風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)摘要：本課題所研究的異步發(fā)電機(jī)是目前最理想的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，前景非常樂(lè)觀。本文重點(diǎn)介紹了目前風(fēng)電場(chǎng)中所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,包括風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)及恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：新能源；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；變速恒頻；電磁計(jì)算ABSTRACT:Thislessonastudythethreephaseasynchronousmachinesisthebestwindturbinegeneratoratpresent.Themaintopicsmentionedhereareaboutwindturbine,powerregulationofwindturbineandinductio

2、ngeneratorinwindfarmswithelectricalpowersystem.Keywords:Newenergyresource；Windturbinegenerator；Varietyinvariablefrequency；electromagneticcalculation0引言風(fēng)能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動(dòng)因的，而且隨著時(shí)間的推移，開發(fā)利用風(fēng)能的動(dòng)因也在變化。20世紀(jì)80年代以來(lái)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制取得了巨大進(jìn)展。1987年美國(guó)研制出單機(jī)容量為3.2MW的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。1987年加拿大研制出單機(jī)容量為4.0MW的

3、立軸達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于魁北克省的凱普-柴特。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，單機(jī)容量在100KW以上的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國(guó)、荷蘭、西班牙等國(guó)取得了快速發(fā)展。到20世紀(jì)90年代，單機(jī)容量為100200KW的機(jī)組已在中型和大型風(fēng)電場(chǎng)中成為主導(dǎo)機(jī)型。同時(shí)單機(jī)容量在1MW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也研制開發(fā)成功，并在風(fēng)電場(chǎng)中成功運(yùn)行。中國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升?！笆濉逼陂g，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍將持續(xù)每年10000兆瓦以上的新增裝機(jī)速度，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點(diǎn)，市場(chǎng)前景看

4、好。1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近最佳值，從而可以最大限度地利用風(fēng)能。另外，對(duì)于恒速風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，巨大的風(fēng)能將通過(guò)風(fēng)輪機(jī)傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，如果這種過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)會(huì)引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致制造成本增加。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取變速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)風(fēng)速躍升產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪吸收以功能的形式儲(chǔ)存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大的扭矩和應(yīng)力。當(dāng)風(fēng)速下降

5、時(shí)，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)，風(fēng)輪的加速、減速對(duì)風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用，使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件的應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下共同的優(yōu)點(diǎn)：1) 最大限度的捕捉風(fēng)能。2) 較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，以適應(yīng)由于風(fēng)速變化引起的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。采用一定的控制策略(如矢量PWM)可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)而言這種系統(tǒng)電網(wǎng)圖1.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為使風(fēng)力機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行有效的控制?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求：1) 風(fēng)

6、能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2) 運(yùn)行過(guò)程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負(fù)載變化作用下具有魯棒性；3) 控制代價(jià)小即對(duì)不同輸入信號(hào)的幅值有一定限制，如調(diào)向的時(shí)問(wèn)等；4) 最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機(jī)在每一種風(fēng)速時(shí)，輸出的電功率達(dá)到最大，額定風(fēng)速以上時(shí)則保持輸出電功率為常量；5) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，需要一種功率轉(zhuǎn)換裝置將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能控制為恒頻。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：1) 發(fā)電機(jī)把風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?) 發(fā)電機(jī)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件(如GIR、IGBT、GTO等)構(gòu)成的AC/D變

7、流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻的交流轉(zhuǎn)換為直流。3) 直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。4) 網(wǎng)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件構(gòu)成的DC/AC變流器，采用某種控制方法使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)。5）變壓器通過(guò)變壓器以及一些開關(guān)設(shè)備和保護(hù)設(shè)備，把電能變?yōu)楦邏航涣麟姡ㄈ鏻lkV或33kV等）。其中24可稱為變頻器，其能量流向在某些控制方案中是雙向的，上述變頻器為交一直一交變頻器，也有采用交一交變頻器的。另外，在有的方案中發(fā)電機(jī)的全部功率通過(guò)變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過(guò)變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)能轉(zhuǎn)換系

8、統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能時(shí)，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機(jī)以超同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這個(gè)特征在速度高于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)損失了風(fēng)能，也就是說(shuō)，該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行的。為使異步發(fā)電機(jī)作為一種變速、恒頻裝置運(yùn)行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個(gè)整流器、一個(gè)直流耦合變換器和一個(gè)有源逆變器相連，使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導(dǎo)體整流器整流為直流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機(jī)。此時(shí)整流器和逆變器兩者組成了一個(gè)從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置。控制逆變器的逆變角，就可以改變逆變器的電壓。該異步發(fā)電機(jī)是作為一臺(tái)雙輸出感應(yīng)

9、發(fā)電機(jī)以超同步速度運(yùn)行的。這實(shí)際上是異步發(fā)電機(jī)的串級(jí)調(diào)速在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。整流器逆變器圖2.1雙輸出異步發(fā)電機(jī)的工作原理工作原理圖雙輸出異步發(fā)電機(jī)的工作原理工作原理如圖2.l所示。2.1三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求及額定數(shù)據(jù)參考異步電動(dòng)機(jī)的電磁計(jì)算程序確定電機(jī)的電磁負(fù)荷，計(jì)算定子、轉(zhuǎn)子沖片和鐵心各部分尺寸及繞組數(shù)據(jù)，進(jìn)而核算電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)及性能，并對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)做必要的調(diào)整，直到達(dá)到要求。但異步電動(dòng)機(jī)與異步發(fā)電機(jī)是有差異的，故不能直接引用而必須重新分析計(jì)算。以下所述內(nèi)容均基于上海電器科學(xué)研制所出版的中小型三相異步電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算程序1）滿載電勢(shì)系數(shù)1-£取值范圍不同，異

10、步電動(dòng)機(jī)一般在0.850.95之間,e而異步發(fā)電機(jī)的要大得多，一般在0.951之間；2）異步電動(dòng)機(jī)中1-£二1-（T-r+廠.x）,由于異步發(fā)電機(jī)中u與I之間的ep1k111夾角大于90。，因而某些項(xiàng)目的符號(hào)必須改變；3）異步電動(dòng)機(jī)中廠=k-X-（廠）2-1+（k-廠）2用于異步發(fā)電機(jī)時(shí)誤差較大,km1pmk應(yīng)導(dǎo)出新的計(jì)算公式。4）電動(dòng)機(jī)計(jì)算鐵耗時(shí)對(duì)應(yīng)于空載時(shí)的電勢(shì)，而發(fā)電機(jī)滿載時(shí)的鐵耗應(yīng)對(duì)應(yīng)于滿載電勢(shì)E=1-8；0e5）r用r=（i-8）/廠更接近發(fā)電機(jī)實(shí)際情況。mmeu另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還要注意適當(dāng)提高發(fā)電機(jī)的過(guò)載能力和功率因數(shù)，在保護(hù)線路上也要采取措施。2.2三相異步發(fā)電機(jī)電磁

11、計(jì)算程序(1) 額定功率P=600KWN(2) 額定電壓U=690V；U丄二£n二398.4VNMJ3PP(3) 功電流I=-n二=502.04AKWJ3UmUN1N©(4) 效率耳=0.96(5) 功率因數(shù)cos申=0,88(滯后)6) 極對(duì)數(shù)p=27) 定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z1=48,Z2=40(取q1=4)8) 定、轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)：Z定子p二2p=12Z轉(zhuǎn)子ZP2=2p=io9）定、轉(zhuǎn)子每極每相槽數(shù)：定子Zi=_Z=4p12pm轉(zhuǎn)子Z=Z2=10/3p22pm10）定子外徑：由經(jīng)驗(yàn)公式可得2極對(duì)小型電機(jī)滿載電勢(shì)標(biāo)么值K=0.92+0.008861nP=0.975EN計(jì)算功率：P

12、p'=K'n=664.773x103VAECOS申'初選a'=0.72,K'=1.12,K'=0.98,A'=46000A/m,pNmdp1B'=0.72T,假定n'=1450r/min.于是得：56.11p'V=-a'K'K'A'B'n'pNmdp15=0.10685m3取九=0.74則D'二3空V=0.569mi1九兀D，=D'/（D/D）=1.015m1i1i1根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸最后確定D1=1.02m11）定子內(nèi)徑D=0.57mi1鐵心的有效長(zhǎng)度Vl

13、二=0.329mefD2i1取鐵心長(zhǎng)l=0.325mi（12）氣隙由經(jīng)驗(yàn)公式0.3（0.4+人：'D7）x10-3=1.02xlO-3m13）轉(zhuǎn)子外徑D2=0.568m14）轉(zhuǎn)子內(nèi)徑D=0.08mi215）鐵心有效長(zhǎng)度（無(wú)徑向通風(fēng)道）l=1+0.325+2x1.02x10-3=0.327mefi兀D（16）極距t=f=0.4477m2P17）定、轉(zhuǎn)子齒距：nD定子t1=Z=0.0373mZ1nD轉(zhuǎn)子12="Z2=0.0448m218）定子繞組采用單層繞組（19）轉(zhuǎn)子斜槽寬（b取一個(gè)定子齒距t）于是b7=0.0375msk1sknDA'cospnx0.57x46000x

14、0.88“（20）每相導(dǎo)體數(shù)N=鋰二=48血mI3x502.041KW單層線圈N=每相線圈匝數(shù)=3s1(21)每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)N=s11=4801ma11N每相串聯(lián)匝數(shù)N二甘1=24（22）繞組線規(guī)設(shè)計(jì)NA=牛=98.36mm2i1c1aJ'11I'（定子電流初步值）=丄刊=570.5A1cosp'23)槽滿率：初步取B'=1.5Ti1估計(jì)定子齒寬tB'b二1§i1KB'Fei1=0.0373X0.72=0.01885m1)2)3)4)24)1)2)初步取B'j1ta'Bh=ps_j12KB'Fej1=1.5Tb=

15、0.0196mi1槽面積h22O.4477X0.72X0.72=0.977m2x0.95X1.25h=0.0008m,h=0.078m,r=0.014m)012121二0.142,h二0.0005,r二0.00&b二0.02425)0222i22r+bnr'-21一11(h'-h)+去=0.00217m22s2(訃0.021m)槽絕緣占面積：槽有效面積槽滿率繞組系數(shù)分布系數(shù)短距系數(shù)單層A=人(2h'+兀r)=0.00059m2iis21A=AefKdpKd1Kp1-A=0.00158m2iN_i1Aef=KKd1p1Ns1d2X100%=.qasm1_27aqs

16、in12.4x20。sin220。"4sin20.78(符合要求)牆二O'9254=sin邙=1210.95x1.511所以K=KK=1x0.9254=0.9254dpd1p1(25)每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)J富=48X0.9254=443 結(jié)束語(yǔ)根據(jù)前面的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)得出以下結(jié)論：本發(fā)電機(jī)采用雙輸出異步發(fā)電機(jī)，采用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。電機(jī)具體參數(shù)如下表：表3-1.電機(jī)基本參數(shù)電機(jī)基本參數(shù)額定輸出功率600KW額定功率因數(shù)0.88額定電壓690V極數(shù)4極頻率50HZ效率0.9594轉(zhuǎn)速1490轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)矩2.45牛米槽滿率0.78電路類型三相星型表3-2定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)定子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)定子槽數(shù)48轉(zhuǎn)子槽數(shù)40定子外徑1.02m轉(zhuǎn)子外徑0.568m定子內(nèi)徑0.57m轉(zhuǎn)子內(nèi)徑0.08m定子槽型短距