风力发电机组系统建模与仿真研究.pdf

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1、1绪论1绪论1．1课题研究的背景和意义1．1．1研究背景风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。风力发电的优越性可归纳为五点：①风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。②风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到98％以上，是一种安全可靠的能源。③由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降。风力发电的成本已接近煤电，低

2、于油电和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。④风力发电场建设周期短。单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要三至十年。⑤风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1％的土地，其余99％的广大场地可供农、林、牧使用。由此可见，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视[I-5]。地球上蕴藏的风力资源十分丰富，如果10％的风能得到开发利用的话，那么全球的电力需求就可以得

3、到满足。我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一，lO米高度层的风能资源总储量为32．26亿kW，其中可开发利用的风能资源约2．53亿kW。我国的风力资源主要分布在两大风能地带，内蒙、甘肃、新疆等北部和东南沿海及附近岛屿。近地层可供开发的风能资源情况如下：可能发展lOOkW级以上大型风力机的地区，只占全国总面积的1％左右；可能发展lOkW级风力机的地区占10％，lkW小型风力机的可能发展地区则占40％以上。全国风能资源分布上与煤炭、水能资源有大致互补的特点【6】。风力发电最主要的设备就是风力发电机组。从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成

4、：其一是风轮，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。风力发电机一般由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等主要部件所组成。重庆大学博士学位论文图1．1水平轴风力发电机组的总体结构图Fig．1．1Configurationofhorizontalaxiswindulibhlc在图1．1中，1)是叶轮；2)是轮毂；3)是机舱内框架；4)是叶轮轴与主轴连接；5)是主轴；6)是齿轮箱：7)是刹车盘；8)是发电机的连接：柔性联轴器；9)发电机；10)是散热器；11)是冷却风扇；12)风测量系统：包括风速仪

5、和风向标；13)是控制系统：14)液压系统：15)是偏航驱动；16)是偏航轴承；17)是机舱盖；181是塔架；19)是变桨距部分。风力发电机的种类和形式很多，但由于风力发电机组将风能转变为机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮；因此，风力发电机组依据风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类：一类为水平轴风力发电机组；一类为垂直轴风力发电机组。由于垂直轴风力机无法捕获大量风能，而且需要大量材料，占地面积大，因此商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机。本文的研究重点也以水平轴风力发电机为研究对象。图1．1是目前常用的水平轴风力发电机组并

6、网状况下应用的总体结构示意图。风以一定速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变为机械能，进而通过增速器驱动发电机并入电网。1．1．2课题研究意义我国大型风电技术的开发应用落后于发达的欧美国家。在“八五”和“九五”期间，将风能应用列入了国家重点科技攻关项目，并组织了多家科研单位进行攻关，21绪论取得了一定成绩。在较短时期内实现了技术跨越。在大型风电机组叶片的设计和性能计算能力方面，国内已经有较成熟的方法和工具，而且技术能力比较强，能够完成叶片的气动外形和结构设计、性能计算、载荷计算和气弹稳定性计算。通过国家“九五”科技攻关，国

7、产(惠腾公司生产)的600KW定桨距叶片已为国产整机配套制造了30多片。同时形成了大型叶片的设计、制造工艺、试验、产品售后服务等方面的能力。在失速型风电机组的控制领域，由中科院电工所、新疆大学、金风科技股份公司等单位开发研制了具有独立知识产权的两种600KW电控系统，并分别投入运行两年和一年多，经过了实际运行考验，为今后更大容量风电机组电控系统研制创造了良好条件。在风电机组的关键零部件中，增速箱、发电机已实现了国产化，并针对大型风电机组齿轮箱普遍出现点蚀、微点蚀等现象采取了多种强化措施并收到了良好效果。进入“十五”以后，国家加大了对风能利用的投

8、入力度，将风能作为国家863计划能源技术领域后续能源主题中的一个主攻方向，开展MW级风力发电技术的专题研究。预计在五年内，将诞生国产的MW级失速型风电