大型风电机组仿真实验台偏航与变桨系统设计 毕业论文.docx
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1、密级:公开 大型风电机组仿真实验台偏航与变桨系统设计Design of Yaw and Pitch System for Large Wind Turbine Simulation Test Platform 学 院:机械工程学院专 业 班 级:机自0904班学 号:090101103学 生 姓 名: 指 导 教 师: (教授)2013年 6 月I 摘 要能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电作为一种可持续发展的新能源,不仅可以节约常规能源,而且减少环境污染,具有较好的经济效益和社会效益,越来越受到各国的重视。 由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点,风力发电机组是
2、复杂多变量非线性不确定系统,因此,控制技术是机组安全高效运行的关键。相比传统的控制策略,将智能控制理论运用于风电系统则能够得到比较满意的效果。本论文主要研究变桨距变速风力发电机组这种新型的风力发电系统以及风机的偏航系统。首先,变桨系统中采用交流异步伺服电机和变频驱动器设计了变频变桨驱动系统,完成了相关硬件电路的设计和调试工作,寻求更为有效的设计理论和方法来实现桨叶的快速变距。该系统实现了设计目标,具有较高的自动化程度,运行稳定可靠,性能价格比较高,非常适合于现代化生产实际的需要。因此,该产品的推广具有十分广阔的前景。其次,风力发电机组仿真实验台采用主动偏航系统。由于偏航系统的设计及运行质量直接
3、影响风机的正常运行,因而也引起了风机设计制造领域的高度重视。偏航系统包括偏航检测与控制部分、偏航机构、扭缆保护装置三大部分。偏航机构由偏航动力源,偏航传动装置,偏航执行机构,偏航轴承和制动装置组成。通过对偏航机构传动方案、偏航系统功率,偏航系统传动比的分析给出大功率并网风力发电机偏航机构设计的原则、方法及主要参数选择范围和具体设计计算公式。 关键词:风力发电;变桨距;偏航系统AbstractEnergy and environment are pressing problems that must be settled by human beings for future survival a
4、nd development. As an important kind of generating form, wind power generation not merely can save the routine energy resources, but also may decrease pollution of the environment. Thus it can bring preferable economic benefits and community benefits. At resent, wind power generation has caused more
5、 and more concern by governments all around the world. Because of wind energy has lower density, instability and randomicity, wind turbines have strong nonlinear multivariable with many uncertain factors and disturbances. Therefore control is crucial to the efficiency and reliability of wind turbine
6、s. Compare with traditional control tactics, wind power generation system can gain satisfactory results with application of intelligent control theory. This paper has mainly studied the novel variable-pitch variable-speed wind turbines and Yaw-control system of wind turbine generator.First, In varia
7、ble-pitch systems with the asynchronous motor and inverter, look for the more valid design theories and methods to carry out the oar the quickly change of the leaf be apart from. That system carries out to design the target, having the higher automation degree, circulating the stable credibility; th
8、e function price is higher, very suitable for the modernization produces the actual demand. Therefore, the expansion of that product has the very vast foreground.Second, The wind turbine simulation test bench with active yaw systems .The design of the yawing system and operating quality affects the
9、working order of the set; as a result, it causes high importance to the wind energy conversion system design field. The yawing system includes three main parts: the yawing detector and control; the framework and the untwisting cable protector. The yawing framework consists of yawing power recourse,
10、gearing, implement and axis and brake system. Based on the analysis of the scheme of the framework transmission, the systemic power and the transmission ratio, the yawing design fundamental of high-power combined net windgenerating set, the methods, the main preferences range and the specific design
11、 calculating formula have been presented.Keyword: wind power; Pitch; Yaw-control systemII 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 风力发电的概述11.2 风力发电发展现状21.2.1 世界风电21.2.2 我国风电31.3 本课题主要研究内容4第2章 总体方案设计52.1 风电机组的工作原理与构成52.1.1 风电机组的工作原理52.1.2 风电机组的构成72.2 总体设计82.3 风电机组零部件结构设计11第3章 变桨系统设计133.1 变桨距系统功能与结构133.2 变桨距系统零部件参
12、数的确定和设计153.3.变桨距三维实体模型的构建24第4章 偏航系统设计254.1 偏航系统的结构254.2 偏航系统零部件参数的确定和设计264.3偏航系统的三维建模32第5章 结论34参考文献35致 谢374第1章 绪论1.1 风力发电的概述风能是一种开发成本较低、清洁、安全、可再生的新型能源。因此,风能的开发利用越来越受到了重视。根据贝兹理论,风力机从风中吸收的能量不到空气动能的59.3%,同时由于受到机械结构等限制,实际值更小。因此,如何提高风能转化率,获取更多风能,实现风能规模化利用,一直为学者及业界所关注。近年来,大型风电机组通过采用变速变桨距控制及最大功率跟踪MPPT等技术,旨
13、在提高响应速度,获得最大能量(低风速是捕获最大功率,高风速时捕获额定功率)。但是,由于一些不确定因素的存在,风能转换系统表现出强非线性特征,风力机产生的能量随着风速和风向的连续波动是快速变化的。传统线性定常控制器因存在较大超调和损失,系统稳定性差,不适合用来控制大型变速变桨距风电机组。根据风速大小,风力发电系统由4个动态过程构成,即启动、变速运行、变桨距运行和刹车。其中,启动、刹车过程使系统能在最短时间内有较快的响应速度;变速运行调节风能,减少或消除风能产生过程中的急剧波动,捕获最大能量,减弱暂态负荷的影响;变桨距控制通过调节桨距角维持风电机组输出额定功率不变。世界上第1台风电机组于1891年
14、在丹麦建成,但由于技术和经济等方面的原因,风力发电一直未能得到广泛应用。直到1973年发生了石油危机,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,采用新技术研制现代风电机组。20世纪80年代开始建立示范风电场。20世纪90年代,许多国家纷纷制定了激励风力发电发展的优惠政策。1992年以来,全球风电累计装机容量的年增长率一直高于15%,风力发电技术日臻成熟。2002年4月25日,首届世界风能大会在法国巴黎举行,欧洲和北美风力发电技术发展迅速。2006年,全球已有48个政府引入法规扶持风力发电等可再生能源的发展。2008年年底全球累计风电装机容量已超过了120.8GW,相当于减排1
15、.58亿吨CO2。美国风电市场近年来一直保持高速发展,2009年新增风电装机容量9.92GW,累计风电装机容量达到35.16GW,排名世界第1 8。我国已成为继欧洲、美国和印度之后风力发电应用的主要市场之一,风能资源丰富,可开发量为1400GW。其中,陆上开发量为600GW;海上开发量为800GW。我国在20世纪50年代末,使用各种木结构的布篷式风车。20世纪70年代中期以后,风能开发利用列入“六五”国家计划。20世纪70年代末到80年代初,自主研制、批量生产了10kW以下的小型风力发电机,解决了居住分散的农牧民和岛屿居民的生产、生活用电,风力发电停留在蒙古包单家独户使用或实验室研究阶段。19
16、83年,山东引进3台丹麦Vestas 55kW风力发电机,开始了并网发电技术的试验和示范;1986年5月,山东荣成建成我国第一个并网风电场,其次是新疆达坂城风电场。19861993年,全国共建12个风电场,装机容量为13.3MW;19941999年,全国共建有21个风电场,装机容量达到249.05MW。其中,19921996年的主力机型为200300kW机组,19972002年的主力机型则为600kW机组。2008年,我国累计装机容量达到12.21GW,其中并网发电的装机容量为8.94kW。截止到2009年年底,我国风电并网总量累计达到16.13GW,累计装机容量为25805.3MW 8。1.
17、2 风力发电发展现状1.2.1 世界风电风电成本不考虑常规电力环境成本,根据目前的风电技术水平,风电成本仍高于常规电力成本,因此许多国家采取了诸如价格、市场配额、税收等各种激励政策,从不同的方面引导和支持风力发电的发展。经过30年的努力,随着市场不断扩大,风电成本大幅度下降,每千瓦时风电成本由20世纪80年代初的20美分下降到2007年的46美分。在风能资源较好的地方,风电价格完全可以和煤电竞争,低于燃气电价。装机容量高速增长根据全球风能协会公布的20032007年统计数据,全球风电平均增长率为24.7%。到2007年年底,全球总装机容量累计达到近94GW,新增风电装机容量20GW,分别在全球
18、70多个国家和地区。2007年全球大约生产了2000亿度风电电力,约占全球电力供应的1%。按照累计风电装机容量数据排名,2007年全球前十名的国家依次是德国、美国、西班牙、印度、中国、丹麦、意大利、法国、英国和葡萄牙。2008年全球新装机容量超过27GW,同比增长42%,风电装机增长率为29%,高于过去5年的平均增长速度。2008年年底,总装机容量达到了120.8GW,美国超过德国,跃居全球风电装机容量首位,同时也成为第二个风电装机容量超过20GW的风电大国。中国超过印度,成为亚洲第一、世界第四的风电大国。到2008年年底,在世界风电累计装机容量中,已有包括美国、中国、德国、西班牙、印度等在内
19、的16个国家超过1GW。在欧盟2007年新增发电装机容量中,风电开始超过天然气发电成为第一大新增电源,占新增容量的46%。欧洲2008年风电新增装机容量为88GW,累计装机容量达到了66GW。美国2007年新增的风电装机也仅次于天然气发电,位居第二。2008年内美国竣工的风电项目容量更是占当年度美国所有新增电力装机的42%,新增装机容量达到8.34GW,同比增长157%,累计增长49.6%,完成新增投资170亿美元。风电在欧美发达国家已经逐步成为重要的替代能源。发展规划20世纪90年代初,欧盟提出了大力发展风电,到2010年风电装机容量到40GW的目标,并要求其成员国根据总体发展规划制订本国的
20、发展目标与实施计划。2007年年初,根据技术发展和能源需求的需要,欧盟又进一步修订了发展计划,希望2010年风电装机容量达到80GW;到2020年风电装机容量达到180GW,发电量达到3600亿kWh;2030年风电装机容量达到300GW,发电量达到6000108kWh,分别占届时欧盟风电装机容量和发电量的35%和20%。2006年,美国可再生能源理事会提出了将可再生能源的比例由目前的4%左右,提高到2025年的25%的发展目标。美国风能协会也提出了未来依靠风电满足国内20%电力需求的宏伟目标。英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本和东欧的波兰等国也开始加速发展风电。1.2.2 我国风电装机容量2
21、004年年底,全国的风力发电装机容量约为764MW。2005年2月可再生能源法颁布之后,当年风力发电新增装机容量超过60%,总容量达到了1260GW。2006年新增装机容量超过100%,累计装机容量超过2.6GW。2007年又新增装机容量3.3GW,累计装机容量达到5.9GW,超过丹麦,成为世界第5风电大国。当年装机容量仅次于美国和西班牙,超过德国和印度,成为世界上最主要的风电市场之一。风电累计装机容量从2003年年末的567MW增加到了2008年年末的12.21GW,增加了205倍。2008年新增装机容量超过印度,成为亚洲第一、世界第四、风电装机容量超千万千瓦的风电大国。2009年新增装机容
22、量13.85GW,累计装机容量为26GW,总装机容量跃居世界第2位。风电设备制造能力风电设备制造业发展迅猛。2005年之前,我国只有少数几家风电设备制造商,它们规模小、技术落后,风电场建设主要依赖进口风电整机。开再生能源法颁布后,风电整机制造企业已超过40家。除金风科技和浙江运达加大投入、迅速扩张之外,东方汽轮机、华锐风电、中国船舶、通用电气、湖南湘电、上海电气、广东明阳、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入我国风电设备制造业市场。1.3 本课题主要研究内容风力发电是一项新能源技术,本课题主要涉及大型风电机组仿真实验台总体方案,并侧重偏航与变桨系统设计,包括三
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