主要研究内容
本文的研究目的是通过掌握的风力发电原理和风力发电系统构成基本知识,结合相关参考资料公式及数据,进行1000kW风力发电系统设计。
主要研究内容是:
1.在确定额定功率1000kW的情况下,根据选择地区的风区以及年平均风速(即给定风区和设计风速),进行风轮机的工程设计。
2.在风力机特性曲线上选定叶尖速比λ并查得风能利用系数CP,根据公式设计风轮直径和风轮机转速,继而计算齿轮箱传动比和设计齿轮箱。
3.根据风力机的相关要求,进行轮毂选型、塔架计算以及机舱设计。
4.结合风力发电机组的相关设计,进行控制系统设计。
5.按照并网要求,对风电机组并网部分相关设备进行选型。
1
第二章风力发电系统结构组成
第二章风力发电系统结构组成
2.1风力发电机组结构及原理
风力发电机组是风力发电系统的核心,它的整体结构包括风轮、齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统以及变流器等,如图2-1所示。
风电机组工作原理是,利用空气流动带动风轮旋转,将风能转换为机械能,再通过发电机转换为电能,最后经由变流器馈入电网[7]。
图2-1风力发电系统结构图
风力发电机组各部件的主要功能和特点如下:
风轮风力发电机组吸收风能的单元,主要有叶片、轮毂和主轴三个部分,作用是将气流的动能转换为叶片转动的机械能。
风轮叶片主要实现风能的吸收,并将吸收的风能传送到轮毂和主轴,其形状符合空气动力学特性,能吸收更多的风能[3]。
轮毂是风轮的枢纽,连接叶片与主轴,主要作用就是将叶片吸收的风能传递到传动系统,再由传动系统带动齿轮箱运转,是风力机的主要部件,在设计上有着较高的要求。
齿轮箱实现机组动力传递的重要设备,用于实现主轴与风机之间的能量传递,将风力机上较慢的旋转速度转变为发电机需要用于风力发电上的较快转速。
为满足齿轮箱的传动比要求,且因为其容易受到恶劣环境的冲击,为了使风机齿轮箱能够安全可靠运行,所以系统的齿轮结构多为一级平行轴+两级行星。
本文的齿轮箱需要根据其相关选型要求再确定它的类型。
发电机风力发电机组的核心部分,其将风轮捕获的风能转换为电能,真正起到发电作用并电能输送至电网。
相比于火电、水电等形式,风电领域上的发电机有着较多类型,本文将根据设计要求,在对其类型进行比较之后再确定风力发电机类型。
变流器风力发电机组并网的重要设备,其主要是起到调峰调频的作用。
变流器接收到交流发电机的交流电,并将其转换成为直流电,再经由电容、电感滤波,最后通过逆变电路将直流电逆变成交流电,输送至电网,明显地改善了双馈异步发电机的运行状态和输出的电能质量。
塔架风力发电机组的支撑部件,是风力发电机组安全可靠运行的基础。
塔架支撑起了整个机舱(包括机舱内的所有设备)的重量,还承受了风电机组的风载荷以及机组运行中产生的各种动载荷,保证机组在所有可能出现的载荷条件下能够稳定运行,它的稳定性对整个风力发电系统的安全性具有极其重要的影响。
控制系统风力发电系统的控制中枢,贯穿于风力发电机组的每个部分,起中央调控作用。
它可以保证系统的安全运转、风能利用效率的最大化以及良好电能的输出。
控制内容包括基础运行控制、刹车与安全保护、系统状态监测等方面。
2.2风力发电系统设计参数
2.2.1风力发电机的类型选择
在风力发电系统运行过程中,风轮根据空气动力学特性捕获风能并将其转换为机械能,再经由发电机将机械能转换为电能供给电网。
所以发电机作为风力发电系统中转换电能的核心设备,本文在它的选型上有着较为仔细的考量。
从发电机驱动类型上来看,风力发电机按照其转速可分为恒速恒频发电机和变速恒频发电机。
恒速恒频风力发电机组可采用同步或异步电机直接并网。
并网运行后,转速由电网频率决定,风力机只能以固定的速度运行,发电机输出恒定的振幅和频率电压。
这类发电机有着简单的结构和较高的可靠运行能力,但其运行范围小,只能运行在一个或几个固定转速切换下,不能获得最大的风能利用率,捕获最大风能,而且当风速剧烈变化时,会对风力机的几个重要部件产生较大的机械应力,危害设备安全。
因此,恒速恒频风力发电机比较适用于风速变化较小的小型风电场中。
变速恒频风力发电机通常采用异步发电机,通过变流器完成并网,可以通过调节转速,使得在很宽的风速范围内风力机仍可以保持较佳叶尖速比,获得最大风能利用率。
与恒速恒频发电机相比,变速恒频风力发电机运行的风速范围较宽,发电机的运行效率和系统的稳定性也有了显著的提高,同时也减小了风速变化对发电机产生的机械应力。
从发电机原理上分类,变速恒频风力发电机主要分同步发电机和异步发电机,在当前的实际应用中,基本选择以下两种类型:
直驱永磁同步风力发电机和双馈式异步风力发电机。
从两种方式的对比中可以得知,变速恒频这种运行方式才更符合风电技术的发展前景,所以,本文的风电系统发电机采用变速恒频发电机。
到目前为止,在风力发电领域中,常用的发电机有鼠笼定速异步发电机、变速恒频的双馈异步发电机和直驱永磁同步发电机三种。
为了更为直观的看出风力发电机组的优缺点,进一步确定风力发电机组采用的机组类型,根据相关资料,本文对这三种风力发电机型进行了比较,如表2-1所示。
表2-1三种风力发电机型的比较
发电机类型
鼠笼异步发电机
直驱永磁同步发电机
双馈异步发电机
转子结构
转子为鼠笼式,结构简单,制造方便,运行可靠
转子为永磁式,结构、维护简单
转子为绕线式,结构相对另外两种复杂
励磁方式
从电网取得励磁电流及感性无功功率,无需励磁装置及励磁调节装置
无需外部励磁
从电网或转子励磁装置取得励磁电流,需要交流励磁装置及励磁调节装置
转子速度
定速
可调
可调
齿轮箱需求
需要
不需要
需要
变流器容量
不需要变流器
全功率
约1/3额定功率
其中,直驱永磁同步发电机和双馈异步发电机属于变速恒频风力发电机组。
直驱永磁同步发电机组风轮直接连接发电机,无需齿轮箱,采用低转速发电机,性能可靠,但其体积大,造价高,且需要全功率变流器,成本高,双馈异步发电机采用增速齿轮箱,可使用高速发电机,体积小,变流器容量小,效率高,但噪声大,易疲劳损坏[7][9]。
综合衡量之后,本文选定双馈式变速恒频风力发电机作为风电机组的发电机。
2.2.2风力机设计参数
本文风力机设定额定功率,机组整体设计寿命为20年。
风力发电机采用双馈异步发电机,拟定基本设计参数如下表。
表2-2风力机基本参数表
基本设计参数
数值
风轮轴向
水平轴
叶片数
3
切入风速/(m/s)
3.5
额定风速/(m/s)
14.5
额定输出功率/kW
1000
切出风速/(m/s)
25.0
齿轮箱类型
增速齿轮箱
发电机类型
双馈式变速恒频感应发电机
等级类型
IECIIA
使用寿命/a
20
2.3风轮机的工程设计
2.3.1风力机单位面积功率选择曲线图
在风轮机的工程设计当中,根据经验,存在有典型的风力机单位面积功率,可以利用风力机单位面积功率选择曲线图2-1,根据风区设计风速和额定风速,确定风力发电系统设计最经济的单位面积功率,有最优的风场性能。
图2-1风力机单位面积功率选择曲线图
风力机的最佳额定风速与年平均风速(设计风速)的比值一般为常数,因为风力发电机所在地区年平均风速为8.54m/s,而风力机的额定风速与年平均风速比值为1.7左右[2][8]。
所以,机组的发电机额定风速为:
(2-1)
其单位面积功率选择为(属一类风区)。
2.3.2风轮机工程设计
本文拟设计一台额定功率为1000kW的风轮机,已知风轮机风能利用系数、风场风速,风轮机的工程设计可以利用以下公式计算风轮机的相关参数。
南澳地区风能密度取。
1.根据风场风速,确定给出设计风速(设计风速为南澳地区年平均风速)。
2.根据风区类型、设计风速和风力机单位面积功率图,选定单位面积功率为(属一类风区)。
3.根据给定的额定功率和单位面积功率,计算风轮扫风面积:
(2-2)
4.由风轮扫风面积A,计算风轮直径D:
(2-3)
5.根据已知的风能利用系数与叶尖速比的关系曲线,选取,。
6.根据叶尖速比公式,推算设计转速n:
(2-4)
7.设计功率计算:
(2-5)
8.额定工况风能利用系数计算:
(2-6)
9.根据风能利用系数,查得叶尖速比。
10.根据叶尖速比公式,进行额定转速计算:
(2-7)
2.4风力发电系统的控制方式及最大功率追踪
2.4.1风轮功率的控制方式
在设计风电机组风轮功率时,通常会先考虑获得更多的电能,然而风轮能承受的机械强度有限,且受到当地年平均风速影响,因此本文的风轮功率最大输出点风速设计在14.5m/s左右。
不过由于风速的不稳定性,需要根据风速的变化对风轮功率进行控制,当外界风速较低时,使风轮运行在能获得最大功率的位置;当外界风速大于14.5m/s时,降低风轮获得的功率,限制输出功率在额定功率;当风速超过允许范围时,为了确保风轮不受损坏,保证风力发电系统正常运转,采取合适的措施,消耗多余的能量,控制风轮功率。
目前存在的功率控制方法主要有以下三种不同的功率控制途径:
(被动)失速功率控制、变桨功率控制和主动失速功率控制,综合考虑之后,本文决定采用的是主动失速功率控制作为风轮功率控制方法。
主动失速控制充分吸取了被动失速和变桨控制的优点,桨叶采用失速特性,调节系统采用变桨距调节,比被动失速更加准确地控制输出功率,避免阵风开始时其输出功率超过额定功率,而在所有高风速下几乎可以完全运行在额定功率下[6]。
在起动阶段,当风力机达到运行条件时,主动失速控制通过调节变桨距系统,系统算出给定的桨距角并根据实际情况调节,促使叶片选转,风电机组开始运转,同时逐步调整风轮转速与发电机转速,寻找时机平稳并网;实际风速小于额定风速时,调节桨叶节距,使其处于最大迎风面积,这时风轮获得最大功率,并保持最佳叶尖速比以获得最大风能;当风机超额输出功率后,通过变桨系统调节,桨叶主动采取失速措施,降低旋转速度,最大输出功率开始受限,当风速变化时随风速进行桨叶调节,使风机基本保持稳定的额定功率运行;制动时,调节桨叶,利用空气制动,减少机械制动对传动系统的冲击[6][10]。
2.4.2最大功率追踪控制
当风速达到启动风速后,风力发电系统运行在输出功率的增长阶段,理论上,风场风速越高,风力机对应的运转转速越高,风电机组吸收的风能越多,但根据贝兹极限原理,风机理论上最大风能利用率为0.593,而又受限于能量转换效率以及机械的运行极限等原因,风力机在实际上对风能的利用效率还会小于0.593,因此在其获得最大输出功率之前,为提高机组的风能利用率,需要通过一些控制策略,控制风轮叶片的叶尖速比,使其处于在一个较佳的位置,从而实现最优功率曲线的追踪和最大风能的捕获。
目前,从现有的资料来看,最大功率追踪的方法有最佳叶尖速比控制法、功率信号反馈控制法、三点比较法等,但都有其优劣势所在,综合考虑之后,决定采用最佳叶尖速比控制法作为本文对最大功率追踪使用的控制方法。
这种最大功率的控制方法主要措施就是,在风速变化的时候,根据叶尖速比公式,调节风轮的转速,让系统叶尖速比曲线追踪其最佳状态,这样在获得最大的输出功率的时候,正好与最大的风能利用系数相对应,各个最大输出功率点连成的曲线大致就是机组最大输出功率的最佳曲线。
叶尖速比计算公式如下:
(2-8)
通过实时检测风速V和风力发电机组运行转速,通过公式计算出风电机组运行的叶尖速比,与已知的风电机组最佳叶尖速比对比,控制机组运行的叶尖速比追踪该最佳值,从而追踪获得机组的最大功率[4],叶尖速比控制法的控制原理框图如图2-3所示。
图2-3最佳叶尖速比控制法原理框图
2.5本章小结
本章主要进行了风轮机的工程设计和风力发电系统控制方法确定及其最大功率追踪。
首先根据风力发电系统结构及其原理,确定发电机类型和相关设计参数,进行风轮机的工程设计,然后通过分析相关控制方式的优劣,确定发电系统的功率控制方式以及系统最大功率追踪方法。
9
第三章风力发电机组设计
第三章风力发电机组设计
在风力发电领域,风力发电机组的基本结构总体来说差别不大,其主要结构如图3-1所示,包括风轮(叶片、轮毂和主轴等)、齿轮箱、发电机、塔架和机舱等。
本章的主要内容就是根据风力发电机组对各部分的设计要求,对机组的叶片、轮毂、塔架、齿轮箱和机舱进行设计。
图3-1风力发电机组的基础结构
3.1叶片设计
风轮是风力机吸收风能的单元,而叶片是其吸收风能的基础部
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