I
1.5MW风力发电机总体设计
摘要
风是一种永不枯竭的清洁能源，随着传统能源的日渐枯竭，人们对风能的利用也越来越重视。特别是随着控制技术和制造技术的发展，风力发电机组的规模不断扩大，兆瓦级以上的风力发电机的研制已成为目前风电产业的主要发展方向。本次设计对 1.5MW 的风力发电机机组结构的总体布局，总体参数的规划以及各组成部件的选型原则和设计要求进行阐述。
关键词：MW级风力发电机，总体设计
II The overall Design of 1.5MW Wind Power Generator
Abstract
The wind is an inexhaustible clean energy, Along with the traditional energy sources dried up with each passing day, people are paying more and more attention to the use of wind energy.Especially with the control technology and the development of production technology, expanding the scale of wind power generating unit，MW above the level of the development of wind turbines has become the main direction of the development of wind power industry.The design of1.5MW wind generator structure of the overall layout, the overall planning and the parameters of each component selection principles and design requirements .
KEY WORDS: The MW class wind generator, Overall design
III
目录
摘要................................................................ I Abstract ............................................................. II 1 绪论 (1)
1.1 课题研究背景 (1)
1.2 国外风力发电机发展现状 (1)
1.3 国内风力发电机的研制情况 (2)
1.3.1我国风力发电机发展历史 (2)
1.3.2 我国风电发展存在问题 (5)
1.4 本课题研究的意义 (7)
2 1.5mw风力发电机组总体方案的设计 (8)
2.1 风电机组功能的设计 (8)
2.1.1 风电机组功率的调节方式设计 (8)
2.2.2风力发电机组的系统选型设计 (9)
2.2 风力发电机组总体布局 (10)
3 风电机组的各组成部分的设计计算 (13)
3.1风轮的设计估算................................ 错误！未定义书签。
3.2 叶片的设计 (14)
3.2.1 叶片材料的选择 (14)
3.2.2 叶片的翼型选择和尺寸计算 (15)
3.3.1主轴支撑形式的选择 (17)
3.3.2 轴系连接件的选择 (18)
3.3.3 风机主轴的设计计算 (21)
(1）确定输出轴的运动和动力参数。 (21)
3.4增速箱的结构设计 (23)
3.5变桨距系统系统设计 (26)
3.6偏航传动系统的设计 (27)
3.7 风力发电机组机舱与塔架的总体设计 (28)
3.7.1 机舱的总体设计 (28)
3.7.2 塔架的设计 (30)
4 设计总结 (31)
4.1 设计过程 (31)
4.2 需求改进 (31)
4.3 设计心得 (31)
IV
致谢 (33)
参考文献 (34)
1.5MW风力发电机组总体设计 1
1 绪论
1.1 课题研究背景
风是一种永不枯竭的能源。地球上的风能大大超过水流的能量, 也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。有人估计过, 地球上可用来发电的风力资源约有l00 亿千瓦, 几乎是现在全世界水力发电装机的l0 倍。目前世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此, 国内外都很重视利用风力来发电, 开发新能源。在各种能源中, 风能是利用起来比较简单的一种, 它不同于煤、石油、天然气, 需要从地下采掘出来, 运送到火力发电厂的锅炉设备中去燃烧; 也不同于水能, 必须建造坝, 来推动水轮机运转; 也不像原子能那样, 需要昂贵的装置和防护设备。风能的利用由于简单, 且机动灵活, 因此有着广阔的前途。特别是在缺乏水力资源、缺乏燃料和交通不方便的沿海岛屿、山区和高原地带, 都具有速度很高的风, 这是很宝贵的能源, 如果能利用起来发电对当地人民的生活和生产都会很有利的。
1.2 国外风力发电机发展现状
风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕，能提供源源不绝，稳定的能源。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。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风电行业的真正发展始于1973年石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，用新技术研制现代风力发电机组，80年代开始建立示范风电场，成为电网新电源。在过去的20年里，风电发展不断超越其预期的发展速度，一直保持着世界增长最快的能源地位近年来，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快的能源的地位。截止2008年末，全球累计装机容量达到120.8GW，增长幅度为28.8%，高于近十年的年均复合增长率平均值。
20 年来, 世界上已有近30 个国家开发建设了风电场(是前期总数的3 倍) , 风电场总装机容量约1400 万kW (是前期总数的100 倍)。目前, 德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列, 且未来计划投资有增无减。到2007年底，全球风力发电安装容量达94112兆瓦，其中2007年全球新增风力发电装机容量约20073兆瓦，与2006年的15197兆瓦相比增长达到32%。全球安装容量最大的国家是德国（22247MW）、美国（16818MW）、西班牙（15145MW）、印度（8000MW）和中国（6050MW）,2007年新增安装容量最多的国家是美国（5244MW）、西班牙（3522MW）、中国（3449MW）、印度（1730MW）和德国（1667MW）。预计到2020年，新增安装容量达10万兆瓦。德国风力发电装置和技术处于世界领先地位，尤其受到国外客户的青睐，
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全球风能市场的快速发展给德国风力发电产业提供了良好的机会。德国非常重视风能的开发和利用，出台了非常有效的政策和措施，促进和鼓励风能技术的开发和利用。2005年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为27.3%，新增装机容量年平均增长率为36.1%，保持着世界增长最快能源的地位。2010年全球装机容量达196630MW ，新装机容量37642MW ，比去年同期增长23.6%。
目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的65%。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。
丹麦是风力发电先进国家之一，它将风力发电作为国策，已有风力发电站近4000座，总装机容量73x 410kw ，发电总量达到634x 610w ，相当于一个中等规模的核电站发电量，占全国能源总消耗量的3.7%。丹麦风电产业自20世纪80年代起步，如今其风电机组已主导着全球的市场。风电成功的原因之一在于，每届政府对国家能源计划的立场都非常坚定，务求减少对进口燃料的依赖，尽量做到可持续发展。最近又提出到2030年风电将满足约一半的电力需求。
德国的风能资源远不如法国和英国丰富，但风电发展的世界领先地位却毋庸置疑。20世纪80年代，德国政府资助了一系列研究计划；1991年，国会又通过了强制购电法，为清洁能源提供足够的激励机制并建立起市场，并能参与煤电和核电竞争。由于环保者的努力，政府还设定了到2025年风电至少供应25%发电量的目标
瑞典从七十年代开始风力发电的开发，经过20多年的努力，己成为该领域的领先者之一，到2005年底，装机容量己达到9.5x 410kw 。220多座风力发电站，大部分位于南部地区和波罗的海的厄兰岛及哥德兰岛上，哥德兰岛的风力发电量可保证全岛68%的能源需求。为了更充分地利用风力资源，瑞典成立了包括一系列电力供应公司的专门财团，目标是在近几年内使风力发电量增加4倍。瑞典由于场地问题，致力于海洋风力发电。由于建设费和与输电的连接费用高，所以规模有大型化的倾向。
印度是发展中国家的先锋。风电最初的发展动力来自非常规能源部(MNES)鼓励能源的多元化指导。为了找出最有利的地点，MNES 在全国建立起风速测量站的网络。为投资者提供投资成本折旧和免税等多种经济优惠，在2002年推出的免税计划中规定，风电场前10年的收入可享受100%的免税。此外，各省还制定自己的优惠政策。
1.3 国内风力发电机的研制情况
1.3.1我国风力发电机发展历史
我国风力发电概况中国是一个风力资源丰富的国家, 风力发电潜力巨大。据1998
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年统计, 风力风电累计装机22.36万kW , 仅占全国电网发电总装机的0.081% , 相对于可开发风能资源的开发率仅为0.088%。
中国第一座风力发电场于1986 年在山东荣成落成, 总装机较小, 为3×55kW。到1993 年我国风电场总装机容量达17.1MW , 1999 年底, 我国共建了24 个风力发电场, 总装机268MW。我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区, 其中风电装机容量最多的是新疆已达72.35kW。在未来2～ 3 年内, 我国计划新增风电场装机容量将在800MW 以上, 并且将会出现300～400MW 的特大型风力发电场。
中国风电设备制造业发展经历了三个阶段：一是1985 -1995年期间，通过建设运营风电场，中国开始学习国外风力发电设备制造技术；二是1996-2000年期间，中国通过引进技术实现本地化风电机组制造；三是2000年至今，中国正在进行风电设备产业化生产、兆瓦级风电机组的研发工作。
1986～1995年即“七五”至“八五”期间，山东荣城于1986年建成了全国第一座并网型风电场，总装机容量为1MW；1990年全国已建起4座并网型风电场，总装机容量为4MW，其最大单机容量为200kW；到1995年全国已建成5座并网型风电场，总装机容量为36MW，其最大单机容量为500kW。这10年，实现了我国并网型风电零的突破，建设有32MW级的中型风电场，为我国风电高技术产业的形成和发展打下了基础。
从下表可以看出，1996年以后，即我国通过引进技术实现本地化风电机组制造以后，我国的风电装机容量增长的绝对量水平大大提高。在此以前，每年装机容量的绝对增长量最高水平不超过2万千瓦，但是此后每年的绝对增长量比1996年以前至少提高了一倍以上，最高的1997年甚至达到了11万千瓦。
表1-1 1996-2007年我国风力发电装机容量及其增长情况
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图1—1 1990-2007年我国风力发电装机容量及增速
从1990年到2007年，我国的风电装机容量从0.41万千瓦增长到605万千瓦；其中从1995年到2000年的年平均增速也是55.7%左右。近两年我国风力发电机装机容量的增长相当迅速。
2007年，我国新增风力发电装机容量344.6万千瓦，比2000年增加了336.96万千瓦，平均每年增加48.14万千瓦。
根据中国风能协会提供的统计数据，截止2007年底，我国（台湾地区除外）新增风电机组3155台，新增装机容量达3446MW，同比增长156.4%；2007 年底累计风电机组6469台，装机容量达6050MW，风电场158个，分布于21个省（市、区和特别行政区），较06年增加了6个省市（北京、山西、河南、湖南和湖北），累计装机容量同比增长132.33%，07年共计上网电量约52亿KW/h。
1.5MW风力发电机组总体设计 5
图 1—2 2000-2007年我国风电机组累计装机容量及增速单位：MW % 对比全球与中国风电装机容量的存与增量数据，从 04年起，我国风电装机容量CAGR（年复合增长率，%）达到了66.74%，较全球装机容量CAGR的18.62%高出近48
个百分点，风电产业发展的速度惊人，令世界瞩目；我们认为，产业政策预期逐步明朗将促使风电产业发展的步伐继续加快，按可再生能源十一五发展规划中对风电装机容量的安排，保守估计 2010 年前风电装机容量 CAGR 仍维持在 58%的高速增长阶段，2020 年前年复合增长率仍能达到 23.4%。
07 年全球风电机组装机容量的地域分布出现了分化，尽管我国总装机容量仅占全球的 6.4%，为全球第五位，但新增装机容量占比达到了 17.2%，进入全球前三位，预计这种快速增长的态势将得以延续，我们判断，按目前国内风电制造的产能扩张和产业推进的速度，《可再生能源中长期发展规划》和《可再生能源发展“十一五”规划》里风电发展的预期目标将提前实现。
1.3.2 我国风电发展存在问题
1）资源勘察
现在需要进行第二轮风能资源普查，在现有气象台站的观测数据的基础上，按照近年来国际通用的规范进行资源总量评估，进而采用数值模拟技术编制高分辨率的风能资源分布图，评估风能资源技术可开发量。更重要的是应该利用GIS（地理信息系统）技术将电网、道路、场址可利用土地，环境影响、当地社会经济发展规划等因素综合考虑，进行经济可开发储量评估。
2）风电设备生产本地化
我国现有制造水平远落后于市场对技术的需求，国内定型风电机组的功率均为兆瓦级以下，最大750 千瓦，而市场需要以兆瓦级为主流。国内风电机组制造企业面临着技术路线从定桨定速提升到变桨变速，单机功率从百千瓦级提升到兆瓦级的双重压
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力，技术路线跨度较大关。
自主研发力量严重不足，由于国家和企业投入的资金较少，缺乏基础研究积累和人才，我国在风力发电机组的研发能力上还有待提高，总体来说还处于跟踪和引进国外的先进技术阶段。目前国内引进的许可证，有的是国外淘汰技术，有的图纸虽然先进，但受限于国内配套厂的技术、工艺、材料等原因，导致国产化的零部件质量、性能需要一定时间才能达到国际水平。购买生产许可证技术的国内厂商要支付昂贵的技术使用费，其机组性能价格比的优势在初期不明显。
在研发风电机组过程中注重于产品本身，而对研发过程中需要配套的工作重视不够。由于试验和测试手段的不完备，有些零部件在实验室要做的工作必须总装后到风电场现场才能做。风电机组的测试和认证体系尚未建立。风电机组配套零部件的研发和产业化水平较低，这样增加了整机开发的难度和速度。特别是对于变桨变速型风机，国内相关零部件研发、制造方面处于起步阶段，如变桨距系统，低速永磁同步发电机，双馈式发电机、变速型齿轮箱，交直交变流器及电控系统，都需要进行科技攻关和研发。
3）成本和上网电价比较高
基本条件设定：根据目前国内风电场平均水平，设定基本条件为：风电场装机容量5 万千瓦，年上网电量为等效满负荷2000 小时，单位千瓦造价8000－10000元，折旧年限12.5 年，其他成本条件按经验选取。
财务条件：工程总投资分别取4 亿元（8000元/千瓦）、4.5亿元（9000元/千瓦）和5 亿元（10000元/千瓦），流动资金150万元。项目资本金占20％，其余采用国内商业银行贷款，贷款期15 年，年利率6.12％。增值税税率为8.5％，所得税税率为33％，资本金财务内部收益率10％。
风电成本和上网电价水平测算：按以上条件及现行的风电场上网电价制度，以资本金财务内部收益率为10％为标准，当风电场年上网电量为等效满负荷2000 小时，单位千瓦造价8000～10000元时，风电平均成本分别为0.373～0.461元/千瓦时，较为合理的上网电价范围是0.566～0.703元/千瓦时（含增值税）。成本在投产初期较高，主要是受还本付息的影响。当贷款还清后，平均度电成本降至很低。
风电场造价对上网电价有明显的影响，当造价增加时，同等收益率下的上网电价大致按相同比率增加。
如果全国风电的平均水平是每千瓦投资9000元，以及资源状况按年上网电量为等效满负荷2000小时计算，则风电的上网电价约每千瓦时0.63元，比于全国火电平均上网电价每千瓦时0.31元高一倍。
4）电网制约
风电场接入电网后，在向电网提供清洁能源的同时，也会给电网的运行带来一些负面影响。随着风电场装机容量的增加，以及风电装机在某个地区电网中所占比例的
1.5MW风力发电机组总体设计7
增加，这些负面影响就可能成为风电并网的制约因素。
风力发电会降低电网负荷预测精度，从而影响电网的调度和运行方式；影响电网的频率控制；影响电网的电压调整；影响电网的潮流分布；影响电网的电能质量；影响电网的故障水平和稳定性等。
由于风力发电固有的间歇性和波动性，电网的可靠性可能降低，电网的运行成本也可能增加。为了克服风电给电网带来的电能质量和可靠性等问题，还会使电网公司增加必要的研究费用和设备投资。在大力发展风电的过程中，必须研究和解决风电并网可能带来的其他影响。
1.4 本课题研究的意义
能源是世界各国的经济命脉。近年来，中国经济持续高速增长，已经成为能源消耗第二大的国家。煤炭等常规能源的紧缺严重影响着电力和经济的发展，而因煤电导致的环境问题也日益加剧。在这种情况下，寻求新能源以优化电力结构已成当务之急，风力发电就是新能源利用中广为推荐的一种。与煤、石油等常规的化石能源不同，风能属于可再生能源，不存在枯竭的问题，而且它分布广泛、蕴含能量巨大；不但如此，利用风能发电还具有常规能源无可比拟的清洁性，所以在环境压力日益加剧的今天，风力发电得到了越来越多的关注与青睐。据调查，目前在世界上可再生能源的开发利用中，风力发电是除水力发电之外，技术最成熟、最具规模开发和有商业化发展前景的发电技术。
1995年颁布的《中华人民共和国电力法》中，明确提出国家鼓励和支持利用可再生能源发电，这为风电的开发提供了良好的政策环境。由于风电在减轻环境污染、调整能源结构等方面的突出作用，政府先后投入了大量的资金对其进行科学研究和应用推广，使风电技术有了明显提高，装机容量也已经位居亚洲第三位。在“十一五”规划中，国家要逐步加大可再生能源开发的力度，并提出了比以往更为积极的发展政策。除了要扩大风机规模之外，在风电的管理、风电设备的设计、制造方面，都要力争达到国际先进水平。可以预见，在我国的电力结构中,风电将逐步占据着越来越重要的地位。
随着风力发电技术的日渐成熟，风电场的规模逐渐增大，目前在MW级的风机在国际市场级越来越多，其控制技术也越来越成有成熟，而我国的兆瓦级风机技术的还没有完全掌握。目前，1.5—2MW风机在市场上越来越受欢迎，本次设计对1.5MW风机的总体结构进行设计，对以后从事风电产业具有指导意义。
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2 1.5mw风力发电机组总体方案的设计
2.1 风电机组功能的设计
功率特性对风电机组的年发电量有直接的影响。风电机组功率特性除了取决于风轮本身的气动特性外，与其运行方式也密切相关，因此，对其功率调节方案的分析和合理选择，是风力发电机组总体功能设计的重要环节。
2.1.1 风电机组功率的调节方式设计
目前并网型风力发电机组进行风轮功率调节的方式有三种，即被动失速型，变桨距调节和主动失速调节这三种方式。
1）定桨距失速调节型风力发电机组
定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但其缺点也很运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨突出，主要表现在：
a) 风轮的功率特性主要由叶片失速特性决定，受气动设计特性影响，功率的输出可能不稳定，甚至不确定。
b）风轮系统阻尼值相对较低，震动幅度相对较大，易导致构件的疲劳损坏；
c）高速段叶片及塔架等部件将承受较大载荷。
d）风电机组现场安装需要进行调试，调整叶片安装角。
随着风电机组单机功率和叶片体积的增大，由于上述问题更加突出，在大功率的发电机组中已很少采用。
2）变桨距调节型风力发电机组
变桨距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到最佳攻角
，当转速达到
佳
一定时，再调节到合适位置，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输
出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，
1.5MW风力发电机组总体设计9
桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。
3) 主动失速调节型风力发电机组
将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。
主动失速调节型的优点是其言了定奖距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机同频率后并入电网。机组在叶片的设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时，采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量，保证发电机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性；而变速调节主要用来响应快速变化的风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高；控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。
由于目前主动失速调节方式目前还在试制阶段，而变桨距调节方式电机控制技术日趋完善，目前在3MW以下的风力发电机组的，大多采用这种功率调节方式。本次设计采用变桨距调节方式。
2.2.2风力发电机组的系统选型设计
因风轮可可考虑为定速和变速两种方式运行，所以并网型风力发电机组的发电系统也可以分为恒速衡频和变速衡频两种基本方式，恒速衡频的风力发电系统结构相对简单，但风能的利用率低。在大型风力发电机组典型设计中已很少使用，因此在此不做介绍。
本次设计采用变速衡频的发电系统。采用采用变速衡频的发电系统允许风轮和发电机在转速子啊一定范内变化，对于并网型风力发电机而言，需要采用相应的技术解决方案，使其满足并网发电的频率恒定要求。
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结合目前大型风力发电机组的主流设计技术，本次设计采用交流励磁双馈式异步发电机的发电系统。此种发电技术的变速衡频控制由转子电路实现，流过转子的电功率与发电机转速所决定的转差率有关。由于转差率仅占发电机功率很小的一部分，所需的双向变频的容量也很小，对其降低发电和控制系统的的成本及实施难度十分有利，同时，这种发电系统还可以对有功功率进行控制。
图2-1 交流励磁双馈式异步发电机
2.2 风力发电机组总体布局
1) 风力发电机组主传动链的布局
所谓主传动链的布局是指风电机组中风轮至发电机的动力传动系统。主传动链的总体布局需要结合风电机系统的设计，并考虑对风力发电机组成本构成和性能等方面的影响。
水平轴风力发电组的风轮需要安装在塔架上，但并不意味着主传动链和发电机等部件都必须图2-2主传动链的安装在塔架上。因此，研究主传动链，发电机等部件的与风力发电机组的总体布局的关系，合理平衡相关的性能，载荷和成本等相关方面的因素，对风力发电机组和塔架的设计是有重大意义的。
基于风电装备设计方法研究的现状，同时考虑到风轮和发电机系统的低设计和制造能力，美国国家可再生实验室（NREL)将目前主传动链布局的形式大致划分为基本传动链，直接由风轮驱动发电机和采用低速比增速的传动链等几种典型布局方案。
a) 主传动链的基本布局形式
所谓传动链总体的基本布局形式的特征为主传动链与发电机等部件呈一线型布置在机舱内；通过风轮主轴驱动大传动比的增速齿轮箱，将风轮产生的扭矩传递给发电机。迄今大多数水平轴风电机组采用了此种布局方式，其原因是传动路径短，较容易
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实现关键部件（如发电机，齿轮箱）的标准化设计，以便能够有基础工业部门提供这些部件，促进风电机组制造产业的形成，进而降低整机的成本,同时，也可为日后电机组的运行和维护提供便利。
图2-2 主传动链的可行布局形式
a) 一线形式布局的传动链 b）塔架在顶端布置的发电机
c）布置在塔架底部的齿轮箱和发电机 d) 塔架底部垂直布置的发电机
e) 垂直布置的分离式齿轮箱 f）无齿轮箱直驱式传动链。
1）有利于降低对风电机组发电机系统的设计要求，较容易控制风电机组的总体成
本
2）允许风轮变速范围较宽，可以在发电机同步转速的30%范围内运行。
3）容易实现风电零部件的标准化设计，设计风险较低。
4）目前尚无关键技术障碍，对风电机组的大型化的发展有利。
b）风轮直接驱动发电机的布局
经过多年的发展，采用风轮直接驱动发电机布局设计的风电机组逐渐增多，现在已成为与基本布局主传动链并列的另一种典型的设计形式。直驱式风电发电机组其基
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本由轮毂、发电机、机舱等构成。其技术特征为一般采用永磁式发电系统，作为关键部件的发电机由风轮直接驱动且允许较低转速运行，此种无齿轮箱的主传动链布局具有以下特点。
1) 传动系统结构简单，有利于降低风电机组的故障率；
2) 允许风轮在较大范围内变速运行，有利于提高风能利用率；
3) 目前所需的多级低速永磁式同步发电机的体积和重量大，发电机的设计制造、运输和运行可靠性等问题有待解决。
4) 发电机系统部件尚难形成标准，且需要采用全功率逆变装置，成本较高。
c）采用低速比的齿轮增速的混合驱动布局
这种布局的基本概念是通过低速比传动的的齿轮箱增速，进而部分提高发电机的输入转速。此种概念的主要特点是结合了直驱式和传统传动链的优势。与直驱布局相比较，可减少以有效发电机重量，体积设计难度。基于我国风电事业的发展现状，本次设计采用传统的主传动链连接形式，采用一线式布局形式。
1.5MW 风力发电机组总体设计
13
3 风电机组各组成部分的设计计算
3.1风轮的设计估算
设计参数：1.发电机的输出功率1.5MW,转速1700rpm,风轮额定输入转速20rpm. (1）风机的气动特性的设计
根据我国风场的等级的分布级不同海拔下的大气压，可知取风电厂风密度为ρ=1.2Kg/2m
1）计算设计风速，根据风厂计算出设计风速07.40/W V M S =（相当于当地年平均风速）
2）选定单位面积功率，根据风区，设计风速和单位面积功率图，选定单位面积功率：
*
*
2384.5(/)P P w m A
==（二类风区） (3-1) 3）计算扫风面积A,给定额定功率*1500000P W =和单位面积功率，计算扫风面积:
*150000
3901.2()
384.5P A m P === (3-2)
4）计算叶轮直径
70.5()D m =
= (3-3)
5）选取，根据已知的λ-p
C 特性图，选取λ=7.1,p
C =0.425。
6）计算设计转速n 060607.17.4014.24(/min)70.5
W n r π??===?λV λ (3-4) 7)计算设计功率
33
00.50.5 1.213901.27.400.425406.48()W P P C KW ρ==????=AVW (3-5)
8)计算额定风速
1.697.401
2.5(/)W V m s =?= (3-6) 9)计算额定工况利用系数
计算风能利用系数
*33
2215000000.3251.213901.212.5P W P C ?===??ρAV (3-7) 查叶尖速比λ，由风能利用系数查的叶尖速比 λ=5.84。 计算额定转速：
陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 14
6060 4.213
19.8(/)70
W n m s D ππ??=
==?λV （ 3-8） (2）风轮的叶片数的确定，风轮的叶片数B 对最佳叶尖速m λ比也有影响，已有实验结果显示m λ随叶片数的增多而减少，亦即具有较多叶片的风轮需在相对低的叶尖速比下运行，鉴于目前大型风电机组主要集中在两叶片和三叶片的选择，在此只做相关的对比分析。
采用两叶片的风轮叶片数较少，重量轻，风轮的成本相对较低。但由于风剪切效应的影响，两叶片风轮在运行的过程中作用于叶片的气动载荷差距较大，对风电机组的结构和稳定性产生不利影响，表2-2是风剪切时两种风轮基本载荷的影响，表中0M 为叶片根部作用的挥舞弯矩，Ψ为风轮的俯仰角。
而采用三叶片虽然会增加风轮的质量，但风轮的气动特性和结构的综合性能相对较好，运行和功率输出也相对较稳定些，从美观的角度来讲，三叶片的风轮结构也较美观。
表3-1 三叶片和两叶片根部弯矩比较
3.2 叶片的设计
3.2.1 叶片材料的选择
由于风力发电机组工作在野外，叶片材料的选择受到了许多因素的制约，如材料的各种物理性能，可靠性，安全性，可用性，易处理性回收在利用性和经济性等。
用于制造叶片的材料的选用原则，首先要求其有良好的力学，热学，化学特性。包括高强度、高刚度、低密度、长寿命，耐腐蚀等。同时要求其性价比高，易于加工且减少环境污染。
风轮叶片一般采用金属（铝合金）、玻璃纤维增强材料（玻璃钢），碳纤维增强符合材料等，表2-3是一些叶片的制造材料及其相应的结构特性，为了便于比较，表中给出了各种材料的耐压比强度，疲劳强度和比模量等结构特性指标。
表3-2 各种材料的结构特性的比较
1.5MW风力发电机组总体设计15
从表2-3中可以看出，虽然复合材料的拉升强度比金属低，但其比强度，比模量都比较高。由于叶片的要求质量轻。
碳纤维材料制造风轮的主要优势是质量轻，例如，某种采用碳纤维叶片的质量为3800Kg,而同样的玻璃纤维叶片的质量则重达5800Kg。表2-4反映了几种长度和不同材料叶片的质量关系。
表3—3 叶片长度与不同材叶片的质量关系
从上述分析可以看出，碳纤维复合材料的特性相对具有较多优势，但是由于其价格较高（约为玻璃纤维材料的10倍），在目前的叶片制造中应用较少，目前广泛使用的仍是玻璃纤维复合材料。
3.2.2 叶片的翼型选择和尺寸计算
已知的设计参数为:
额定功率为1.5MW,设计参数为IEC二级风场；对风方式:上风向；70.5m;叶片数目：3叶片的设计叶尖速比λ=7，切入风速：3m/s;切出风速：25m/s,额定风速：12.5m/s
1)翼型的选择
参照目前已有的 1.5MW风轮叶片翼型的典型布置方式，本次设计初选SERTS 818/S825/S826翼型系列簇，考虑到对于大型风轮叶片SERI翼型系列的相对厚度不太
陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 16
合适，且难以满足叶片的结构刚度和重量等方面的要求。在此基础上我们加以修改，以达到空气动力学性能和结构强度的优化组合。
一般可以通过增加SERTS 818/S825/S826翼型系列的厚度得到合适的气动翼型，所设计的各截面的气动翼型如表2-5所示
表3-4 叶片各截面的气动翼型分布
本次设计采用POPID 进行逆向设计，故采用基于动量-叶素理论，估算叶片距风轮轴线r 距离处的叶片截面产生的气动力，进行初步确定叶片翼型与叶素基本参数的
关系。取贝茨极限23
d u
u ∞=，得到风轮与风速的基本设计关系：
33
cot 22r d r u u
?∞ΩΩ===r λ （3—9）
LBC C =
(3—10)
式中r λ为叶片r 处的速度比，为流经风轮处的气流速度；u ∞为无穷远处的气流速
度 。
由式2-2-1可得:
33cot 22R
r r ?==λλ （2—11）
通过上式可以确定气流的入流角Ψ，并根据设计经验选取各叶素剖面攻角α。 由式可计算叶片的弦长C 为: (3—12)
同时得到桨矩角的关系为 3cot
2r
arc R
=-λβα (3-13) 设定升力系数为 1.45L C =，分别对弦长和扭角进行迭代，同时改变75%展长处的升力系数，计算结果如下表2-6所示。
表3-5 叶片设计参数表
毕 业 论 文 题 目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究
诚信声明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名：日期：年月日
毕业设计（论文）任务书 题目： 风力发电机的设计及风力发电系统的研究 一、基本任务及要求： 1）基本数据：额定功率 600=N P KW 连接方式 Y 额定电压 V U N 690= 额定转速 min /1512r n N = 相数 m=3 功率因数 88.00=?s c 效率 96.0=η 绝缘等级 F 极对数 P=2 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容： （1） 风力发电机的电磁设计方案； （2） 风力发电系统的研究； （3） 电机主要零部件图的绘制； （4） 说明书。 进度安排及完成时间： 2月20日——3月10日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 3月13日——4月25日：毕业实习、撰写实习报告 3月27日——5月30日：毕业设计 4月中旬：毕业设计中期抽查 6月1日——6月14日：撰写毕业设计说明书（论文） 6月15日——6月17日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP 6月17日——6月20日：毕业设计答辩
目录 摘要 ..............................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................II 第1章绪论 .. (1) 1.1 开发利用风能的动因 (1) 1.1.1 经济驱动力 (1) 1.1.2 环境驱动力 (2) 1.1.3 社会驱动力 (2) 1.1.4 技术驱动力 (2) 1.2 风力发电的现状 (2) 1.2.1 世界风力发电现状 (2) 1.2.2 中国风力发电现状[13] (3) 1.3风力发电展望 (3) 第2章风力发电系统的研究 (5) 2.1 风力发电系统 (5) 2.1.1 恒速恒频发电系统 (5) 2.1.2 变速恒频发电机系统 (6) 2.2 变速恒频风力发电系统的总体设计 (10) 2.2.1 变速恒频风力发电系统的特点 (10) 2.2.2 变速恒频风力发电系统的结构 (10) 2.2.3 变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案 (20) 第3章风力发电机的设计 (27) 3.1 概述[11] (27) 3.2 风力发电机 (28) 3.2.1 风力发电机的结构 (28) 3.2.2 风力发电机的原理 (29) 3.3 三相异步发电机的电磁设计 (29) 3.3.1 三相异步发电机电磁设计的特点 (30) 3.3.2 三相异步发电机和三相异步电动机的差异[2] (30) 3.3.3 三相异步发电机的电磁设计方案 (31) 3.3.4 三相异步发电机电磁计算程序 (32)
第一章概述 1.1课题研究的目的和意义 数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标①。 表1-1 1996-2005年世界风电市场增长 从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍②。
甘肃机电职业技术学院 现代装备制造工程系毕业论文风能和风力发电技术 姓名：酸菜 学号：G1******* 班级： G142701 年级： 2014级 指导老师：酸菜
摘要 (Ⅰ) 第1章风力发电的现状背景 (1) 1.1、风力发电的现状 (1) 1.2、风力发电的潜力 (2) 第2章风力发电类型特点 (4) 2.1风力发电特点 (4) 2.2风能发电优缺点 (4) 2.3风力发电结构 (4) 第3章发电机主要类型 (7) 3.1恒速风力发电机 (7) 3.2有限变速风力发电机 (7) 3.3变速风力发电机 (7) 第4章风力发电控制技术 (9) 4.1变桨距风力发电技术 (9) 4.2风力发电系统控制 (9) 4.3不同发电机的比较 (10) 第5章发展趋势建议 (12) 第6章总结 (13) 参考文献 (14) 致谢 (15)
风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将转速提高促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理是最简单的风力风力发电机可由叶片和发电机两部分构成，空气流动作用在叶轮上，将动能转化为机械能，从而推动叶片旋转如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连，就会带动发电机发电，从而产生电能。 关键词：风能，风力发电；
学号： 2010509044 浙江大学 毕业设计（论文）题目基于PLC的风力发电控制系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
高等教育自学考试毕业设计（论文） 风力发电机设计题目 级机电一体化工程09专业班级 姓名高级工程师指导教师姓名、职称
所属助学单位 2011年 4月1 日 目录 1 绪论………………………………………………………………………………… 1 1.1 风力发电机简介 (1) 1.2 风力发电机的发展史简介 (1) 1.3 我国现阶段风电技术发展状况 (2) 1.4 我国现阶段风电技术发展前景和未来发展 (2) 2 风力发电机结构设计……………………………………………………………… 3 2.1 单一风力发电机组成 (3) 2.2 叶片数目 (3) 2.3 机舱 (4) 2.4 转子叶片 (5) 3 风力发电机的回转体结构设计和参数计算 (5) 3.1联轴器的型号及主要参数 (5) 3.2 初步估计回转体危险轴颈的大小 (5) 3.3 叶片扫描半径单元叶尖速比 (6) 4 风轮桨叶的结构设计……………………………………………………………… 6 4.1桨叶轴复位斜板设计 (6) 4.2托架的基本结构设计 (6) 5 风力发电机的其他元件的设计 (6) 5.1 刹车装置的设计 (6) 6 风力发电机在设计中的3个关键技术问题 (7) 6.1空气动力学问题 (7) 6.2结构动力学问题 (7) 6.3控制技术问题 (7)
7 风力发电机的分类………………………………………………………………… 7 8 风力发电机的选取标准 (8) 9 风力发电机对风能以及其它的技术要求………………………………………… 8 9.1风力发电机对风能技术要求 (8) 9.2风力发电机建模的技术是暂态稳定系统 (9) 9.3风力电动机技术之间的能量转换 (10) 10 风力发电机在现实中的使用范例 (10) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 摘要 随着世界工业化进程不断加快，能源消耗不断增加，全球工业有害物质排放量与日俱增，造成了能源短缺和恶性疾病的多发，致使能源和环境成为当今世界两大问题。因此，风力发电的研究显得尤为重要。 我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置，这造成风电场无功补偿的投资很大。文章结合实例，通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算，提出利用风力发电机的无功功率可基本实现风电场的无功平衡，风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据，对于发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场，应利用风力发电机的无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量，降低无功补偿的投资。 关键词：风力发电、风电场、无功补偿、电压波动
小型家用风力发电机毕 业设计 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
摘要风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，风力发电也逐渐成为了时下的朝阳产业。本论文详细阐明了小型独立风力发电系统的设计方案，对风力发电机组的结构和电能的变换及继电控制电路做了深入的研究。 本文提出的解决方案为，风力发电机组带动单相交流发电机，然后通过AC—DC—AC 变换为用户需要的标准交流电，并且考虑到风力的不稳定性，在系统中并入蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。 本论文的重点在于继点控制电路的设计，并对各种不同风力情况下系统的运行状况进行了全面而严谨的分析，最后电气控制部分进行了系统仿真。 关键词：风力发电机组；整流——逆变；继电控制 目录
引言 随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的
第一章绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。 风力发电概述 1.1.1风力发电现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。 2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，2020年风电装机亿KW，风电电量×104亿kWh，占当时世界总电消费量×104亿kWh的%。 世界风电发展有如下特点：
小型风力发电机毕业设计 摘要 基于开发风能资源在改善能源结构中的重要意义，本论文对风力发电机的特性作了简要的介绍，且对风力发电机的各种参数和风力机类型作了必要的说明。在此基础上，对风力发电机的原理和结构作了细致的分析。首先，对风力发电机的总体机械结构进行了设计，并且设计了限速控制系统。本课题设计的是一种新型的立式垂直轴小型风力发电机，由风机叶轮、立柱、横梁、变速机构、离合装置和发电机组成。这种发电机有体积小、噪音小、使用寿命长、价格低的特点，适合在有风能资源地区的楼房顶部，供应家庭用电，例如照明：灯泡,节能灯；家用电器:电视机、收音机、电风扇、洗衣机、电冰箱。 关键词：风力发电限速控制系统小型风力发电机
Abstract Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator. Key words：Wind power generation, Regulating control system, Small wind-driven generator
1．总体设计 一、气动布局方案 包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风，性能及其他气动特性的初步计算，确定整机和各部件（系统）主要参数，各部件相对位置等。最后，绘制整机三面图，并提交有关的分析计算报告。 二、整机总体布置方案 包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。最后绘制整机总体布置图，并编写有关报告和说明书。 三、整机总体结构方案 包括对整机结构承力件的布置，传力路线的分析，主要承力构件的承力型式分析，设计分离面和对接型式的选择，和各种结构材料的选择等。整机总体结构方案可结合总体布置一起进行，并在整机总体布置图上加以反映，也可绘制一些附加的图纸。需要有相应的报告和技术说明。 四、各部件和系统的方案 应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。最后，应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。五、整机重量计算、重量分配和重心定位 包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。最后应提交有关重量和重心等计算报告，并绘制重心定位图。 六、配套附件 整机配套附件和备件等设备的选择和确定，新材料和新工艺的选择，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。最后提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有重大反复。阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图，整机总体布置图，重心定位图，整机重量和重心计算报告，性能计算报告，初步的外负载计算报告，整机结构承力初步分析报告，各部件和系统的初步技术要求，部件理论图，系统原理图，新工艺、新材料等协作要求和采购清单等，以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。 2．总体参数 在风轮气动设计前必须先确定下列总体参数。 一、风轮叶片数B 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比λ。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即λ＝4-7 左右，叶片数一般取2—3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能
风力发电的基本原理 1 引言 风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）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的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。 2 风力发电基本理论知识 2.1 风能的计算公式 空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为 其中：单位时间质量流量m=ρAV 在实际中， 式中： P W—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W； C p—叶轮的风能利用系数； m—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0； e—发电机效率，一般为0.70—0.98； ρ—空气密度，kg/m3； A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2； V—风速，m/s。 2.2 贝茨（Betz）理论 第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建
立的。 贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。 通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为 式中： P max—风轮所能产生的最大功率； ρ—空气密度，kg/m3； A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2； V—风速，m/s。 这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的。 将式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率 式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Cp<0.593。 2.3 温度、大气压力和空气密度 通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度。 式中：ρ—空气密度，kg/m3； h—当地大气压力，Pa；
国外风能电场电气论文 目录 摘要.................................................................I ABSTRACT................................................................II 第一章绪论.. (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 国外发展现状 (1) 1.3 本文的主要研究容 (2) 第二章风电场电气系统 (3) 2.1 电气的基本概念 (3) 2.2 电气部分的一般组成 (3) 2.3 风电场电气部分的构成 (5) 第三章风电机矢量控制技术的基本知识 (6) 3.1风力机特性 (6) 3.2 变速恒频发电系统 (7) 3.3交流电机调速控制策略 (8) 3.4双馈式发电机矢量控制策略 (9)
第四章双馈异步发电机 (13) 4.1 结构 (13) 4.2 双馈发电机变速恒频运行的基本原理 (14) 4.3 双馈异步发电机的功率传递关系 (16) 4.4 双馈式发电机控制 (17) 4.4.1 双馈异步风力发电机控制系统 (17) 4.4.2 转子变流器 (18) 4.4.3 PWM控制的基本原理及交—直—交变流器 (18) 4.4.4 系统的优越性 (19) 第五章风电机组有功无功特性的模拟与仿真 (20) 5.1 风电机组的建模 (20) 5.1.1 风模型 (20) 5.1.2 风轮模型 (20) 5.1.3 变桨系统模型 (20) 5.1.4 发电机模型 (21) 5.1.5 变流器及其控制部分模型 (21) 5.2 风电机组运行的模拟仿真 (24) 第六章基于Bladed的电气仿真 (25) 6.1 Bladed软件中对于电气参数的设置 (26)
摘要 自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。 风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。 本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。 关键词：风能；风力发电机；叶片；轮毂；齿轮箱
Abstract Natural wind speed and direction of change is random, wind characteristics of uncertainty, how to make wind turbine output power stability, wind power technology is an important subject. So far, have raised a variety of ways to improve the quality of the wind, such as the use of variable speed control technology, can make use of wind round the moment of inertia smooth power output. Because variable speed wind power group using a power electronic devices, when it will transfer to the output of electric power grids, will change in the wave's power, and power factor deterioration. Use of wind energy in the development of key technical issues involved in wind energy technology is one of a number of integrated technical disciplines. Moreover, the wind turbine is usually different from the mechanical system characteristics: a strong power source is not random and continuity of the natural wind, the leaves often run in the stall condition, the power transmission system very irregular importation, fatigue load than Rotating Machinery usually several times. Based on the wind turbine design, leaves, the wheel design, level of rotating the design, gear box system design, use of wind power to achieve the objective of effective use of wind energy resources, reduce non-renewable resources Consumption, reduce the environmental pollution. Key words: wind power；wind power generators；blade；wheel；Gearbox
风力发电机论文关于风力发电的论文 影响风力发电机组功率的因素 摘要：风力发电机作为一种绿色能源有着改善能源结构、经济环保等方面的优势，也是未来能源电力发展的一个趋势。但风力发电机在工作时由于受到环境或本身结构的影响，其功率会受到影响。文章就影响风力发电机组功率的各方面因素进行探讨。 关键词：风力发电机；功率影响因素；功率曲线；发电量 一、功率曲线与发电量 功率曲线反映了风力发电机组的功率特性，是衡量机组风能转换能力的指标之一，设备验收时功率曲线往往是被重点考核的对象。其实，评价一种机型功率曲线的好坏不应单纯地只关注那些图表中所给定的“风速—功率”对应值，还应根据现场情况进行具体分析：风力机组的功率特性关键取决于叶片的气动特性和机组的控制策略。众所周知，叶片的气动设计实际上是一个优化的结果，受其他条件限制，无法达到所有风速工况下效率均最好的目标。而机组实际运行的外部条件可能与设计存在较大差异，因此需要采取技术措施以实现发电量最大。一般来讲，失速型机组应根据风频分布调整合适的安装角，使风频最高的风速段出力最好。而变桨距机组则应根据湍流等风速特性优化控制策略。因此为了追求发电量优化的目标，实际的功率曲线与理论值会存在一个合理的偏差。
二、风力发电机组实际功率曲线与标准功率曲线的差异 根据风力发电机组在一段时间内输出功率和同一时刻的风速之间的对应关系，即可得到风电机组的实际功率曲线，比较理想的状况是单独设立一套独立的测量系统，对机组的功率数据进行记录，同时测量环境气温、大气压力和风速等环境参数，根据记录的数据，绘制出风力发电机组的实际功率曲线，同时根据环境气温、大气压力对实际功率曲线进行修正，观察机组实际功率曲线与标准功率曲线的差异是否在正常的范围内。在实际工作中，由于受现场条件和机组数量较大的限制，多利用机组控制系统的测量数据，通过中央监控系统进行记录，这种方式存在两个弊端：一是多数风力机的风速仪位于叶轮的后部，风速的测量准确度受到影响，其次机组控制系统没有环境气温、大气压力等环境参数的测量或测量值不准确，需要补充其它辅助装置进行数据的补充。因此采用这种方式分析处理得到的机组实际功率曲线应允许有一定的误差。 本文所有数据源于一套为上海电气的SEG—1250风机监控系统，数据存储时间间隔为1分钟。 选定这种风力机的数据，是因为这种风力机在风力机类型上比较普遍，同属于三叶片、上风向、定桨距失速调节型风力机，额定功率相同，叶轮转速相同，均为33rpm，叶轮直径普遍。 在图1中，风力机的实际功率曲线均未经过环境温度和大气压力
中国矿业大学 风力发电机毕业设计（含程序）
第一章绪论 4 1．1 引言 (4) 1．2 国内外风力发电技术的研究现状 (4) 1．3 风力发电机组控制技术概述 (6) 1．3．1 风力机定桨距控制技术 (6) 1．3．2 风力机变桨距控制技术 (6) 1．4 本课题的研究目的和意义 (7) 1．5 本文的主要研究工作 (7) 1．6 本章小结 (8) 第二章风力发电机的控制理论9 2．1 引言 (9) 2．2 风力发电机组的组成 (9) 2．3 风力发电机组空气动力学理论 (10) 2．3．1 风力发电机组空气动力学理论基础 (10) 2．3．2 风力机风轮空气动力学分析 (13) 2．4 风力机变桨距调节原理 (15) 2．4．1 变桨距控制理论简述 (15) 2．4．2 变桨距风力发电机组的运行状态 (17) 2．5 本章小结 (18) 第三章变桨系统的总体方案及机械机构设计19 3．1 风力发电的工作状态分析 (19) 3．2 现有的几种变桨系统比较 (20) 3．3 总体方案的设计 (21) 3．4 方案的选取 (22) 3．5 变桨系统的机构设计 (22) 3．5．1 轮毂 (23) 3．5．2 变浆轴承 (24) 3．5．3 变浆齿轮箱 (26) 3．5．4 电机 (27) 3．5．5 UPS (33) 3．5．6 变浆中心润滑系统 (36) 3．5．7 润滑剂 (38) 3．6 本章总结 (39) 第四章变桨控制系统的硬件和软件的设计40 4．1 变桨系统的功能概述 (40) 4．2 变桨距系统的控制原理 (40) 4．2．1 变距控制 (41) 4．2．2 转速控制A（发电机脱网） (41) 4．2．3 速度控制B（发电机并网） (42) 4．2．4 功率控制 (42) 4．3 控制系统实现方案 (47)
风力发电机控制系统 风机控制系统：监控系统、主控系统、变桨控制系统、变频系统。 1、蓬勃发展的风电技术 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30％以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gem sa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。 国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。 然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。 2、风力发电对控制系统的需求 2.1高级语言编程能力 由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术： 2.1.1复杂控制算法设计能力 传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向 而设计了PCC产品来满足这一未来的需求。 为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统(OS)上， 支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。
毕业设计说明书(论文) 作者：傅兴元学号：0445201 院系：自动化工程学院仪器科学与技术系 专业：测控技术及仪器 题目：风力发电综述 指导者：仇林庆副教授 评阅者： 2008 年 6 月吉林
摘要 当今能源日趋紧张, 能源多样化逐渐得到人们的关注。研究开发可再生能源来补充或替代常规能源, 得到世界各国的广泛重视。风能作为取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,已日益受到我国政府的重视,由于我国风力资源丰富,且风力发电机制造成本在逐年下降,因此风力发电前景广阔。本文主要介绍了世界风力发电的现状、风力发电原理、风电的经济性、风电场的建设过程、风电机组和电网介绍、风力发电控制系统、风车的组成和维护、风力发电对环境的影响和自身的特点,以及风电的发展前景。同时，还分析了制约我国风力发电的因素和风力发电与其他发电方式的区别。 关键词：风力发电；风电场建设；环境影响；制约因素；发展前景 -I-
ABSTRACT As the energy become more and more tensive today, energy diversification ,especially researching and developing the renewable energy to supplement or replace conventional energy sources,is payed more attention by all countries in the world. Wind energy as inexhaustible and renewable sources of clean energy, has been increasingly attended by our government. as the rich wind resources and the decreased cost of the wind turbine manufacturing year by year, wind power had a broad prospect. This paper mainly describes the status of wind power in the world, the theories of wind power , the economic of wind power, the constructive process of wind power field, the introduction of the wind power unit and power, control system of wind power, the composition and maintenance of windmills, influence on the environment of wind power and its own characteristics and the prospects of the development of wind power. At the same time, analyzing the factors of restricting wind power of our country and the distinctions of wind power and others. Keywords:Wind Power; The construction of wind power; Environmental influece; Restrictive factors; Development prospects -II-
本次所设计的课题是风力发电系统的虚拟设计，旨在开发小型风力发电系统，而风力发电的基础设备是风力发电机。风力发电机组由风轮、组合体（包括发电机和回转体尾舵拉索式塔架等）、配电控制器、蓄电池和逆变器组成。目前国际国内风力发电系统发展的现状都很乐观，世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿-4.7亿KW。采用风力发电的优点，从环境保护上看：不消耗任何燃料，无污染排放，是可再生的绿色洁净能源；从投资建设上看：单台发电设备投资不大，建设灵活，建设周期短，只要把设备立起来就可以发电；从气候条件上看：在冬、春季风大，发电多，而冬春两季又是我国的枯水期，风电和水电可以互补；另外我国的风，多在下午开始加大，到后半夜开始减弱，这正好和电力负荷曲线相吻合。本次课题设计为了降低设计试制成本，减少新产品开发中的风险，要借助现代计算机技术进行虚拟设计。 虚拟现实（Virtual Reality）技术是20世纪80年代末90年代初崛起的一种实用技术，与网络、多媒体并称为21世纪最具应用前景的三大技术，用于描述交互式3D对象和世界，可用于多种应用领域，如工程和科学可视化，多媒体演示，娱乐和教育游戏，网页，并共享虚拟世界。本次设计为了能更好的表达风力发电系统的工作过程，利用VR 技术生成了一个逼真的风力发电机的工作虚拟环境。
1.1 研究背景 石油、煤、水或核电是当今世界能源的主要构成部分。随着科技进步和国民经济的日益发展，能源的需求量也在不断增长。而传统能源的一些弊端也逐渐显露。石油资源日益枯竭，而燃煤、核能等又存在大量环境污染和安全隐患，寻找新的可再生清洁能源、改善世界能源结构就成为了世界各国迫在眉睫的头等大事。经过三十几年对可再生能源现代开发的研究和应用，目前，新型清洁可再生能源的优势已逐步体现。 作为一种洁净无污染的可再生能源，风能是人类最早利用的能源之一。作为太阳能的一种形式，风能取之不尽，用之不竭，分布广泛、储量巨大、清洁无污染。据有关资料显示，地球上近地层的风能总量约为13000亿千瓦。从理论上讲，地球上1％的风能就能完全满足全世界的能源需求。 我国风力资源十分丰富，风能资源总储量为32．26亿千瓦，实际可开发量为2．53亿千瓦，约占7．8％。“十五”期间，我国加快了风电产业发展步伐。装机总容量首次进入世界风电规模前十位，紧随欧美传统风力发电强国，成为风电应用最为广泛的国家之一。进入新千年后，我国风电产业进一步迅猛发展，风力发电电厂建设和设备制造成为科研前沿和热门产业。 虽然我国风电事业发展如此迅猛，但其生产设备长期依赖进口，在自主开发风力发电机方面还比较落后，特别是大功率发电机组的核心技术领域更是基本属于空白。国内各大主要风力发电厂的生产机组基本全部是引进国外设备，部分国产机组也是以仿制国外产品为主，核心技术领域仍然是空白，设计水平以及实验水平与国外先进技术相比不可同日而语。而且不同地域的风况存在较大差异，这也造成了仿制风机的“水土不服’’，很难达到生产应用要求。所以单纯的仿制并不能解决我国风力发电机设计水平较差的现状，必须以提高我国风力机的设计和研究水平为目标来实现“国产化”，设计出具有自主知识产权的风力发电核心设备，突破我国风电行业发展的“瓶颈”，使风电行业走上一条健康发展之路。 1.2 风力发电系统工作原理