風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建模與仿真研究.pdf

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1、1緒論1緒論1．1課題研究的背景和意義1．1．1研究背景風(fēng)力發(fā)電作為一種新的、安全可靠的潔凈能源，其優(yōu)越性為越來越多的人所認(rèn)識(shí)。風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為五點(diǎn)：①風(fēng)力發(fā)電是一種潔凈的自然能源。風(fēng)能在轉(zhuǎn)換成電能的過程中，只降低了氣流的速度，沒有給大氣造成任何污染。風(fēng)電沒有常規(guī)能源及核電對(duì)環(huán)境造成的污染問題。核電的放射性廢料仍是一個(gè)較難解決的問題。②風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步，單機(jī)容量逐步增大，產(chǎn)品質(zhì)量得到改善，可用率達(dá)到98％以上，是一種安全可靠的能源。③由于技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品批量增加，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，風(fēng)電成本持續(xù)下降。風(fēng)力發(fā)電的成本已接近煤電，低

2、于油電和核電。若考慮煤電的環(huán)境污染和交通安全等問題，風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于煤電。④風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)周期短。單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝僅需幾個(gè)星期，可多臺(tái)同時(shí)安裝，互不干擾。建設(shè)一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時(shí)間；而煤電、核電的建設(shè)需要三至十年。⑤風(fēng)力發(fā)電占地面積少。塔筒與監(jiān)控、變電建筑僅占風(fēng)電場(chǎng)約1％的土地，其余99％的廣大場(chǎng)地可供農(nóng)、林、牧使用。由此可見，風(fēng)力發(fā)電具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展受到世界各國政府的高度重視[I-5]。地球上蘊(yùn)藏的風(fēng)力資源十分豐富，如果10％的風(fēng)能得到開發(fā)利用的話，那么全球的電力需求就可以得

3、到滿足。我國是世界上風(fēng)力資源較為豐富的國家之一，lO米高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32．26億kW，其中可開發(fā)利用的風(fēng)能資源約2．53億kW。我國的風(fēng)力資源主要分布在兩大風(fēng)能地帶，內(nèi)蒙、甘肅、新疆等北部和東南沿海及附近島嶼。近地層可供開發(fā)的風(fēng)能資源情況如下：可能發(fā)展lOOkW級(jí)以上大型風(fēng)力機(jī)的地區(qū)，只占全國總面積的1％左右；可能發(fā)展lOkW級(jí)風(fēng)力機(jī)的地區(qū)占10％，lkW小型風(fēng)力機(jī)的可能發(fā)展地區(qū)則占40％以上。全國風(fēng)能資源分布上與煤炭、水能資源有大致互補(bǔ)的特點(diǎn)【6】。風(fēng)力發(fā)電最主要的設(shè)備就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成

4、：其一是風(fēng)輪，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等主要部件所組成。重慶大學(xué)博士學(xué)位論文圖1．1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)圖Fig．1．1Configurationofhorizontalaxiswindulibhlc在圖1．1中，1)是葉輪；2)是輪轂；3)是機(jī)艙內(nèi)框架；4)是葉輪軸與主軸連接；5)是主軸；6)是齒輪箱：7)是剎車盤；8)是發(fā)電機(jī)的連接：柔性聯(lián)軸器；9)發(fā)電機(jī)；10)是散熱器；11)是冷卻風(fēng)扇；12)風(fēng)測(cè)量系統(tǒng)：包括風(fēng)速儀

5、和風(fēng)向標(biāo)；13)是控制系統(tǒng)：14)液壓系統(tǒng)：15)是偏航驅(qū)動(dòng)；16)是偏航軸承；17)是機(jī)艙蓋；181是塔架；19)是變槳距部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類和形式很多，但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的主要部件是受風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪；因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組依據(jù)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置大體上可分為兩大類：一類為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；一類為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于垂直軸風(fēng)力機(jī)無法捕獲大量風(fēng)能，而且需要大量材料，占地面積大，因此商用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本文的研究重點(diǎn)也以水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象。圖1．1是目前常用的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并

6、網(wǎng)狀況下應(yīng)用的總體結(jié)構(gòu)示意圖。風(fēng)以一定速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，進(jìn)而通過增速器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。1．1．2課題研究意義我國大型風(fēng)電技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用落后于發(fā)達(dá)的歐美國家。在“八五”和“九五”期間，將風(fēng)能應(yīng)用列入了國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，并組織了多家科研單位進(jìn)行攻關(guān)，21緒論取得了一定成績。在較短時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)跨越。在大型風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算能力方面，國內(nèi)已經(jīng)有較成熟的方法和工具，而且技術(shù)能力比較強(qiáng)，能夠完成葉片的氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能計(jì)算、載荷計(jì)算和氣彈穩(wěn)定性計(jì)算。通過國家“九五”科技攻關(guān)，國

7、產(chǎn)(惠騰公司生產(chǎn))的600KW定槳距葉片已為國產(chǎn)整機(jī)配套制造了30多片。同時(shí)形成了大型葉片的設(shè)計(jì)、制造工藝、試驗(yàn)、產(chǎn)品售后服務(wù)等方面的能力。在失速型風(fēng)電機(jī)組的控制領(lǐng)域，由中科院電工所、新疆大學(xué)、金風(fēng)科技股份公司等單位開發(fā)研制了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兩種600KW電控系統(tǒng)，并分別投入運(yùn)行兩年和一年多，經(jīng)過了實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，為今后更大容量風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)研制創(chuàng)造了良好條件。在風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵零部件中，增速箱、發(fā)電機(jī)已實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，并針對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組齒輪箱普遍出現(xiàn)點(diǎn)蝕、微點(diǎn)蝕等現(xiàn)象采取了多種強(qiáng)化措施并收到了良好效果。進(jìn)入“十五”以后，國家加大了對(duì)風(fēng)能利用的投

8、入力度，將風(fēng)能作為國家863計(jì)劃能源技術(shù)領(lǐng)域后續(xù)能源主題中的一個(gè)主攻方向，開展MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的專題研究。預(yù)計(jì)在五年內(nèi)，將誕生國產(chǎn)的MW級(jí)失速型風(fēng)電