1、本科毕业论文（20 届）船用可变桨距风力发电机设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要能源的风能成为世界各国普遍重视的能源，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。变桨距功率控制是当今大型风力机的关键技术之一，本文对风力机变桨距控制技术从仿真到试验、从理论到实践进行了较为全面的深入研究。风能作为一种可再生能源越来越受到全球各个国家和政府的重视。风电相关设备和关键技术的开发研究与此同时也越发成为企业界和科技领域重点探讨的项目之一。风能利用技在全球获得了非常广泛的运用和快速发展，风力发电机也渐渐向商业化、大型化发展。 京
2、都议定书的签订和实施，日后风电会比传统的矿物燃料发电更有竞争力。在能源消耗日益增长濒临枯竭，环境污染日渐严重的今天，作为可再生绿色论文首先从风力发电最基本的风能资源入手，简述了有关的风的变化、风速取值、风能估计、风力发电功率计算以及风力发电的基本原理，得出变桨距变速恒频控制的理论基础。并对风力发电机中重要的叶片进行了一定的研究，包括相关的整体外形尺寸的计算与根据空气动力学选取最佳叶片翼型的横截面。电动机的独立桨叶控制是变桨距控制的一种重要方法，本文详细设计了独立变桨距执行机构。风电机的风轮控制包含变桨距和偏航两种。变桨距和偏航系统是风能机组关键部件，对风力发电机组的风能利用效率以及风力机组整体
3、的成本会有直观的影响。这里简单的研究了一下风力发电机的组成和组件，风叶是风力发电机的重要组件，它直接决定了风力的能否有效利用。所以风叶的研究设计是很重要的。同时简单的设计了一下调速器，并就几种发电机做了简单的介绍和研究。关键词: 风能；风叶； 调速器；发电机 ；变桨距控制；变速恒频本科生毕业论文IIAbstractNow with energy resources being consumed increasingly to be exhausted and environment empoison being serious gradually, wind power is paid gre
4、at attention to by more and more countries as renewable resource and pollution-free energy resource.Wind as a renewable green energy, with the growing in the verge of depletion of energy consumption and environmental pollution increasingly serious today, more and countries around the world and gover
5、nment pay attention to wind energy. At the same time, wind power related equipment and key technology research become one of items increasingly focused on the study areas of business and technology. In the global, wind energy technology has access to a very wide range of application and rapid develo
6、pment. Wind turbines industry gradually become commercial, large scale development. “Kyoto Protocol” has signed and implemented , wind power will be more and more competitive than conventional fossil fuels in the future. In the thesis, the variable-speed constant-frequency pitch-controlled the oreti
7、cal basis is put forward by research of wind turbine aerodynamic characteristics and is proved rationally by model emulation. Based on the domestic element and process level. The semi-physical simulation test-bed equals to the real pitch-control wind turbine. The model predictive control is adapted
8、for pitch control. Support vector regression algorithm is used for wind turbine nonlinear system identification to identify wind turbine nonlinear system. Because the different ialcircuit is used in the electro-hydraulic proportional pitch-controlled system, the model of feathering is different from
9、 that of back paddling. Therefore the two models are switched in the predictive control course. Considering that torque impact has greatly effect on the life length of gearbox, the torque load limited constraint condition is added to predictive control. The individual pith control by electromotor is
10、 also another good power control method. The actuator is designed in the thesis. The control strategy is to combine fuzzy control with the weight number that is mainly decided by the acceleration and the blade azimuth angle. The simulation result indicates that when the wind speed is higher than the
11、 rated speed, the pitch load fluctuation is greatly reduced and the out put power is kept around the rated speed. The here studied in brief once the wind power machine constitute and module, breeze the leaf is the important module of the wind power machine, it come to a decision the wind force and c
12、an make use of effectively directly. So the breeze leafs research design is very important. Designed in brief to adjust once at the same time soon machine, and pumped the generator to do the simple introduction and researches for several kinds.keywords: wind energy; breeze the leaf; adjust machine;
13、the generator；pitch-controlled本科生毕业论文III目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 世界风力发电技术发展 .21.3 风的变化 .21.3.1 风的变化一般情况 .21.3.2 风速的取植 .31.4 风能资源 .51.4.1 风能的概念及计算 .51.4.2 风力发电机功率的计算 .61.5 风能发电原理 .71.5.1 风能密度 .71.5.2 有效风速和有效风能密度 .81.6 风力发电机组的结构形式 .8第二章 计算叶轮的直径 .102.1 风力发电机叶轮的计算 .102.1.1 叶轮直径的计算 .102.1.2 叶片的数目及其面积的计算
14、.112.1.3 叶轮的转速（ 转/分 ） .112.2 叶片的结构形状设计 .112.2.1 叶片的剖面选择 .112.2.2 叶片尺寸的选择 .122.2.3 叶片翼型面的计算 .16第三章 调速器的设计与发电机的选择 .183.1 调速器相关 .183.2 调速器种类 .193.3 发电机的介绍 .193.3.1 同步发电机 .203.3.2 异步发电机 .20本科生毕业论文IV第四章 风力机变桨距控制理论研究 .224.1 功率调节控制技术 .224.1.1 失速调节 .224.1.2 桨距调节 .224.1.3 偏航控制 .224.2 风力机的主要控制技术 .234.2.1 定桨距控
15、制风力机技术 .234.2.2 变桨距控制风力机技术 .234.2.3 定桨距与变桨距控制的比较 .234.3 风力机的组成原理 .244.4 变桨距风力机空气动力学基础 .244.4.1 叶片翼型的空气动力学与几何形状特性 .254.4.2 叶素特性 .264.4.3 变桨距角调节原理 .264.5 变桨距风力发电机特点与运行状况 .284.5.1 变桨距风力发电机组的特点 .284.5.2 变桨距风力发电机组的运行状态 .29第五章 变桨距传动机构的设计与分析 .315.1 变桨距传动机构的设计 .315.2 变桨距风力机及其控制方式 .315.3 电液变桨距控制系统 .325.3.1 位
16、置传感器 .335.3.2 控制放大器 .335.3.3 变桨距连杆机构设计 .345.4 风力发电机组电动变桨距系统的研究 .345.4.1 电动变桨距系统概述 .345.4.2 机械部分 .355.4.3 驱动部分 .365.5 其它变浆调速机构 .375.5.1 中小型风力机的叶片控制 .37本科生毕业论文V5.5.2 轮毂及其控制系统 .38第六章 塔架 .40第七章 附属部件 .41第八章 关于重心稳定装置的设计构想 .428.1 构想 .428.2 原理 .42小 结 .43致 谢 .44参考文献 .45本科生毕业论文1第一章 绪论1.1、引言风能是一种可再生、无污染、取之不尽用之
17、不竭的能源，和水能等其他可再生能源相比较，风能有其广阔的发展前景和优势。特别是近些年来，随着传统能源资源逐渐枯竭这一危机的日益严重和世界各国对保护生态环境的重视，风能在全世界得到了广泛的重视和应用。风能的利用包括了提水、发电等等多种技术。其中风力发电技术由于具有无可比拟的优点，越来越受到世人的瞩目。我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一。据统计，中国可开发风能资源总量约为 10亿千瓦，其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量丰富，是中国大陆风能储备最丰富的地区。近海风能资源约为陆地的 3 倍。目前，我国积极加紧风力发电设备国产化，降底设备生产和风场建设成本，并取得一定的进展，600 千瓦机组
18、已经具备一定的生产能力。我们国家的风电场的建设相比整个世界的发展水平，就当前来说，还是有一段相当长的距离的。总结我国风电发展的进程，究其原因，主要是没有在引进和吸收从国外获得的风电设备的基础上开发研究，这导致我国现阶段建造的风电场几乎其设备都是进口的。这最终使得我国在风能方面的电价高、投入高，相比水电、火电市场竞争能力弱。因此，为了构建国家风力发电技术平台，解决我国风力发电产业中的重大共性和关键技术问题，国家科技部积极推进国家风力发电方向的技术研究。现已经基本具备风电机组整机设计、载荷计算、零部件设计和样机实验测试等方面的能力，具有全国风力资源最好的达坂城风电机组实验电场。由此可见，我国已经进
19、入风电发展的高速期。风能在我国具有巨大的前景，并将带来一系列的经济效益。风力机的定义是把风能变成电力能源的一种机械装置。风轮是风力机的最重要的组件，它是由叶片和轮毂组成的，风轮的性能的直接影响到整个机组的性能。怎么才能保证风力发电机稳定和高效的运行，是一直以来人们关切的重点。如果要让风力发电机在不同的风速下都能够保持较高的功率输出，使用桨叶节距调节的方法，实时变换桨叶叶片的最佳攻角，使风力机跟踪最大功率输出系数。高风速的时候，通过调节叶片节距，叶片攻角随气流而变，保持稳定的功率输出。在启动过程中同时也需要运用变浆距获得足够的起动力矩。所以，我们的第一选择应该是变桨距风力发电机。可是出于在风力机
20、发电状况在最初的不足，导致变浆距风力发电机的设计性能无法达到安全运行要求。因此，由于从风力发电机的运行安全考虑，现金世界各国实现商业化的风力发电机组大多数采用定浆距失速调节控制。定浆距失速风力发电机有一个非常突出的缺点，即当风速超过额定风速时，风力发电机输出功率急剧下降，使得风力发电机在额定风速以上的工况和运行效率也急剧下降。为了克服这一致命缺陷，人们在深入了解风力发电机的运行工况和受力状态的前提下，重新开始注重变浆距系统的研究开发，以获得不断优化的功率输出曲线。同时，采用变浆距系统也奖明显改善风力发电机的受力状况，这时风力发电机组的总体设计十分有利。本课题将要研究的是一种装配风压式全程变浆距
21、调速机构的风力发电机。通过变浆距机构的作用，加强对风力发电机的控制，使风力发电机能适应各种风速的变化。在初始风速易于启动；在设计风速与初始风速之间能够过的较篙的风能利用系数；当大于设计风速时，能够起到限速作用，保证风力发电机的平稳运行。本科生毕业论文21.2、世界风力发电技术发展风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流风力发电机组的功率，已上升到 600 一 750kW, MW 级的机组也已成批生产， 2MW 级的机组已在试验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也不断增长，容量为 2MW 的风力机叶轮扫风直径达 72m。
22、目前最长的叶片已做到50m。桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行的空气动力环境不同于直升机。对桨叶叶型更进一步的改良，增加了风力机捕捉风能的效率。举个例子来说，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大 20%。目前，丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力于新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕获更多的风能。地处平坦她带的风力机，在 50m 高处
23、捕捉的风能要比 30m 高处多 20% 。尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近几年来发展了一种变速风力发电机组，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴与风力发电机组轴直接相连，电机转速根据风的速度改变而做出相应调整，产生的交变电流的频率同样产生变化，频率不定的交流电由地面的大功率电力电子变换器赘流成直流电，最后转换成和电网频率相同的交变电流。由于它是在几乎各种的风速状况都可得到较理想的空气动力效率，所以捕捉风能的效率提高了。有实验显示，6.7m/平均风速时，变桨距风力机组能捕获比一般机组多 15%的风能。因为改善了传动系统各部件的受力状况和机舱重量减轻，风力机组的承重减轻，其运行维护费用也较
24、低，塔架等基础费用也可降低。风电场今后的发展趋向将集中在:提高机群安装场地选择的准确性; 提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制; 进一步降低设备投资及发电成本; 总装机容量在 1MW 以卜的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容最将主要是百千瓦以上至兆瓦级的;改进机群布局的合理性。此外，发展海外风电场也成为新的大型风力发电机组的应用领域而受到重视。瑞典、西班牙、丹麦、德国、等国都在规划较大的海上风力发电场。这是由子海上的风速较陆土大且稳定，一般陆土风电场设备平均利用为 2000h，高的是 2600h，而在海上却可高于 3000h。为方便施工浮吊，建在海上风电场水深一
25、般为 3 一 8rn 处，所以就成本而言，同装机容量比陆上增加 60 %(海土基础占 23% ,线路占 20% ,陆上仅占 5%)左右，但发电量可以增加 50%以上。1.3、风的变化1.3.1、风的变化一般情况风是随时随地可以产生的，它的方向不定、大小不同。在气象学上，把空气的不规则运动称为“紊流” ，垂直方向的运动叫做“对流” ，所以风特别强调相对于地面水平方向的运动。(1)风的日变化在一天之中，风的强弱，具有周期性。同样也跟该地区的气压分布面差异有关。但一般来说，上述原因属次要。陆地上是白天风强，夜间风弱。而相反不同的是，高海拔空域是白本科生毕业论文3天风弱，夜里风强。这个逆转的临界位置在
26、高度为 100 一 150 m 的空中。此外，在沿海地区，由于陆地和大海的热容量不同，在沿海地区，夜晚产生陆海风，白天产生海陆风。同样，由于山脊和山谷的温度不同，在山岳地带，白天刮谷风，夜晚刮山风。(2)风的季节变化风除了具有随机性，季节性的变化特点也很明显，日夜变化也有规律。大陆与海洋的热容量不同，陆地的比热比海洋小，冬季内陆的.断气压流向海洋的低气压，所以在北半球冬季多刮北风，夏季多刮南风。海水热容量大，升温慢，陆地热容量小，升温快，气压低，空气容易七升，所以白天海风多刮向陆地，而夜间陆风常刮向海洋，大型湖泊附近也有类似的情况。由于地形不同，风的形成也不同，太阳辐射山顶受热快，白天山风上升
27、，夜间山风向下。上述原因构成了风的周期性、多样性和复杂性。我国地域辽阔，季风强盛。但青藏高原的存在改变了海陆影响，常引起气压分布和大气环流的变化，增加了季风的复杂性。冬季又受西伯利亚和蒙古的影响，常有冷空气形成寒流。夏季在太平洋上常形成热带旋风，使我国东南沿海地区夏秋之间常出现台风，这对风能利用会有一定的特殊影响。(3)风随高度的变化风速随高度的增加而变化。地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障碍物的磨擦所造成的。经测量，在离地而 20m 处的风速为 2m/s，而在离地 300m 处则变成 7一 8rn/s。风速随高度的相对增加量因地面异，大致上可以用下式表示（11）nooHV式
28、中 V-高度为 H(m)时的风速，m/s-高度为 （m）时的风速，m/s oo一般取 Ho 为 10m，修正指数 n 与地面的平整程度(粗糙度) 、大气的稳定度等因素有关，其值为 1/2 一/18,在开阔、平坦、稳定度正常的地区为 1 /7。中国气象部门通过在全国各地测风塔或电视塔测量各种高度下得出。的平均值约为 0.160,20，一般情况下可用此值估算出各种高度下的风速。为了从自然界获取最大的风能，应尽量利用高空中的风能，一般至少安比周围的植物及障碍物高 8 一 10m。1.3.2 风速的取植我国气象站观测风速的方法通常有两种：一种为自记平均风速，每天 24h 各测取10min，取其平均面另
29、一种为日测 4 次或 3 次定时观测平均风速，每次测取 2min，取其平均值。这两种方法之间有统计方法上的差异。为了统计标难的统一，给出下列由最小二乘法导出的经验公式对非自记站风速进行订正：海岛(年平均风速4ms 的地区)：Y 0.35+0.885X11r 0.99海边(2.9m年平均风速4m。的地区) ：本科生毕业论文4Y 0.21 十 0.94X ;22r 0.99内陆(年平均风速2.9ms 的地区，Y 0.62 十 0.68X ，33r 0.99式中： Y 、Y 、Y 日测 4 次，每次测取 10min 的自记平均风速 (ms)；123X 、X 、X 日测 4 次，每次测取 2min 的定时平均风速(ms)；r 、r 、 r 相关系数；起始有效风速的取值 风力机的最小运行风速( 起动风速)为 35ms，其中高速风力机为 45ms ，低速风力机为 33.5ms。表 1.1 表明，当小时平均风速为 3ms 时，对最小运行风速为 4ms 以上的风力机不起作用，而最小运行风速为 3ms 的风力机也只能运转 25min。在上述情况下，风力机时断时续地工作，则难以获得应有的效益。小 时 平 均 风 速 （m/s）最小运行风速 2 3 4 5 6风 速 持 续 率 以 1 小 时 内 运 转 几 分
