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1、 中国矿业大学风力发电机毕业设计（含程序）第一章 绪论311 引言312 国内外风力发电技术的研究现状313 风力发电机组控制技术概述5131 风力机定桨距控制技术5132 风力机变桨距控制技术514 本课题的研究目的和意义615 本文的主要研究工作716 本章小结7第二章 风力发电机的控制理论821 引言822 风力发电机组的组成823 风力发电机组空气动力学理论9231 风力发电机组空气动力学理论基础9232 风力机风轮空气动力学分析1224 风力机变桨距调节原理14241 变桨距控制理论简述14242 变桨距风力发电机组的运行状态1625 本章小结17第三章 变桨系统的总体方案及机械机构
2、设计1831 风力发电的工作状态分析1832 现有的几种变桨系统比较1933 总体方案的设计2034 方案的选取2135 变桨系统的机构设计21351 轮毂22352 变浆轴承23353 变浆齿轮箱24354 电机25355 UPS31356 变浆中心润滑系统34357 润滑剂3636 本章总结37第四章 变桨控制系统的硬件和软件的设计3841 变桨系统的功能概述3842 变桨距系统的控制原理38421 变距控制39422 转速控制A（发电机脱网）39423 速度控制B（发电机并网）40424 功率控制4043 控制系统实现方案45431 变桨控制系统的设计准则45432变桨系统的设计步骤46
3、44 变桨系统的硬件设计46441 逆变电路的设计46442 基准电压设计47443 传感器48444 转速传感器的选用5245 PLC的设计5546 PLC编程软件STEP7-Micro/WIN325947 PLC软件程序设计60第五章 总结与展望63 第一章 绪论11 引言能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体素系极大地推动了人类社会的发展。然而人类在物质、精神生活不断提高的同吋感悟到大规模使用化石燃料所造成严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，因此人类注意到大力开发一种凊洁、安全、可持续能源系统风力发电。太阳的辐射造成地表面受
4、热不均，空气流动产生了风，风能是储量非常巨大可再生能源，它不会因人类的开发利用而枯竭。大力开发、利用风能进行发电，功在当代，利在千秋。风能技术作为一种极具开发前景的能源技术越来越受到重视。我国有丰富的风力资源，适合风力发电的地域广阔，风能利用潜力大，特别是东南沿海及岛屿、新疆和内蒙边远地区常年风季，具有良好的风能利用条件。小型风力机的推广使用，可以很好的解决单个居民或小群体由于电网无法达到而用电难的问题，大型机组的并网发电可以缓解当前工农业生产的用电需要矛盾，所以大力发展风能利用技术对我国社会、经济和环境的可持续发展将起到重要的作用。风力发电机组是风力发电的主要装置，它是风电技术中的核心。最初
5、的风力发电机组大都是设计成能够进行全桨叶变桨距的，因为从最基本的空气动力学角度来进行分析，当风速改变的时候，桨叶桨距角如果能够做出相应的改变，使得气流对叶片的迎风攻角能够保持最佳，这样就能够使风力机对风能的利用效率达到最高。但是在最开始的时候，设计人员对风力机整体运行状况的认识还相当不足，设计出来的变桨距系统的可靠性和实用性都远远不能满足当时风力机正常稳定运行的要求，所以后来进入到商品化的风力机都放弃了在当时设计并不成熟的变桨距机构，而采用了相对结构简单控制方便的定桨距结构，也就是通过桨叶结构设计的自动失速性能来限制当风速超过额定风速时候风力机的功率输出。随着相关学科的发展和风力机理论研究的不
6、断深入，人们对风力机运行的具体情况和桨叶的各种受力状态已经有了比较深入的了解，从功率控制角度，设计人员已经不再满足于仅仅保证风力机运行的稳定可靠，还开始追求更高的风能利用效率。因为采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，并使整个风力机的受力状况大为改善，这对大型风力机的总体设计十分有利。因此近几年来，随着风力机功率的不断提升，变桨距控制技术又重新成为了风力发电机组研究的热点。12 国内外风力发电技术的研究现状在二十世纪九十年代后，风电技术有着迅猛的发展。风能作为清洁的可再生资源受到全世界的重视，国外各风电强国对定桨距风力机和变桨距风力机的设计、控制和运行己有完整的理论和手段，建立了许多大型风电
7、技术研究机构，如美国国家风能研究中心（NWTC）、丹麦的黑绍（RISO）实验室、荷兰的风能研究中心（ECN）等。为了提高经济效益、降低风电单位千瓦造价，风力发电机单机容量朝着大型化方向发展，目前兆瓦级风力机己经是国际风电市场上的主流产品，美国7兆瓦风力机己经研制成功，而英国正在研制10兆瓦的巨型风力机。此外美国国家风能技术中心目前正在研制的自适应变桨距风力机，力图通过桨叶材料上的设计，使桨叶在低于额定风速下保持最优捕获风能状态。当风速高于额定风速时，桨叶在风力的作用下，根据风速的大小做出相应的变形，从而自动改变桨叶的桨距角。我国的风电产业与欧美发达国家相比，起步较晚。二十世纪五、六十年代开始研
8、制微型和小型风电机组，主要用于解决农牧业区的生产和生活问题。在中大型风电机组的设计和制造技术上，一直发展比较缓慢。从1986年山东荣城建立了我国第一个风电场并且并网发电以来，我国的风电产业才开始真正的起飞。但我国风力发电事业在近20年来已取得了可喜的进展。目前，具有自主知识产权的1.5 MW的变速恒频风力发电机组的成功开发，标志我国在风电技术上取得新的突破。但是整体上来说，我国在风电技术的理论和应用研究工作与发达国家存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还十分薄弱，风力发电机组的大型化、变桨距控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还未解决，致使我国大型风
9、力发电机组几乎全部为国外进口产品。因此，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风力发电机组国产化具有重要意义。从风电技术的发展趋势来看主要体现在如下几个方面:(l)风力发电机组大型化、单机装机功率的提高;(2)变桨距控制技术替代了定桨距控制技术;(3)变速恒频风力发电机组的开发和商品化;(4)机械方面的改进，主要体现在通过结构动力学和机械结构优化设计的研究，避免或减少由于风的扰动而引起的有害机械负荷，减少部件所受的应力和有关部件及整体的重量;另一个动向是采用新型整体式驱动系统，集主传动轴、变速箱和偏航系统为一体，从而减少零部件数目，增强传动系统的刚性和强度;(5)空气动力方面
10、的改进，在空气动力方面最重要的发展是进行新型叶片的翼型设计，以捕获更多的风能;(6)海上风力发电场的开发，海上丰富的风能资源和风电技术的进步及经验的不断积累，预示海上风能将在全球范围内迅速增长，也势必推动海上风能的规模化开发及海上风电产业的进步。风力发电机组的大型化、变桨距控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还有待进一步研究和应用，直到今天，我国大型风力发电机组还几乎全部为国外进口产品。因此，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风力发电机组国产化具有重要意义。13 风力发电机组控制技术概述现代风力发电机组的研究和设计从技术上讲，涉及到包括空
11、气动力学、高分子材料、机电控制原理、机械设计与制造学、振动理论等多个学科领域。近年来，这些学科的迅速发展为风力发电机组的研究和设计提供了良好的理论基础，因此现代风力发电技术发展越来越快，单机容量也越来越大。提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电成本是发展风电技术的前提条件，许多学者利用现代控制技术在改善风电系统性能、风力发电机组的优化运行和改进风力发电设备等方面进行了大量的研究。随着计算机与先进控制技术在风力发电领域中的应用，风力机控制方式也从基本单一的定桨距失速控制向变桨距控制方向发展，甚至向智能型控制发展。131 风力机定桨距控制技术定桨距失速控制是传统的控制方式，采用该控制方式的风力机
12、叶片直接固定在轮毂上，叶片的安装角在安装时确定好，在运行期间不能变化。失速型叶片气动外型的设计能够使高风速下通过上翼面的气流出现分离，也就是所谓的失速现象。失速会导致叶片的升力下降而阻力上升，同时随风速增大气动效率下降，限制了风力发电机的最大输出功率。但是受失速特性的影响，通常风力发电机的输出功率在达到额定风速后有所下降。另外，定桨距失速控制的风力机最大升力对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化比较敏感。定桨距失速控制的失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的。当风速变化引起输出功率变化时，通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，从而使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大(与变桨
13、距风力机叶片比较)，轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。132 风力机变桨距控制技术变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨距角，从而控制发电机的输出功率，变桨距控制风力机的叶片通过轴承固定在轮毂上，可以绕叶片的轴线转动来调整叶片的桨距角。在高风速情况下，桨距角随着风速的增加不断向正的安装角度方向调整，减小气流攻角以保持较小的升力来限制功率。由于桨距角可以连续调节，因此在高风速情况下可使发电机的输出功率保持在额定功率，这意味着变桨距风电机组对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化并不敏感。当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用Optitip技术，即根据风速的大小，
14、调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比以优化输出功率。且在刹车时，叶尖刹车装置制动叶轮的同时叶片转动，相当于气体刹车，从而减少了机械刹车对传动系统的冲击，减轻了刹车结构的负荷。综上所述，与定桨距控制技术相比，变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而自动调节，因而能够尽可能更多的吸收风能，同时在高风速段保持平稳的功率输出，如图1-1所示。从风电技术发展趋势来看，小容量的风力机尚可使用定桨距失速控制，大容量的风力机大多采用变桨距控制技术。14 本课题的研究目的和意义随着世界各国对能源需求的持续增长，煤炭、石油等常规能源的逐渐枯竭以及环境污染问题的日益严重，人类越来越重视可再生
15、能源的利用。在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。风力发电具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等优点，被世界各国优先采用，风力发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。我国是人口大国，又是资源相对缺乏的国家，要实现我国全面建设小康社会和社会经济的可持续发展，就必须协调解决好发展、能源、环保的关系。开发绿色能源，大力发展风力发电事业可优化我国能源消费结构，降低对国外石油能源进口的依赖度，具有十分重要的战略意义。风力发电的缺点是风能不稳定，这使得控制技术和伺服传动技术成了风力机的关键技术。随着风力发电机组单机容量的大型化，变桨距控制风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。变桨距风力发电机组并网后可对输出功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有明显改善。同时变桨距系统自身可以组成闭环，变桨距控制系统的水平也得到进一步提高，而我国目前在这一领域的研究还处于起步阶段，与国际先进水平尚有不小差距。开展变桨距的设计与控制的
