大型风电机组仿真实验台偏航与变桨系统方案设计开题报告

1、 本科生毕业设计（论文）开题报告 论文题目：大型风电机组仿真实验台偏航与变桨系统设 计 学院：机械工程学院 专业班级：机自0904班 学生姓名：郑永宽 指导教师：段振云 日月18开题时间：2012年 3大型风电机组仿真实验台偏航与变桨系统设计 开题报告 1、课题来源及选题依据 1.1风力发电概述 风力发电（Wind Power Generation）是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，

2、一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵） 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同） 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾

3、舵。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对 范围内。6-20M风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。 风力发电的特点是： 可再生的洁净能源；建设周期短；装机规模灵活；可靠性高；造价低；运行维护简单；实际占地面积小；发电方式多样化；单机容量小。 风力发电的种类： 尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向

4、。 1.2 风力发电偏航系统概述 风力机的偏航系统也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。 小微型风力机常用尾舵对风，它主要有两部分组成，一是尾翼，装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角度。为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。 中小型风机可用舵轮作为对风装置，其工作原理大致如下：当风向变化时，位于风轮后面两舵轮（其旋转平面与风轮旋转平面相垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。 大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括感应风向的风向标

5、，偏航电机，偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等。其工作原理如下： 风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。 1.3 风力发电变桨系统概述 变桨控制系统采用三套直流电机伺服控制系统分别对每个桨叶的桨角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过每秒，桨叶控制范围0°-90°每个桨叶分别采用一个带转角反馈的伺服电机进行单独调节

6、，电机转角反馈采用光电编码器，安装在电动机轴上，采集电机转动角度，由伺服驱动系统实现转速速度闭环控制和变桨控制器实现的转角位置闭环控制。伺服电机连接减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶节距角的直接控制。在轮毂内齿圈的安装第二个转角传感器，直接检测内齿圈转动的角度，即桨距角变化，该传感器作为冗余控制的参考值。当电机输出轴、联轴器或转角传感器出现故障时，会出现两个转角传感器所测数据不一致的现象，控制器即可据此判断此类故障。在轮毂内齿圈边上还装有两个接近开关，起限位作用。 变桨距控制系统的供电来自主控制室向上提供的三相400V(带零线)的交流电源，该电源通过滑环引入

7、轮毂中的变桨系统，机舱内部智能充电器将交流电整流成直流电经蓄电池后向逆变单元和备用电源供电。如果交流供电系统出现故障，需要一套备用电源系统向伺服控制器供电，在一段设定的允许时间内将桨叶调节为顺桨位置。备用电源主要由基于铅酸蓄电池的储能机构和充放电管理模块构成，充放电管理模块向储能机构供电，并实现充放电过程的控制管理 均采用直流永磁伺服电机实现桨叶驱动。直流电机伺服控制器硬就件分为控制电路和功率逆变电路两大部分。传统伺服控制采用从内到外依次为电流、速度、位置三闭环的控制结构。采用蓄电池实现储能。使用专用充电装置对蓄电池的充放电进行管理，在不同的温度情况下实现对温度补偿功能。在充电初期实现大电流快

8、速充电，充电时间短。随着的电流的下降进入恒压充电状态，当充电器检测到充电电流足够小的时候，进入涓流充电，其到对 电池的保护作用。: 变浆系统的作用根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发°与风向平电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90 行，使风机停机。: 主要部件组成其构成由直流伺服系统、伺服电机、后备电源、轮毂，变桨控制器构成。 课题主要研究内容1.4本课题主要设计大型风电机组仿真实验台,风力发电是一项新能源技术总体设计方案。并侧重偏航与变桨系统设计。包括三维建模，运动模拟仿 真，装配动画演示等功能。 课题预期达到的目标（主要参数）基本要求1

9、.5 1000r/min。1) 发电机额定转速： 。风电机额定功率：2) 10kwrmin。 3) 偏航转速：14) 变桨转速：1-2r/min。 2、国内外研究现状综述 国内研究现状2.1风能是迄今为止最具大规模开发价值的、清洁并可再生的重要能源，风力发电成为目前我国电网继火电之后的第二大电源，其发电的无规律性、不可控性及反调峰性，在发展到一定规模时，对电网运行，尤其是对调峰造成的影响越来越突出。在规模建设风电场的今天，运行管理所面临的问题又是一个急需解决的问题。我国风电场运行水平与国际先进水平尚有较大差距。以内蒙古为例，1996年4 个风电场总装机容量14475KW，总发电量2254 万k

10、Wh，年平均单位装机发电量为1557kWh/kW，综合容量利用率为17.8%，而目前世界先进水平可达50左右。而我国风电场的运行管理也处于落后水平，与国际先进水平相比尚有很大差距，综合容量系数还不到20%。由于风电场工程规模大，机组台数多，导致占地面积增加，管理区域越来越大，场内电气系统电压等级高、电气设备日趋复杂化，风电场建设投资和上网电价都比较高，部分风电场的发电量较低，鼓励和规范风电发展的政策不够完善。只有加强风电场运行管理，才能保证电网安全稳定运行的前提下，最大限度地吸纳风电。 2.2国外研究现状 风能的开发利用在国外发达国家已相当普及，尤其在德国、荷兰、西班牙、丹麦等西欧国家，风力发

11、电在电网中占相当比重。20世纪70年代发生了世界性的能源危机，欧美国家政府加大补贴投入，鼓励开展风力发电事业。1973年联邦德国风能资源投入30万美元，到1980年投资就增至6800万美元；美国20世纪80年代初期安装了1700多台风电机组，总装机容量达到3 MW；1979年丹麦能源部决定给风轮机设备厂投入补贴，政府拨款建立小型风轮机实验中心，承担发风轮机许可证任务。到20世纪80年代末，全球共有大型风轮机近2万台，总装机容量2 GW。国际市场风力发电美分8成本不断降低，有些条件较好的风力发电场，机组发电成本仅为。从当前世界风力发电情况来看，美分/kWh/kWh，风场运行维修费为1.5运行费用

12、及运行稳定性等指标衡量，无论从风机容量投资、年发电量、 500 kW的中型风电机组都具有较大竞争力。200 、课题研究拟采用的方法和手段3）本次设计为大型风电机仿真实验台偏航与变桨系统。鉴于风机额1（1 和变桨转速：1-2r/min均较小，因此采用:10kw,定功率偏航转速：minr大降速比传动。首先建立几种常用风力发电机的数学模型，建立风速和风力机模型，并利用已建立的数学模型对发电机原理进行探讨，研究各风力发电机的运行特性，并就各种发电机并网时对电网的影响进行理论探讨，特别是与电网有功和无功交换功率及对电网电压的影响进行探讨，找出合适的并网运行控制方案。 （2）通过对风力发电机组尤其是偏航控

13、制系统功能能和原理的研究，深入了解偏航控制系统在风力发电机组中的作用及其结构。 （3）为有效地设计偏航控制系统，还需比较各种对风控制器的优缺点，从而找出一种比较适当的控制算法，设计控制器，画出流程图。并采用仿真软件，针对双馈风力发电机组进行仿真实验，从而对比此方法是否有效。 （4）由于启动和并网的需要，大型风力发电机组需要根据风速仪、风向标等传感器数据，对风、制动、开闸并确定启动，达到同步转速一段时间后，进行并网操作，开始发电。这就要求只有在风向变化时，才需要偏航，而风速变化引起功率变化时，偏航系统不需要动作。所以风速变化在程序设计时需要考虑。 （5）随着系统的控制性能不断提升，采用单片机作为

14、偏航控制系统已和嵌入式系统所代DSP经逐渐被性能更好、处理速度更快、是实行更高的替。因此本设计硬件电路系统准备采用DSP作为系统偏航控制器。 本课题设计内容包括风电机组仿真实验台偏航与变桨系统设计等内容，并运用AutoCAD软件绘图和UG(NX 7.5)软件进行三维建模，最后在运用相关软件进行运动仿真。 4、课题进度安排 周任务及要布置毕业设计任务，查资料，写开题报4完成开题报告和外文翻5根据设计要求拟定课题设计方6与指导教师一齐完善、确定设计方7实验台偏航装置设8完成实验台偏航装置设9变桨系统设10完成变桨系统设11进行系统三维建12 完成系统三维建模 13 运动模拟设计 14 完成图纸：设

15、计工作 15 整理材料，撰写毕业设计论文 16 完善答辩材料，准备答辩 17 正式答辩 18 5、参考文献： 1吴祖育, 秦鹏飞. 数控机床.上海: 上海科技出版社, 2010. 2濮良贵, 纪名刚等. 机械设计. 北京: 高等教育出版社, 2006. 3甘永立. 几何量公差与检测. 上海: 上海科技出版社, 2010. 4于骏一, 邹青. 机械制造技术基础. 北京: 机械工业出版社, 2009. 5孙桓, 陈作模, 葛文杰. 机械原理. 北京: 高等教育出版社,2006. , 2009. 机械工业出版社: 北京. 机械制造装备设计. 冯辛安, 关慧贞67裘文言, 张祖继, 瞿元赏. 机械制图

16、. 北京: 高等教育出版社, 2003. 8张幼军, 王世杰. NX CAD/CAM基础教程. 北京: 清华大学出版社, 2011. 9 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学. 北京: 高等教育出版社,2002. 10 刘鸿文. 材料力学. 北京: 高等教育出版社,2004. 11 成大先. 机械设计手册. 北京: 化学工业出版社, 1993. 12 王连明. 宋宝玉. 机械设计课程设计. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2010. 13 于慎波. 机械制造方向课程设计指导书. 沈阳：沈阳工业大学,2012. 14 朱张校. 工程材料. 北京: 清华大学出版社,2001. 15 王霄, 刘

17、会霞. UG NX 5.0工程师培训教程. 北京: 化学工业出版社, 2010. 16 机械设计实用手册编委会. 机械设计实用手册. 北京:机械工业出版社, 2008. 17简明机械工程词典编写组. 简明机械工程词典. 北京: 中国农业机械出版社, 1990. 18 王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：机械工业出版社，2010. 19 赵炳良现代电力电子技术基础M北京：清华大学出版社，1995 20 叶航冶.风力发电机组的控制技术M.北京：机械工业出版社，2002 21 姚兴佳，刘国喜，朱家岭等.可再生能源及其发电技术M.北京：科学出版社，2010. 22 林渭勋现代电力电子电路M杭州：浙江大学出版社，2002 23 郭新生.风能利用技术M.北京：化学工业出版社，2007. 20 高字雷，晓张可再生能源：中国可持续发展