风电讲座讲义

风力发电机组技术介绍一、风力发电机组概况风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置，风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程。1.1风力发电机组的历史和趋势二十世纪初人们开始研究风力发电机，到三、四十年代开始实现风力发电，而并网型风力发电机的出现则在五、六十年代。风力发电事业的真正大规模兴起是在70年代第一次石油危机以后。其容量迅速向大型化发展，因为单机容量越大，单位容量成本就越低。主流机型的发展次序大体是：50KW，100KW，150KW，300KW，600KW，750KW，1000KW，1500KW，2000KW，3000KW…。但是单机容量增大在降低制造成本的同时，却导致运输安装成本增加。按产生转矩的气动力分:阻力型和升力型按旋转轴方向分:垂直轴型和水平轴型按功率调节方式分:定桨距型和变桨距型按转速变与不变分:定速型与变速型按叶片与塔筒位置分:上风向型与下风向型1.2风力发电机的类型采用变桨变速技术，提高风能转换率；大型双馈风力发电机组成为主流产品；无齿轮箱风力发电技术开始受到重视；发电机与变流器的集成设计技术；基于高性能微处理器芯片的控制技术；1.3风力发电技术发展的新趋势1.4功率曲线βγ水平轴风力机原理α×ω1.5水平风力机原理1.6垂直轴风力机原理ω×rω×rω×rω×r风向1.7水平轴风力发电机组水平轴风力发电机组主要由以下部件构成：1．叶片2.轮毂3.主轴系统4.调桨系统5.齿轮箱6.液压系统7.发电机8.偏航系统9.控制系统10.机舱罩11.塔筒12.塔基GeneratorGearboxElasticcouplingMainshaftDoublebedframeHub2.1概述风轮的作用是把风的动能转换成风轮的旋转机械能。风轮一般由一个、两个或两个以上，几何形状相同的叶片和一个轮毂组成。风力发电机组的空气动力特性取决于风轮的几何形式，风轮的几何形式取决于叶片数、叶片的弦长、扭角、相对厚度分布以及叶片所用翼型空气动力特性等。二、风轮技术介绍2.2风轮的几何参数1）叶片数量2）风轮直径3）风轮中心高4）风轮扫掠面积5）风轮锥角6）风轮仰角7）风轮实度2.3风轮的物理特性1）风轮转速2）风轮尖速比3）作用在风轮上的力和力矩4）风轮轴功率321vACPp2.4叶片的基本概念1)叶片长度2)叶片面积3)叶片弦长4)叶片扭角2.5叶片设计时需考虑因素：1．气动外形设计2．允许变形3．疲劳特性4．固有频率5．铺层设计6．雷击保护7．叶片轴线的位置2.6叶片主体结构水平轴风力机风轮叶片的结构主要为梁、壳结构，有以下几种结构形式：Vestas叶片剖面结构CTC叶片剖面结构LM叶片剖面结构2.7叶片材料目前用于叶片制造的主要材料多为玻璃纤维增强复合材料（GRP），基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。复合材料具有以下优点：1）复合材料的可设计性强2）易成型性好3）耐腐蚀性强4）维护少、易修补2.8叶根结构形式1)螺纹件预埋式2)钻孔组装式2.9功率调节风力机必须有一套控制系统用来限制功率和转速，使风力机在大风或故障过载荷时得到保护。目前主要有两种调节功率的方法，都是采用空气动力方法进行调节的。1)变桨距调节方法2)失速调节方法失速控制时气流连续变化图变桨距控制时气流连续变化图2.10防雷击系统1）雷击造成叶片损坏的机理2）防雷装置叶片防雷击系统示意图三、偏航系统3.1偏航系统的主要作用1）使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能。2）提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。3）解缆和扭缆保护。3.2偏航系统的组成1）偏航轴承2）偏航驱动装置3）偏航制动器4）偏航计数器5）扭缆保护装置6）偏航液压回路偏航驱动装置偏航齿圈偏航制动器偏航计数器偏航液压装置制动盘偏航计数器偏航齿圈偏航制动器制动盘偏航液压装置偏航驱动装置b)内齿驱动形式的偏航系统a)外齿驱动形式的偏航系统图1偏航系统结构简图偏航轴承的内外圈分别与机组的机舱和塔体用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。3.3偏航轴承a)外齿形式b)内齿形式图2偏航齿圈结构简图3.4驱动装置a)驱动电机偏置安装b)驱动电机直接安装图3驱动装置结构简图1）驱动电机2）减速器3）传动齿轮4）轮齿间隙调整机构3.5偏航制动器图4偏航制动器结构简图制动钳体弹簧活塞活塞杆接头制动衬块制动盘螺栓偏航制动器一般采用液压拖动的钳盘式制动器。3.6偏航计数器偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置。3.7扭缆保护装置扭缆保护装置是出于失效保护目的而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的扭绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急停机。四、主传动链系统4.1概况主传动链是风力发电机动力传递的装置，它包括以下几部分构成：调桨机构、主轴及轴承、齿轮箱、刹车机构、联轴器4.2调桨机构调桨机构为变桨距风力发电机所特有，通过调桨机构的工作，实现风机的启动、功率调节、以及风轮的制动。调桨机构由连杆机构、推杆、油缸以及液压系统构成。主轴的作用是连接轮毂和齿轮箱，有些风机主轴涵盖在齿轮箱内，主轴轴承主要有两种安装方式：两个独立轴承分别安装在主轴前后两端；或者主轴前端配一个轴承，主轴后端与齿轮箱输入端连接。主轴轴承的结构形式一般采用双列滚珠调心轴承。4.3主轴及轴承齿轮箱是风力发电机的一个重要部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传给发电机，使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远远达不到发电机发电要求，必须通过齿轮箱增速来实现。目前齿轮箱主要采用两级斜齿和一级行星齿轮的结构方式。4.4齿轮箱刹车机构由安装在低速轴或高速轴上的刹车圆盘与布置在四周的液压夹钳构成。液压闸钳固定，刹车圆盘随轴一起转动。刹车闸钳有一个预压的弹簧制动力，液压力通过油缸中的活塞将制动闸钳打开。机械刹车的预压弹簧制动力，一般要求在额定负载下脱网时能够保证风力机安全停机。4.5刹车机构在风力发电机组中，常采用刚性联轴器、弹性联轴器（或万向联轴器）二种方式。通常在低速轴端（主轴与齿轴箱低速轴联接处）选用刚性联轴器。在高速轴端（发电机与齿轮箱高速轴联接处）选用弹性联轴器（或万向联轴器）。一般选用轮胎联轴器、十字节联轴器或者复合材料联轴器。4.6联轴器在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是执行风力机的气动刹车和机械刹车；在变桨距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。液压系统包括液压泵站、桨距调节液压缸、刹车圆盘闸。五、液压系统标准化审定日期批准底图总号日期签字媒体编号描图描校旧底图总号更改文件号标记处数设计校对审核工艺签字日期序号第张共张图样标记WD646北京万电有限责任公司液压原理图名称备注数量六、控制系统控制系统是整个风力发电机组的核心，它保持风力发电机组安全可靠运行；实现对风力发电机组的运行参数、状态的监控显示，保证了机组功率的优化控制；并在机组出现故障时能自动处理并安全停机。6.1控制系统构成•偏航系统控制模块•转速监测模块•齿轮油站控制模块•液压油站控制模块•调桨控制模块•温度监测控制模块•电网监测控制模块主控柜内电力系统主要由配电、供电、软并网（含软启动）、功率因数补偿等各分系统组成。他们都在控制器的控制下自动工作。6.2主控柜感应发电机可以直接联入电网，也可以通过晶闸管调压装置与电网连接。6.3电机并网变距控制系统实际上是一个随动系统。变距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经Ｄ/Ａ转换后变成电压信号控制比例阀，驱动油缸活塞，推动变距机构，使桨叶节距角变化。6.4变距控制风场厂管理控制系统（WindPowerManagementSystemWPMS）可以监测所有风电机的运行状况；在风电机出现故障时及时记录下风电机的故障原因并报警；在故障消除后可远程启、停机；在风机基本状态模块上可显示每台风机的各种状态参数。6.5中央监控系统及远程监测简介：6.6安全保护系统安全保护系统皆在提高风力发电机组的运行安全性及运行可靠性。•主电路保护•过电压、过电流保护•过缠绕保护•振动保护•紧急停机安全链保护•防雷保护系统•接地保护系统•启机自检保护•参数越限保护•故障停机安全保护七、发电机系统7.1并网型风力发电机组的基本形式笼型异步发电机双馈异步发电机电励磁低速同步发电机永磁低速同步发电机低速横向磁场永磁发电机7.2笼型异步发电机7.3笼型异步发电机较软的转矩－转速特性有利于吸收阵风的波动，平滑发电机的输出功率；并网冲击电流大，需采用晶闸管软并网装置；发电机的功率因数较低,需配置并联补偿电容。7.4永磁低速同步发电机外转子内表面安装磁钢的永磁发电机；极数多，磁钢用量大，磁轭较薄；励磁不可调，发电机的电压调整率大；作为整流发电机使用，整流后的直流电压需加DC-DC变换器稳压，然后经串联逆变器并网；宜采用多相结构，减少整流后直流电压纹波；永磁材料存在失磁的可能，更换维修困难。7.5双馈发电机的运行特点与笼型异步发电机不同，双馈发电机的定、转子绕组皆联入电网。定子绕组直接接入电网，转子绕组经变流器接入电网；笼型发电机的机械特性主要由转子参数决定；而双馈发电机的机械特性则由转子变流器决定；7.5双馈发电机的运行特点（续）双馈发电机一般运行于小滑差范围；双馈发电机定子侧的有功电流由风力机的功率特性决定，无功电流由用户指定；而笼型异步发电机的无功电流则由电机的参数决定；双馈发电机的额定功率发生在超同步最大转速点，而不是同步速点。八、塔架与基础8.1概况塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。其重要性随着风机的容量和高度的增加变得愈来愈明显。在风电机中塔架的重量占风电机总重的1/2左右，其成本占风电机制造成本的15％左右，由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。8.2塔架的结构与类型塔架主要分为桁架型和圆筒型。桁架型塔架在早期风电机中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点为不美观，通向塔顶的上下梯子不好安排，上下时安全性差。圆筒型塔架，在当前风电机中大量采用，其优点是美观大方，上下塔架安全可靠。8.3塔架的设计要求塔架的主要功能是支承风力发电机的机械部件，发电系统（重力负荷），承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷。塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。塔架自振频率高于运行频率的塔称之为刚塔，低于运行频率的塔称之为柔塔。8.4风力发电机基础设计与施工风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、尺寸大小不同，从结构的形式看，常用的可分为：块状基础和框架式基础两种。块状基础，即实体重力式基础，应用广泛，对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，并将基础作为刚性体来处理，而仅考虑地基的变形。框架式基础实为桩基群与平面板梁的组合体。8.5风力发电机组对基础的要求及基础的受力状况当风力发电机组运行时，机组除承受自身的重量外，还要承受由风轮产生的正压力P、风载荷q以及机组调向时所产生的扭矩Mn等载荷的作用。但在一般情况下，由于剪力F及扭矩Mn一般都不很大，在实际计算中，此两项可以略去不计。因此在对风力机基础的设计中，风力机对基础所产生的载荷主要应考虑机组自重Q与倾覆力矩M两项。谢谢Thankyou人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我