风力发电机设计

高等教育自学考试 毕业设计 论文 题目题目 风力发电机设计 专业班级专业班级 09 级机电一体化工程 姓名姓名 指导教师姓名 职称指导教师姓名 职称 高级工程师 所属助学单位所属助学单位 20112011 年年 4 4 月月 1 1 日日 大学毕业论文 I 目 录 1 绪论 1 1 1 风力发电机简介 1 1 2 风力发电机的发展史简介 1 1 3 我国现阶段风电技术发展状况 2 1 4 我国现阶段风电技术发展前景和未来发展 2 2 风力发电机结构设计 3 2 1 单一风力发电机组成 3 2 2 叶片数目 3 2 3 机舱 4 2 4 转子叶片 5 3 风力发电机的回转体结构设计和参数计算 5 3 1 联轴器的型号及主要参数 5 3 2 初步估计回转体危险轴颈的大小 5 3 3 叶片扫描半径单元叶尖速比 6 4 风轮桨叶的结构设计 6 4 1 桨叶轴复位斜板设计 6 4 2 托架的基本结构设计 6 5 风力发电机的其他元件的设计 6 5 1 刹车装置的设计 6 6 风力发电机在设计中的 3 个关键技术问题 7 6 1 空气动力学问题 7 6 2 结构动力学问题 7 6 3 控制技术问题 7 7 风力发电机的分类 7 8 风力发电机的选取标准 8 9 风力发电机对风能以及其它的技术要求 8 9 1 风力发电机对风能技术要求 8 9 2 风力发电机建模的技术是暂态稳定系统 9 9 3 风力电动机技术之间的能量转换 10 10 风力发电机在现实中的使用范例 10 结论 12 致谢 13 参考文献 14 大学毕业论文 II 摘摘 要要 随着世界工业化进程不断加快 能源消耗不断增加 全球工业有害物质排放 量与日俱增 造成了能源短缺和恶性疾病的多发 致使能源和环境成为当今世界 两大问题 因此 风力发电的研究显得尤为重要 我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置 这造成风电场无功补偿的投资很大 文章结合实例 通过对不同发电量下风电场 的无功损耗和电压波动情况进行计算 提出利用风力发电机的无功功率可基本实 现风电场的无功平衡 风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据 对于 发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场 应利用风力发电机的 无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量 降低无功补偿的投资 关键词 风力发电 风电场 无功补偿 电压波动 大学毕业论文 III Abstract As the world industrialization is accelerating and energy consumption increases unceasingly increasing global industrial harmful substances emissions caused energy shortage and malignant disease cause the energy and environment are two major problems in the world today Therefore wind power research is particularly important Wind reactive power compensation in China within the way the wind farm is installed inside concentrated collection station reactive power compensation devices which caused wind farm reactive compensation investment greatly Combined with examples through different under the wind capacity of reactive power loss and voltage fluctuation situation this paper puts forward the calculation of reactive power wind generator can realize the basic reactive power balance the wind of change is busbar voltage wind power at the reactive power compensation according to the selection of equipment for generating capacity of busbar voltage changes caused by the fluctuation of wind power requirements do not exceed the wind generator should use the reactive power decrease in collection station reactive power compensation devices reduce the capacity of the reactive power compensation investment Keywords wind power wind farm reactive compensation voltage fluctuation 理工大学毕业论文 1 风力发电机设计风力发电机设计 1 绪 论 1 1 风力发电机简介 自然界的风是可以利用的资源 然而 我们现在还没有很好的对它进行开发 这就向我们提出了一个课题 我们如何开发利用风能 自然风的速度和方向是随机变化的 风能具有不确定特点 如何使风力发电 机的输出功率稳定 是风力发电技术的一个重要课题 迄今为止 已提出了多种 改善风力品质的方法 例如采用变转速控制技术 可以利用风轮的转动惯量平滑 输出功率 由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置 当它将电能输出输送 给电网时 会产生变化的电力协波 并使功率因素恶化 1 2 风力发电机的发展史简介 我国是最早使用风帆船和风车的国家之一 至少在 3000 年前的商代就出现 了帆船 到唐代风帆船已广泛用于江河航运 最辉煌的风帆时代是明代 14 世 纪初叶中国航海家郑和七下西洋 庞大的风帆船队功不可没 明代以后风车得到 了广泛的应用 我国沿海沿江的风帆船和用风力提水灌溉或制盐的做法 一直延 续到 20 世纪 50 年代 仅在江苏沿海利用风力提水的设备增达 20 万台 随着蒸汽机的出现 以及煤 石油 天然气的大规模开采和廉价电力的获得 各种曾经被广泛使用的风力机械 由于成本高 效率低 使用不方便等 无法与 蒸汽机 内燃机和电动机等相竞争 渐渐被淘汰 欧洲到中世纪才广泛利用风能 荷兰人发展了水平轴风车 18 世纪荷兰曾用近万座风车排水 在低洼的海滩上 造出良田 成为著名的风车之国 德国 丹麦 西班牙 英国 荷兰 瑞典 印 度加拿大等国在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力及资金 充分 综合利用空气动力学 新材料 新型电机 电力电子技术 计算机 自动控制及 通信技术等方面的最新成果 开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统 发展了变浆距控制及失速控制的风力机设计理论 采用了新型风力机设计理论 采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型 研制出了变极 变滑差 变速 恒频及 低速永磁等新型发电机 开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群 的自动控制技术 从而大大提高了风力发电的效率及可靠性 到了 19 世纪末 开始利用风力发电 这在解决农村电气化方面显示了重要的作用 特别是 20 世 纪 70 年代以后 利用风力发电更进入了一个蓬勃发展的阶段 理工大学毕业论文 2 1 3 我国现阶段风电技术发展状况 中国现代风力发电机技术的开发利用起源于 20 世纪 70 年代初 经过初期发 展 单机分散研制 系列化和标准化几个阶段的发展 无论在科学研究 设计制 造 还是试验 示范 应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高 并取得 了明显的经济效益和社会效益 我国对风电已有部分优惠政策 包括以下几个方面 1 风电配额 制定出常规火电污染排放量分配比例 由全国所有省区共同分摊 的政策 2 风电上网电价 落实风电高于火电的价差摊到全省的平均销售电价中 制定 出按常规水电污染排放量分配比例 由全国所有省区共同分摊的政策 按地区具 体情况定出风电最高上网电价的限制 并保持 10 年不变 促使业主充分利用资 源 降低成本 3 售电增值税 发电增加了新的税源 建议参照小水电 核定风电销售环节增值 税率为 6 4 银行贷款 为降低风电电价 减轻还贷压力 建议适当延长风电还贷期限 还贷期增至 15 年 为风电项目提供贴息贷款 5 鼓励采用国产化风电机 为采用国产化风电机的业主提供补贴和贴息贷款 补偿开发商的风险 帮助初期国产化机组进入市场 得到批量生产和改进产品的 机会 以利降低成本 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象 按风力的强度 等级来估计风力的大小 国际上采用的是英国人蒲福 Francis Beaufort 1774 1859 于 1805 年所拟定的等级 故又称蒲福风级 他把静风到 飓风分为 13 级 1 4 我国现阶段风电技术发展前景和未来发展 风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术 而且 风力机具有不同于通常机械系统的特性 动力源是具有很强随机性和不连 续性的自然风 叶片经常运行在失速工况 传动系统的动力输入异常不规则 疲 劳负载高于通常旋转机械几十倍 7 对于这样的强随机性的综合系统 理工大学毕业论文 3 2 风力发电机结构设计 2 1 单一风力发电机模型组成 图 2 1 风力发电机模型电路图 单一风力发电机模型由两个基本部分组成 降阶双涡轮惯性模型和驱使风力 的力矩 在本文中 我们假设发电机是一个标准的异步电机直接连接起来的网络 这也是最常见的配置方法 其结构如图 2 1 所示 2 2 叶片数目 风力发电机叶片的数目的确定可以根据以下公式来计算 有效传动比 实际涡轮转速 额定涡轮转速 电气频率基数 每个叶尖惰性体 每 个叶片根部惰性 惯性 惯性涡轮轴传动力 惯性力 发电机轴转子的惯性力 叶 片刚度 叶片阻尼 气动风力矩 发电机电气扭矩和叶尖角度通过齿轮传动反映 出发电机轴向角 计算这个角需要有叶片断裂的惯性力和弹簧减振器的相关参数 如果叶片放置在不破裂的正确位置 然后得到的机械模态形状就会正确了 研 究的突破点主要在一个刀片力学性能上 可以从有限元分析或试验的叶片得到相 应的数据 这个关键的数据似乎发生在第二个节点弯曲的叶片上 在研究实例个 案上 降阶系统的灵敏度放置不当的突破点是很大的 所幸的是 最先进的叶 片或制成品设施 如在国家可再生能源实验室的设施 有所需的资料用以确定叶片 INU 逆变单元 ISU 供电单元 电网 上位控制系统 转子侧交流器 INU 两侧交流器 ISU 变桨调 节传动 单元 制动器 发电机 滤波器 LCL 滤波器 传动单元主接触器和 充电电路 主熔断器 Crowber er 主电路断路器 中压开关 线路变压器 理工大学毕业论文 4 的断裂点 电力工程师只需要这一信息请求便可轻易计算出典型制造的数据 还 可以计算出知识系统的第一型机械固有频率的使用刚度 哪里第一模型机械研究技术领先 其机械的固有频率与系统连接到一起的几 率就大 例如 在上一节系统的系统情况就是这样 一般来说 制成品可以提供 这样的频率范围 它可以很容易的用制动脉冲对水轮机进行计算和分析 在大多数 情况下叶片阻尼很小 并假定为零 在旋转机中 衡量叶片的刚度是用弹簧刚度 来计算的 主要衡量叶片的边缘刚度 可以看出 计算刚度是依靠俯仰的角度的 这也仅限于从零度至 10 度的典型情况 根据这一限制表明 差异很小的不同位 置需要设置不同的点 这意味着 根据实验的支持 这是水轮机模型很小敏感性 变异系统的准确的俯仰角 假设一个理想的转盘来进行风力矩的计算 在叶尖部 分反映出的实际速度 加上空气密度的影响 通过清扫面积的叶片的磨合 计算 出了机组的功率系数 不幸的是 这不是一个常数 然而 大多数涡轮制成品的 特性反映出同一条曲线 曲线表示 作为功能机组的叶尖速比 叶尖速比的定义 是自由风速度比涡轮叶片的冰山速度 风力发电机模型结构图如图 2 2 所示 图 2 2 风力发电机模型结构图 2 3 机舱 机舱包容着风力发电机的关键设备 包括齿轮箱 发电机 维护人员可以通 过风力发电机塔进入机舱 机舱左端是风力发电机转子 即转子叶片及轴 理工大学毕业论文 5 2 4 转子叶片 转子叶片的作用是捉获风 并将风力传送到转子轴心 现代 600 千瓦风力发 电机上 每个转子叶片的测量长度大约为 20 米 而且被设计得很象飞机的机翼 轴心 转子轴心附着在风力发电机的低速轴上 低速轴 风力发电机的低速轴将 转子轴心与齿轮箱连接在一起 在现代 600 千瓦风力发电机上 转子转速相当慢 大约为 19 至 30 转每分钟 轴中有用于液压系统的导管 来激发空气动力闸的运 行 齿轮箱 齿轮箱左边是低速轴 它可以将高速轴的转速提高至低速轴的 50 倍 高速轴及其机械闸 高速轴以 1500 转每分钟运转 并驱动发电机 它装备 有紧急机械闸 用于空气动力闸失效时 或风力发电机被维修时 发电机 通常被称为感应电机或异步发电机 在现代风力发电机上 最大电 力输出通常为 500 至 1500 千瓦 偏航装置 借助电动机转动机舱 以使转子正对着风 偏航装置由电子控制 器操作 电子控制器可以通过风向标来感觉风向 图中显示了风力发电机偏航 通常 在风改变其方向时 风力发电机一次只会偏转几度 电子控制器 包含一台不断监控风力发电机状态的计算机 并控制偏航装置 为防止任何故障 即齿轮箱或发电机的过热 该控制器可以自动停止风力发电 机的转动 并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员 液压系统 用于重置风力发电机的空气动力闸 冷却元件 包含一个风扇 用于冷却发电机 此外 它包含一个油冷却元件 用于冷却齿轮箱内的油 一些风力发电机具有水冷发电机 塔 风力发电机塔载有机舱及转子 通常高的塔具有优势 因为离地面越高 风速越大 现代 600 千瓦风汽轮机的塔高为 40 至 60 米 它可以为管状的塔 也 可以是格子状的塔 管状的塔对于维修人员更为安全 因为他们可以通过内部的 梯子到达塔顶 格状的塔的优点在于它比较便宜 3 风力发电机的回转体结构设计和参数计算 3 1 联轴器的型号及主要参数 由于主轴末端轴颈为 80mm 选择 HL6 型弹性柱销联轴器 其主要参数为 9C 体积小 重量轻 相同条件下 比普通渐开线圆柱齿轮的重量轻 1 2 以上 1 2 到 1 3 传动效率高 适应性强 传动功率范围大 3 2 初步估计回转体危险轴颈的大小 1 回转体 由于回转体位于整体装置的重心偏后 200mm 处 所以桨叶 桨 叶轴 圆盘 增速器和托架对回转体会产生正向弯矩 发电机对回转体产生负向 弯矩 回转体由 回转轴底盘 加强钣金 回转轴轴承轴肩 回转轴推力轴承轴 段 回转轴危险轴段 滑动轴承注油口 回转轴轴向定位段 安装滑环轴段 轴 向定位螺母 轴向定位挡板 回转体上联接板 铜套 无缝钢管 推力轴承等部 分组成 7 其中回转轴的左右摆动问题通过滑动轴承来解决它能很好的解决 由于顶部重心偏向前而引起对轴的弯矩 加强了回转轴的抗弯强度 回转轴挡板可以在安装过程中防止回转轴脱落下滑 回转轴中心钻出 的通 孔此处为发电机输电线路 因回转轴固定在塔架上当风向改变对风时套筒上方连 理工大学毕业论文 6 接的所有部件随着套筒一起转动铜套与套筒为过盈配合 铜套与回转轴之间用润 滑油润滑所以输电线路不会缠到一起 3 3 叶片扫描半径单元叶尖速比 我们的研究已表明 可以假设固定情况下极高的风力条件下进行暂态稳定研 究 这是因为典型的变异叶尖速比下一个 10 秒的瞬态叶尖比小 假定风并没有 显著的改变模拟时间 实际上 涡轮轴的扭矩实际上是一个调制版 调制是众 所周知的 而且主要是考虑由于大楼遮蔽和力学失衡的作用 在专业人员和模式 上才能出现典型的调制频率 注 1 人 是一种模式 每一个涡轮叶片 我们不 把这些效应考虑在内 我们假定扭矩引起的暂时性故障比调制扭矩的多 许多其 他研究者已进行了这个假设 今后的研究将侧重于检验这一假设 在一般情况 下 双涡轮惯性模型在这里是一个相对稳健的模式 涵盖了许多汽轮机运行条件 所有模型参数相对恒定 缺少敏感性的俯仰角度 4 风轮桨叶的结构设计 4 1 桨叶轴复位斜板 水平轴风力机的风轮一般由 1 3 个叶片组成 本设计中取 6 片桨叶 它是 风力机从风中吸收能量的部件 叶片采用实心木质叶片 这种叶片是用优质木材 精心加工而成 其表面可以蒙上一层玻璃钢 9 在本设计中桨叶材料选用落叶松作为内部骨架 桨叶轴从左至右安装零部件 分别为 桨叶轴复位斜板 桨叶轴支撑轴承座 轴套 光轴 轴向固定螺母 垫 片 加强钣金 桨叶夹槽 4 2 托架的基本结构设计 托架是放置轮盘 主轴 增速器 发电机以及回转体 滑环和刹车装置等 附件的 它分两层上层为支撑轮盘 主轴 增速器 刹车装置和发电机 下托板 与回转体上端面联接 中间放置滑环和滑轮组件 滑轮组件是把刹车装置的钢 丝绳缠绕在滑轮上改变其方向令钢丝绳与托板不能接触 5 风力发电机的其他元件的设计 5 1 刹车装置的设计 由于机械维修以及意外情况的发生需要对风轮机进行刹车 所我们在增速 器高速轴侧加装一轮毂并在轮毂外安置刹车装置通过拉拽钢丝绳带动刹车带使风 轮转速降低直至停止 刹车带的复位由弹簧套筒内的弹簧来保证停止刹车后刹车 皮与轮毂不在接触 滑环是在一绝缘圆筒外壁镶嵌三到四个圆环并相应放置电刷电刷的另一端连 接发电机的输出电线电缆 在绝缘圆筒内引线一直通到地面的变电所 理工大学毕业论文 7 6 风力发电机在设计中的 3 个关键技术问题 6 1 空气动力学问题 空气动力设计是风力机设计技术的基础 它主要涉及下列问题 一是风场湍 流模型 早期风力机设计采用简化风场模型 对风力机疲劳载荷和极端载荷的确 定具有重要意义 另一是动态气动模型 再一是新系列翼型 6 2 结构动力学问题 准确的结构动力学分析是风力机向更大 更柔和结构更优方向发展的关键 6 3 控制技术问题 风力机组的控制系统是一个综合性的控制系统 随着风力机组由恒速定浆 距运行发展到变速变浆距运行 控制系统除了对机组进行并网 脱网和调向控制 外 还要对机组进行转速和功率的控制 以保证机组安全和跟踪最佳运行功率 2 5 在横向力 R 的作用下底板链接接合面可能产生滑移 根据底板接合面不滑移条件 并考虑轴向力 F 对预紧力的影响 则各螺栓所需要的预紧力为 查得联结接合 面间的摩擦系数 f 0 35 查得螺栓的相对连接刚度系数 0 2 取可靠性系数 1 2 则各螺栓所需要的预紧力为 f 1 2 0 2 螺栓所受的总拉力 六片桨叶 桨叶轴与圆盘整体自重作用在主轴上的力 N 弹性柱销联轴器制造容易 耐久 性好 安装维护方便 传递转矩大 为防止脱销 柱销两端用螺栓固定了挡板 适用于轴向位移大 正 反转或启动频繁传动 因此选用弹性柱销联轴器 7 风力发电机类型 根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点 国内目前 发电机一般分为二类 1 异步型 1 笼型异步发电机 功率为 600 125kW 750kW 800kW 12500kW 定子向电网输送不同功率的 50Hz 交流电 2 绕线式双馈异步发电机 功率为 1500kW 定子向电网输送 50Hz 交流电 转子由变频器控制 向电网间接输送 有功或 无功功率 2 同步型 1 永磁同步发电机 功率为 750kW 1200kW 1500kW 由永磁体产生磁场 定子输出经全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电 2 电励磁同步发电机 由外接到转子上的直流电流产生磁场 定子输出经 全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电 根据叶片形式的不同 现有风力发电机分为以下两类 理工大学毕业论文 8 1 水平轴 世界上目前利用最多的形式 功率最大 5MW 左右 2 垂直轴 21 世纪初由中国 日本 欧洲几乎同时发明的一种新型风力发电机 有别 于最早的垂直轴风力发电机 达里厄型 效率高于水平轴风力发电机 无噪音 和转向机构 维护简单 已成为欧美市场中小型风力发电机的首选 世界上目前 最大功率是由上海模斯电子设备有限公司 MUCE 生产的 50 千瓦垂直轴风力发 电机 日本最大功率 30 千瓦 英美国家生产的功率在 1 千瓦到 10 千瓦之间 最近 国内外多家公司提出了建造超大型垂直轴风力发电机的计划 10MW 此项计划得到落实后 由于成本远低于目前的风力发电机 必将逐步取代水平轴 风力发电机 成为世界新能源的主力军 8 风力发电机的选取标准 1 根据机械 负载性质和生产工艺对发电机的启动 制动 反转 调速等要求 选择发电 机的类型 2 根据负载转矩 速度变化范围和启动频繁程度的要求 考虑发电机的温升限制 过载能力和启动转矩 选择发电机的功率 并确定 冷却通风方式 所选电动机的功率应留有余量 负荷率一般取 0 8 0 9 3 根据使用场所的环境条件 如温度 湿度 灰尘 雨水 瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的 保护方式 选择发电的结构形式 4 根据企业的电网电压标准对功率因数的要求 确定发电的电压等级和类型 5 根据生产进行的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程 性能的要求 以及进行减速机构的复杂程度 选择发电机的额定功率 9 风力发电机对风能以及其它的技术要求 9 1 风力发电机对风能技术要求 大家对风能的发展展现出了浓厚的兴趣 伴随着使用风力发电机的热潮 现 在需要对电力动态系统 电力传输规划的设计评估 本文的第一个目的是提出 理工大学毕业论文 9 一个准确的低阶动态模型的风力发电机组 它是 符合现代机电暂态模拟计算机 程式的 本文中 开发的模式着重于水平轴的风力发电机 或风力机直接连到 同步网时采用异步发电机 这其中还包含许多现代大型发电系统 由于大型风 力装置的构建是由许多个风力发电机组成的 风力发电场的建模是一个迫切的需 求 因此 本文的第二个目的是提供一种方法 它结合数个风力发电机连接到 一个电网上 然后通过一个共同模式整合成一个单一的等效模型 风力发电机 主要分为定速或变速 以最小单位 涡轮驱动的感应发电机为例 它是直接连接 到电网上的 涡轮转速变化很小 那是由于陡坡的发电机转矩和转速的特性所 制 因此 它被称为定速系统 还有变速装置 发电机连接到电网利用电力电 子变换的技术使涡轮速度受到控制 以最大限度地表现出来 例如 电力的控制 这两种方法在风力工业均非常普遍 在本文中 我们将目光集中在建模定速装置和等效模拟几个固定转速风力 发电集成园 第一种典型的风力机械频率是在 0 至 10 赫兹范围 这也是各种机 电振荡的频率 因此 这涉及到机械振动的风力互动学与机电动力学 这方面 的例子参见本文 因此 为了构建一个精确的模型 风力发电机可用于暂态稳 定的研究 第一种涡轮机械动力学必须能准确的代表模型 这里的风力发电机 模型建出了导电模型 减少了一个详细的 650 阶有限元模型的一个典型的横向轴 气动力和机械动力的减少与非线性四阶双涡轮惯性模型相结合生成了一个标准 发电机模型 模拟计算表明了模型的精确性 几个风力发电机连接到传输系统上 通过一个单一的模型建模 因为每个涡轮暂态稳定系统都过于繁琐 我们的目 的是整和风力发电园成为相当于风力发电机模型的极小系统 我们对等价建模的 风园涉及到把所有涡轮以同样的机械固有频率整和成单一当量的涡轮机 模拟结 果表明 这种方法能够提供准确的结果 9 2 风力发电机建模的技术是暂态稳定系统 模拟结果表明 固定频率的风力发电机组主要集中在以下两个主要方法 第一种方式是把汽轮机和发电机转子作为一个单一的惯性体从而忽略系统的机械 固有频率 第二种方式是把涡轮叶片和枢纽之一的惯性体接上发电机加上一个 弹簧 在所有这些论文中 弹簧刚度的计算是从系统的主要部分中提取的 我们的研究显示 较第一型机械频率来说第二型才是至关重要的一个精确的模型 有限元分析表明 第一类动力的变化主要是因为灵活的涡轮叶片不够精确 根 据建模方法的算法 我们得知的主要事实是 小而灵活的机械部件是涡轮上的刀 片 结果集中表明了几个风力发电机系统和降阶风园模型的类型和与类型相结 合的方法 这些模型中的大部分都采用动量理论来计算气动力 我们对发展涡轮 动力的一个降阶模型为出发点 把所有机械和气动涡轮机动态效果以高度详细的 用机电射程的形式表示出来 在这个还原过程中 是以消费者的角度来分析涡 轮轴驱动发电机的 目的是为了准确反映轴转速和扭矩特性与最小模型的秩序和 复杂性 数值调查表明 机械气动和机械效应的一个例子所展现的测试系统实 现了有限元建模环境 该系统是一种新兴的横向风轴机床 包括三个 31 7 米叶 片 叶片的一套点俯仰角度为 2 6 一个 82 5 米的主轴 它们的额定功率为 18 2 RPM 和 1 5 兆瓦 在 15 米 秒的风速条件下 汽轮机是透过一个简单的 异步发电机模型直接连接到 60 赫兹的机械 它还利用 ADAMS 有限元软件 来自 机械动力学 公司 加上毫微克 即由国家可再生能源实验室 软件进行模拟 这两个软件一起被称为亚当斯 所有参数测试系统的模型研制出一个现实的大型 理工大学毕业论文 10 机器 整个系统包含 325 个自由度 包括非常详细地模拟动力和外部作用力 由于机械设计中的大多数水平轴风力涡轮机极为相似 结果使该方法的适用面 广 研究者在用亚当斯 分数制进行了研究以后 还广泛接触了以一个制动脉冲 对该系统的瞬态响应的研究方法 为了模仿长达 0 1 毫米的三相短路 发电机轴 对电路的混乱反应进行了分析 系统的反应是一个阻尼振荡的过程 详细的拟 态分析表明 系统的振荡是由于外层部分的叶片振动对两者的内在部位的叶片的 作用 这样的结果是很典型的 现代风力涡轮叶片非常大 有弹性 而且往往颤 动 1 表明 它主要包含 4 Hz 分量 这也是典型的大型涡轮机 它通常有第一 型机械自然频率在 0 至 10 赫兹范围内 因为这个范围也是典型的机电振荡频率 范围 这还是风力涡轮机的关键频率范围 而研究者会倾向于研究机电振荡的 频率 模态的第一振荡模式会产生一系列的主导反应 一个典型的系统 内部 惯性主导地位取决于叶根和发电机的惯性量 许多研究者都推断整个涡轮机和发 电机成为一个单一的惰性体从而忽略第一机械型动态系统的作用 别人都认同第 一动态模式 但不认同模式叶片弹性模式 相反 这些作者都假设叶片是一个惯 性体而把模型涡轮轴作为一个弹簧体 但是 在一个典型的系统中 轴上的刀片 相比其他元件来说灵活得多 我们的研究表明 第一机械模式的叶片可以与竖轴 作为一个刚体 我们的研究还表明 正确建模是研究力学的关键 以获取准确的 瞬态仿真结果 9 3 风力电动机技术之间的能量转换 因为主要组成部分能量是短暂的 那是由于汽轮机的惯性能量的影响 而 且失速型风力涡轮机可准确模拟这种方式 乙发电机模型中的标准做法是行之有 效的建模发生器 标准而详细的两轴感应机模型是用来代表异步发电机的 由此方 程可知 凡是暂态开路的时间常数 滑移速度 都是同步的电抗 还是暂态电抗 而 且并在 D 轴和 q 轴定子电压中 并在 D 轴和 Q 轴的每单位定子电流中 转矩的 计算是从定子电流的计算中得到的 是通过发电机模型参数计算出的相关参数 风园造型中的风园分为几个风力发电机连接到传输系统中整和为一个单一的 系统 这需要建模 因为每个涡轮暂态稳定 可过于繁琐 我们的目标是整和风园 成为一套最起码的等效模型 等价建模风园涉及到把所有涡轮以同样的机械固有 频率成一个单一相当于涡轮机的系统 每个这些等效的涡轮然后连接到异步发电 机上 甲相当于水轮机模型的前提 我们的做法是 因为轮机都离不开一个共同 的系统 每个涡轮也受到了同样的干扰力矩 因此 涡轮机的性能相似于震荡阶 段 因此涡轮可合并为一个平行的机械组合 模态分析风力公园系统支持这个假说 考虑要予以合并的涡轮相同的自然频率机械 那么等于涡轮建模方程中 弹簧 和阻尼条件汽轮机分别是惯性体 涡轮得到的风力矩是利用 并迫使水轮机具有 相同输出功率为涡轮的总和 是机组的功率系数为涡轮机 乙相当于发电机模型 用异步发电机参数的纳加权平均法来进行计算 用此方法 相当于机床参数和计 算 以加权平均纳每一科的异步电机等效 H c 10 风力发电机在现实中的使用范例 在风速 12 米 秒的情况下进行的测试 该系统还设有四个同步发电机 每个 同步发电机配备了调速器和励磁系统 瞬态标准模型是随着励磁和调速用于同步 发电机的模型 下列所有模拟执行了修改版的电力系统测试 电力系统的工具箱 作了修改以允许模拟风力发电机的情况 8 风力发电机组显示出的两个混乱的组 理工大学毕业论文 11 成造型 在系统 15 日之后开放路线的循环故障 研究者分析的双涡轮惯性反应 表明两种模式的振荡 一块 4 5 赫兹模式和一个 2 0 赫兹的模式 4 5 赫兹模式 是机械方式的汽轮机和 2 0 赫兹模式是机电模式的汽轮机 类似的分析中的一个 惯性反应表明只有一个模式 在 240 赫兹范围内 它是一种机电模式 由于失误 单一惯性系统图在第一摇摆区间出现了振荡反应 电力工程师可能会得出不同的 结论 不同的瞬态系统和小信号稳定性能的系统 一个惯性反应表明 一个稳定 的系统 以较低的首摆动偏差和高振荡阻尼这样的形式运动会更稳定 如其他的 例子证明的情况下 单一的惯性反应 发生在稳定和更精确的双惯性反应之间时 是不稳定的 这个例子表明了等效风园的等效建模方法 两个惯性与一个惯性涡轮 响应 实际运动的系统 以从 17 日至 16 日为例子 21 个风力发电机每接到一个 系统里后 17 日就通过一项简短的输电线路整和成一个系统 所有风力发电机 是相同的双惯性系统 通过建模两例进行比较 首宗案件是一个具体的模型 每 个风力发电机在该风园都是仿制的个体 这实际上形成了 126 阶模式的风园 今 年在头前 7 个风力发电机驱动下 风速 14 米 秒 并通过一条长 1 公里的配电线 路接到系统 17 路 第二组七个所带动的风速为 11 米 秒 并通过 2 公里的配电 线路接连到系统 17 日 对第二个例子 风园是仿制单一相当于风力发电机的使用 方法中的第五节 6 阶模型 显示出了风园实际运行能力 从 3 中可以看出 等效 模型非常准确地代表了详细的一个风力发电系统 其它仿真案件也证明这是正确 的做法 我们比较两个惯性降阶汽轮机的响应 根据有限元模型 惯性模式的每种 模式 然后连接到通过一个感应发电机 响应的有限元模型是列图 1 5 惯性模 式再现了每个叶片边缘和瓣弹簧减震器 在代