设计题目：小型风力发电系统设计

姓名郭国亮

院系食品工程学院

专业热能与动力工程

年级热能本1202

学号20122916100

指导教师刘启一

2015年12 月13 日第一章：风力发电系统设计的概况

1.1设计的目及意义：

1）了解风力发电系统的原理和运行流程。

2）设计小型的风力系统满足地方需要。

3）为了解决能源危机和环境保护、气候变暖等各方面的问题，大力推广可再生能源发展的必要性。

1.2设计原则：

1）可再生，且清洁无污染。

2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。

3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。

1.3设计条件：

设计一个10 KW并网的风力发电系统和控制系统。

1.4发电系统设计方案：

1）恒速恒频发电系统。

2）变速恒频发电系统。

1.5烟台当地风资源概要：

1）烟台地理位置：

烟台市位于胶东半岛北缘，中心地理位置约为：北纬37.8，东经121.23，受季风环流的控制和其他天气形势的影响，该地区的风力资源十分丰富。

2）风资源估算：

切变指数：用于描述风速剖面线形状的幂定律指数，准确计算得预装轮毂高度处的风资源数据，是评估风电场发电估算的条件。

风切指数表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随着高度增加的快慢，其值大表示风能随高度增加得快，其计算公式如下：

幂定公式： α)(1212z z v v = 其指数公式为： )/㏒(z )/㏒1212z v v （=α 式中：

α-为风切指数；

1z -为已知高度；2z -为变化后风速所在高度；m

1v -为高度为1z 的风速；2v -为高度为2z 的风速；单位s m /

由此算得10米风切指数为：0.121； 1.6安装位置风资源的确定：

风力发电机依靠风力转动，为了使风力机能够输出更多的能量，风力发电机安装位置的选择是非常重要的，风力大小除了跟风速有关，还跟气候环境、地理位置、地形、风机安装的高度等因素有关。因此，安装地点的确定主要就是风资源和具体安装位置选择。

1）选择地区需要年风资源较好

安装地点的风资源至少要满足以下三个条件之一，才适合安装风力发电机。而且年平均风速越大越好。

（1）年平均风速s m /4>=

（2）s m /20~3的有效风速累计h 4000~2000以上时效

（3）全年s m /20~3平均有效的风能密度满足2/100m W 以上

2）有较稳定的盛行风向

盛行风向指的是出现频率最高的风向，选址时希望盛行风向能比较稳定。我国是季风性较强的国家，不同季节盛行风有所变化。

4）风机高度范围内“风切变”要小

“风切变”是指风速在水平及垂直方向的突变，尤其在垂直方向的风速变化对风机的影响最大。安装风机应该避开强切变，将风机安装在迎风坡上。

5）湍流强度要小

第二章：风力发电系统结构组成设计

2.1风力发电基本原理：

风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，主要包括风力机和发电机。空气流动的能动作用在风力机风轮上，从未推动风轮旋转，将空气动力能转换风轮的机械能，通过传动装置，发电机将机械能转换为电能，输送给电力系统。

2.2风力发电机整体结构：

风力发电机机组整体结构分为：桨叶、轮毂、发电机自动控制装置、传动系统、逆变器、偏航系统、蓄电池、变桨系统，变流器、风速风向仪和各类传感器、以及塔架等等。

风电机组的电气系统包括以下四个主要部分：变浆距驱动，偏航驱动，发电机部分，控制和监控部分

2.2.1偏航系统

偏航系统的两个作用：

1）与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。

2）提供必要的锁紧力矩，保障风力发电机组安全运行。

偏航系统两个分类：

1）主动偏航：通过电控系统来执行对准风向的偏航方式

2）被动偏航：依靠风力通过机械结构被动完成对准风向的偏航方式。

主动偏航使得迎风过程可以控制，可靠性更高，所以，在这里选择主动偏航装置。结构图如下：

其中，工作原理为：风向风速仪将风速风向的实际测量值传递到工控机，偏航编码器把检测到风机机舱的实时指向角度也传递给工控机，工控机通过算法程序后，把指令发送给偏航驱动器，偏航驱动器最后控制偏航电机，从而决定风力发电机的偏航动作，达到对准风向目的。在偏航过程中，偏航电机通过同轴连接的减速箱带动机舱转动。并且要考虑到风机朝一个方向转3圈后需要解缆的保护措施。

2.2.2变桨系统

变桨系统分类：

1）液压型变桨系统

2）电动型变桨系统

变桨控制方式：失速调节、变桨距调节、主动失速调节

其中，工作原理为：直线位移传感器将检测到的主轴实际位移值传递到工控机，接近开关把检测到的发电机的实时转速传递给工控机，通过算法程序后，把指令发送到变桨驱动器，最后控制变桨电机，从而决定发电机的变桨动作。为了安全，要实时检测变桨电机的温度，并传送到工控机，当温度过高，停止变桨电机工作。

2.2.3变流器

变流器将主发电机发出来的电能整流成直流电，在逆变成与电网匹配的交流电，电能谐波少，质量高。

2.2.4风力发电机

1）按容量分类：小型（kw 10)、中型(kw kw 100~10)、大型（以上kw 100）风力 发电机。

2）按主轴与地面相对位置：水平轴风力发电机和垂直轴发电机。

3）按使用的发电机类型分：鼠笼式异步风电机组、双馈式异步风电机组、永磁 同步风电机组。

4）按风机功率调节方式分：定桨距失速型风电机组、变桨距失速型风电机组。

5）按照应用场合的不同分为：并网型发电机和离网型发电机

2.2.5风轮机

1）组成部分：风轮机包括轮毂、叶片、主轴几个部分，是风力发电机接受风能的部件。

2）叶片数目的确定：一般叶片测量长度为20米，通常2枚或3枚。叶片可以分为变桨距和定桨距两种叶片，其作用都是为了调速，以保证风力发电机输出功率不会超过允许值。

3）轮毂：是连接叶片和主轴和主轴的部件，一般由铸钢和钢板焊接而成，不允许有沙眼、裂纹，并按叶片可承受的最大离心力载荷来设计。

4）主轴：将转子轴心和齿轮箱连接。

2.2.6塔架

为了让风轮在地面上较高的风速带中运行，需要用塔架把风轮支撑起来，这是塔架承受两个载荷：一是风力发电机的重力，二是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。塔架的材料一般是铁管或钢材做成的桁架结构，要根据风力发电机的重量和承受的阻力来确定高度及结构类型。

2.3贝茨理论：

如图：贝茨理论模型

其中：理想风轮由上图中间面积为2S 的区域代替，风经过此处的风度为2V ，风轮前区域面积为1S ，风经过此处的风度为1V ，风轮后方面积为3S ，此处的风速为3V ，其中空气密度为 。

由于空气总流量不变，可以得到：

332211V S V S V S ==

由动量变化可以得出风轮上风的作用力：

)(3122V V V S F -=ρ

因此，可以得到风轮前后的动能变化，即风轮吸收的功率：

)(2

1232122V V V S P -=ρ 由于是理想的模式，因此，可以认为风轮吸收的功率与风轮上风的作用力做的功，即 )(312222V V V S FV P -==ρ

由上式得：

)(2

1312V V V +=

))((412321312V V V V S P -+=ρ 由于风速1V 是不受控制的，即是固定的，我们可以把P 看成3V 的函数，对上式求导得：

))((4123213123V V V V S dV dP -+ρ 又因为：

32

1SV C P p ρ= 所以得： 133

1V V = 31227

8V S P ρ= 此时，P 为理论最大吸收功率。综上所述并计算得到593.0=p C ，为最大风

能利用系数，这表明即使没有任何功率损失，风机的风能利用率最大只能达到%3.59。

2.4叶尖速比：

风轮机以风作为原动能，风轮机的性能的好坏直接影响着风力发电系统对于风能的利用率。风轮机对风能的利用率可以通过风机桨叶的风能利用系数Cp 来表示，叶尖速比λ和叶片桨距角β决定了风能利用系数的大小，叶尖速比为风轮叶片尖端的线速度和当前风速的比值，公式如下： V

R ωλ= )42(- n 60

2πω= )52(- 其中：

ω—为风轮的旋转角速度，

R —为风力机叶片半径，

V —为当前风速，

n —为风轮机的转速，

2.5风能利用系数：

1）风参数：风速和风向

2）风能特点：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广、可分散利用。

3)利用系数：

风能大小实际就是气流流过的动能，风能与风速成正比，而当物体在流体空气中变慢时，流体空气的动能会变成对物体的压力能，所以这个压力与风度的平方成正比，又由于功率是力和速度的乘积，所以功率与风速的立方成正比，如下： 32

1SV W ρ= 由于空气中的能量不可能完全比风轮吸收，1926年，贝茨首次提出，通过

减少风的速度来理论最大优化风能。理论最大优化公式如下：

32

1SV C P p ρ= 2R S π=

式中：

P —是风机吸收的功率，

p C —是风能利用系数，

S —是扫风面积，

ρ—空气密度，

R —风轮的半径，

因此，风能利用系数代表着风机从自然风能中吸收能量的大小程度。

2.6风力发电机组由运行方式分两类：

1）式风力发电机组（发出的电能不并网，通过蓄电池储存）。

2）并网型风力发电机组。

3）

图中，风机主发电机发出的电能，经过变流器，最后送到电网上。而变流器的控制能源一直由电网提供，变流器与电网之间有一个DC

AC/转换器，能将电网的电能转换成V

24直流电，供变流器工作，当风力不足时，变流器不但不能给电网输送电能，反而消耗电网电能，因此长时间检测到风速过低时，要停止变流器工作。蓄电池由电网充电，保证蓄能满，从而保证控制系统电能稳定。当电网出现故障时，变流器不工作，控制系统的电能由蓄电池保证。由此可知，并网型发电机组更加灵活可靠，所以这次设计选用并网型风力发电系统。

2.7控制系统的选择：

如上：风力系统控制流程图

其中：控制系统的主要两个目的为：

1）最大风能捕捉，偏航系统和变桨系统实现最大风能捕捉。

2）功率控制（最大功率追踪、功率转换），变流器实现功率控制。

上图，控制系统中，工控机为风力发电机控制系统的核心，主要负责指挥个模块系统的运行，同时检测、显示和记录各项数据。当异常情况出现时，还要能自动判断，进行保护措施。

工控机的主要作用：

1）接受各类传感器检测到的实时数据，从而掌握风况以及风力发电机运行状态，具体包括风速、风向、转速、组件温度、变流器输出有功功率等。

2）控制偏航系统和变桨系统工作。

3）根据检测到的风速和转速数据，额定功率以前，通过变流器来控制主发电机进行最大功率追踪，额定功率以后，控制变桨系统保持主发电机额定功率发电。

4）控制是否执行保护措施。

2.8最大功率追踪算法：

1）基本的原理：

在一定的风速条件下，通过对等效负载的调整，实现风轮机转速的调整变化，使得风轮机运行在最佳叶尖速比曲线上，从而能够及时的捕获到随机波动的最大风能，并使风力发电机输出功率最大，提高风能利用率，实现系统的优化运行。

2）基本算法：

自然界中风能是一种无规律随机变化可重复利用的巨大能源，想要最大限度利用这一能源，需要采取最优秀的方法，保证实时捕获的风能资源利用率最高，虽然对于不同的功率变换器结构，应该用采取不同的控制方案，但是控制目标始

终是保证每时每刻追踪风能的最大化，使得风力发电设备发出的电能最大。

一．叶尖速比控制算法：

为了表示风轮机运行速度的快慢，通常采用叶尖速比来表征，计算公式如下： V

Rn V R 602πωλ== 其中：

λ—为叶尖速比，

n —风轮机转速，

ω—风轮机旋转角速度，

R —风轮机半径，

最佳叶尖速比控制算法是保持风轮机的叶尖速比始终在最优值处，从而使风力发电机输出功率最大值。原理图如下：

将风速信号与对应的风轮机转速信号进行比较作为控制器的输入信号，并与系统最佳叶尖速比值进行对比分析，从而使系统构成一个闭环控制系统。当计算得到的叶尖速比值不为最佳值时，系统根据偏差值的大小进行调整，从而使系统输出功率达到最大值。

二．功率信号反馈控制算法：

此种方法需要获得大量的历史风能数据，测量风轮机的转速，在一定程度上增加了系统的成本和复杂程度。

第三章：机器设备选型计算

3.1风力机的选型确定：

3.1.1.基本参数的确定： 1.叶片数：3=B

风轮的叶片数取决于风轮尖速比，一般来说，要得到很大的输出扭矩就需要较大的叶片实度；现代风力发电机组实度较少，一般只需要1~3个叶片。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较高的风能利用系数，既有较大的转矩，而且启动风速低，适用于提水。而叶片数少的风力机则在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，但启动风速高，因此适用于风力发电。

3叶片风轮有以下优点：平衡简单，动载荷小；3叶片使风力发电机组系统运行平稳，基本消除了系统的周期载荷，输出较稳定的转矩；3叶片风轮通常能提供较佳的效率；3叶片风轮从审美的角度来说更令人满意；3叶片风轮的受力平衡好，轮毂可以简单些；噪声相对较小。

2.切入风速：s m V in /3= 即发电的最低风速；

3.切出风速：s m V out /25= 即发电的最大风速；

4.额定风速为：s m V /10= ；

5.风能利用系数：3

6.0=p C 即额定功率下的风能利用系数；

6.各部分效率：传动系统效率取95.0η1=；发电机效率取96.0η2=；变流器效率取96.0η3=；

7.风力发电机组额定输出功率为kw P 10=；

由此可得：

风轮的直径为：

m C V P D p 123.8ηηη83

213==πρ 其中：

D -为风轮直径，单位m

ρ-为空气密度，取值为3/225.1m kg

λ-为叶尖速比，取值为5

所以风轮直径选择2.8=D m

由式)52)(42(--得：

风轮转速为：min /5.116260r R

V n ==πλ

由此风力机选择如下：

3.2齿轮箱的选择确定：

由上述求得：m D 2.8= 所以：

2748.251.414.322m R A =⨯⨯==π 其中：

A -为扫风面积，2m ；

R -为风轮半径，m ； 所以，风力机的有效功率为：

3121

AV C P p ρ=

W P 43.56771000748.25225.136.02

1

1

=⨯⨯⨯⨯= 取齿轮箱效率为95.0，则： 齿轮箱的增速比为：43.5677100001

0P P n n i ==

min /2.20543

.56775

.116100000r n =⨯=

3.3发电机的选择确定：

发电机类型：双馈异步变速恒频式发电机

发电机的输出功率为：kw P 10=

额定功率：kw P P 46.111.196

.010

η1.13=⨯=⨯=

额 （预留%10的裕度）

3.4变流器功率选择：

变流器将主发电机发出来的电能整流成直流电，在逆变成与电网匹配的交流

电，电能谐波少，质量高。

变流器的功率通常为风电机组的额定功率的1/2~1/3，考虑到风电机组的可靠性，通常为风电机组额定功率的1/2。

由此得：

kw 73.51

==P P 变

3.5控制系统的控制方式：

控制流程图如上7.2所示，其控制方式为：远程监控。

1.偏航系统选择：

主动偏航使得迎风过程可以控制，可靠性更高，所以，在这里选择主动偏航装置。其流程图如上1.2.2所示； 2.变桨系统选择：

变桨系统控制方式：电动型变桨系统，其流程图如上2.2.2所示；

3.6塔架的高度及结构设定：

1.塔架载荷计算：

除了风载荷外，风电机组的几乎所有的载荷也都将传给塔架，按风电机组的载荷源分类又要有：

1）风轮等构件承受的空气动力载荷；

2）重力和惯性载荷：由重力、振荡、旋转以及地震等引起的静态和动态载荷；

3）操作载荷：在机组运行和控制过程中产生的载荷。如功率变化、偏航、变浆以及制动过程产生的载荷等；

4）其他载荷：诸如尾迹载荷、冲击载荷、覆冰载荷等； 最大历史风速的暴风工况的推力计算：

由于烟台历史最大风速为：s m /8.32，（预留%20的裕度）； 所以s V 的取值为：

s m V s /36.392.18.32=⨯= 由推力计算公式：

B V A F s b ⨯⨯=784.0 其中：

A -为风轮的投影面积，2m ； s V -暴风工况时最大风速，s m /；

B -为风轮叶片数；

最终算得推力F 为：N F 51.94008=

由于风速与距地面高度有关，增加塔架高度可使风轮获取更多的风能，但制造更高的塔架也需要更多的材料，使其造价相应增加。

根据塔架最大承受的载荷及风能资源利用效率、成本的综合比较选择塔架的高度、材料及结构。

通过这次的风能发电系统的设计，从里面学到很多东西，风能是可再生的新能源，应用在日常生活的各个方面，这次风能发电系统设计基本贴近我们的生活，所以学习这方面的知识尤其重要。这次设计花费了挺长时间的，从查资料到借书学习，都需要一个过程，尤其学习风能发电系统的各个设备及结构，以前做的冷库设计一般网上都能找到一些模板，并且资料很齐，而这次设计的风力发电系统设计，基本没有模板参考，很多都需要自己看书学习，然后一点点的整理计算出来的，所以也许做的不是很好，但是真心能从里面学到的东西很多。

其实这次的风力发电系统设计要计算的包括很多方面，但是由于对风力发电系统没有过实体的考察，很多比较材料系数，及结构组成、当地的风资源情况方面不是很清楚，所以不是做的很详细。我个人觉得课程设计相当于模拟训练，实战演习，我们每一位同学也转而变成了研究院里的一名设计师，承包了一项大工程，从实地考察到确定设计方案，从设计计算到施工绘图每个过程我们都要认认真真，实事求是，本着负责谨慎的态度，使我们的设计合理实用，经济舒适。尽管如此，由于理论知识储备不足和实践经验的严重缺乏，设计中不可避免地出现了各种错误。还好我们有所认识，有所领悟，我们会在以后的工作中加以改正，补充不足。不管怎样，课程设计还算顺利，能够按时完成。

实践出真知。失败是成功之母。从错误中吸取经验和教训，保证以后不再犯类似错误。经验丰富了，知识也就成熟了。随着课程设计的不断深入，我也逐渐发现自己所学的专业知识不够用，对风力发电系统、控制系统、并网系统的了解并不透彻，总之有许多不足。通过这次设计，我确实提高了各方面的能力，增长了许多知识，积累了丰富的经验，对以后的工作有很大的帮助。

在此谢谢指导老师和同学们的悉心教导和帮助。

第五章：参考文献

1）《风能利用技术》化学工业出版社郭新生主编2）《电力电子技术》机械工业出版社杨耕主编3）《可再生能源》董丽萍主编4）《风能与风力发电技术》化学工业出版社张志英主编5）《风力发电》中国电力出版社王承熙主编下载本文