30kw风力发电机效能提升方法研究 (2).docx

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1、毕业论文（设计）题目 30kw风力发电机效能提升方法研究学 院 轮机工程学院 专 业 船舶电子电气工程班 级 船电1712 姓 名 邢旭伟 学 号 201621024026 指导老师 陈庆鹏、林洪贵 2021年 3月29日030kw风力发电机效能提升方法研究摘要 风力发电逐渐成为当前发电系统中的重要成分，在通过对风能的更加有效合理利用，有效缓解了我国当前电力短缺的问题，更加有效地驱使了我国在电力行业等电气技术方面的发展，同时也为我国人民群众的生产生活提供了必须的物质能源供应。在科技进步和社会发展的驱动之下，当代风力发电技术得到了空前的发展速度，由于力学、机械学等多方面内容的研究应用，风力发电升

2、级及转化程度也越来越高。在风力发电技术的绿色且可持续性发展之下，风能转化成电能更高效率的能源在人们心中的渴望度越发强烈。本文对30kw风力发电机的效能提升方法研究也将从如何提高风能利用率，加强电能质量入手。30kw风力发电机采用双风轮模式为研究对象，采取双风轮模式，有效提高了对风能的利用率和对各区间风速的有效利用。再对其基本的结构、基本工作原理进行研究分析论述。选用并网系统，通过对风力发电并网系统的整流、升压、逆变、控制、加强和输出所产生交变电流的质量，达到将风电并入储能公用电网的目的。在该基础的前提上，设计简单研发双风轮风力发电机并网控制调节系统。从双风轮风力发电机的风能最佳捕获利用率、并网

3、动力构成和提高电流变化质量等入手，以此来研究30KW风力发电机的效能提升方法。关键词 风力发电；双风轮；并网Research On The Efficiency Improvement Method Of 30KW Wind TurbineAbstract Wind power has gradually become an important component in the current power generation system. Through more effective and reasonable use of wind energy, it has effectively

4、 alleviated the current power shortage in my country, and has more effectively driven the development of my countrys electrical technology in the power industry. It provides the necessary material energy supply for the production and life of the people of our country. Driven by technological progres

5、s and social development, contemporary wind power technology has achieved unprecedented development speed. Due to the research and application of mechanics, mechanics and other aspects, the degree of upgrade and transformation of wind power generation is also getting higher and higher. With the gree

6、n and sustainable development of wind power technology, the desire for more efficient energy from wind energy to be converted into electrical energy is becoming stronger in peoples hearts. In this paper, the research on the efficiency improvement method of 30kw wind turbine will also start with how

7、to improve the utilization rate of wind energy and strengthen the power quality. The 30kw wind turbine adopts the dual-wheel mode as the research object, and adopts the dual-wheel mode, which effectively improves the utilization rate of wind energy and the effective use of wind speed in each section

8、. Then it will study and analyze its basic structure and basic working principle. The grid-connected system is selected to achieve the purpose of integrating wind power into the energy storage public grid by rectifying, boosting, inverting, controlling, strengthening and outputting the quality of th

9、e alternating current generated by the wind power grid-connected system. On the premise of this foundation, the design is simple to develop a dual-wheel wind turbine grid-connected control and adjustment system. Starting from the optimal utilization of wind energy capture and utilization of dual-whe

10、el wind turbines, grid-connected power composition, and improving the quality of current changes, it is used to study the efficiency improvement methods of 30KW wind turbines. Key words Wind power generation;Double wind turbines;Grid connectionIV目录0 引言-10.1 课题研究背景与意义-10.2 国内外风力发电的发展现状-3 0.2.1 风力发电技术

11、-3 0.2.2 国内外风力发电发展趋势-30.3 选题意义和研究内容-51 双风轮风力发电机组-6 1.1 全球普遍的提高风能效率的方法-61.2 双风轮风力发电机-7 1.2.1 双风轮风力发电机的优点-7 1.3 双风轮风力发电的工作原理-8 1.3.1 双风轮风力发电装置理论依据-91.4 本章小结-102 30kw 风力发电机逆变系统-11 2.1 风力发电机并网-112.1.1 并网运行模式-112.1.2 风力发电机并网关键技术-122.2 风力发电机并网逆变器-12 2.2.1 并网控制方式 -12 2.2.2 并网逆变器的拓扑结构-142.3 本章小结-153 30kw风力发

12、电机效能提升设计-16 3.1 BOOST 升压环节原理-17 3.1.1 电感电流连续工作过程-17 3.2 逆变电路工作原理-193.3 本章小结-20结论-21鸣谢-22参考文献-23V邢旭伟船舶电子电气工程专业毕业论文0 引言0.1 课题研究背景与意义 进入21世纪各方面快速发展以来，几乎覆盖全球所有领域的社会经济、科学技术的高速发展，人们生活品质得到大幅度提升，新型等绿色低污染能源成为了必要的物质保障来源，在社会上所利用热度越来越火爆，需求量也越来越水涨船高。但全球能源紧缺的问题随着人们对能源需求量的大幅度提高，形势变得越来越严峻，能源短缺问题已经成为世界的棘手问题。随着全球的化石能

13、源的大肆无节制的开采其逐渐减少，潮汐能、风能、太阳能等可再生可持续新型绿色能源的崛起为世界提供了一条比较健康自然生态的可持续发展的道路。电力企业行业的开始，首先就是可以依靠煤电，进入中国发展新时代，但环境污染也在发展之余越发恶劣，社会中人们生活幸福指数的提高，追求的环保问题意识也在的增强，对于煤炭固体资源这种高污染的发电方式，已经慢慢成为人们心中的不愿意选择的发电方式，从而需要通过我们不断地去改革开放创新并且协调绿色发展道路，保护自然生态环境的前提下去探求更加具有高效、优质、清洁的可持续能源来代替传统煤炭固体发电3。为了实现全球世界化的可持续生态发展，正视、探索、解决能源问题和对可再生能源开发

14、利用是全球人民的提高生活指数的当务之急。在中国经济化生态能源可持续发展的不断政策驱使下，成功满足绿色可持续发展的政策目的，政府已经把可再生能源的采用开发和利用提升到了与企业战略经营发展管理发展同等的高度。风力发电就是利用风的吹动下的动力来驱动发电机械轴承等转动从而将风吹动的力转化为机械齿轮转动进而转化为电气能的一项发电规律技术。当下社会中在资源极度短缺、能源缺乏性极大的问题下，风力能作为一种绿色发展可再生的新行能源，世界各国很是重视与喜欢。风能存在于任何空间里，不会受到地形地势环境条件的制约。它广阔的分布在世界各处，海纳百川，任何地表之上，无处不在。它的储存含量很是巨大无比，可开发的风力能是地

15、球上可开发水能总量的10倍之还多。对于缺能源燃料、缺水、缺运输的“三缺”地区，比如：沿海岛屿、草原、牧区、山区、高原地区等地理位置比较偏远且恶劣的环境地区。对于风力能的有效利用使用不受各种影响，且它们的蕴量多、利用少，市场发展前景无比广阔。风能以其低廉的成本，相比之下不仅对技术水平的要求低，还有经济收益高等优点。并且发展风能的成本低、无空气污染、不产生废气、废物，为全球经济提倡的低碳生活作出了重要的贡献。因此，未来中国将把研究开发和利用风力发电作为重点研究方向此领域。欧美方向的追求科技的发达国家以及中国、印度人口众多消耗过大的等发展中国家，对风力发电技术的发展开发非常重视。由于在国际上没有统一

16、的关于额定功率的标准。所以，国家之间没有统一的分类界限。对于咱们中国来说：微小型风力发电机的功率范围一般小于1KW、小型发力电机的功率范围在1KW至10KW之间、相对偏中型发力电机的功率范围在10KW至1000KW之间、较大型发电机的功率范围大于1000KW之上。本文中所研究方向的30kw风力发电机功率在10KW至1000KW之间属于中型发力电机。我国的土地、环境和气候各个地区都存在差异，一些风经常吹动时间短、风速低的地区，会导致许多风力资源利用不足。有的科研科学家研究后指出单风轮风力发电机对风能的捕获率能力不强。而在现实应用当中，因为受温度、湿度、天气、气候等各方面的影响，实际上单风轮风力发

17、电机的风能利用率根本达不到最大理论值甚至不超过功率的一半。在这个大背景下，如何提高风能利用率?根据学者经验可以采用双风轮风力发电技术。有科学家证实这是可行有效的方案。且根据实验数据和实验结果证明了合理地采用双风轮风力发电技术。不仅能使风力资源得到更加充分地利用，且使风力利用率获得大幅度的提高，同时也能有效地扩大风速的可利用范围。现在各国国家境内存在并工作的风力并网发电机组的最大单机容量达到兆瓦级别，且仍在逐渐扩大。而超大型风力发电并网依旧有许多缺陷如：风吹动速度要求高、资金成本消耗大、施工人员不便利安装难度大、电力传送运输困难等。较大型风力发电机在某个功率范围内的作用无法替代，但是在其他方面和

18、中小型风力发电机相比，它的优势反而又及其显著：所需要的占地面积小、对风速要求不高、运输安装方便施工、对电网传输问题有就地并网的解决方法。中小型风力发电在关于并网方面有着非常巨大发展潜力，就是关于其并网的发展前途很好。因此，研究发展与其他风力发电机相比，有着高发电效率、低风速、高风能利用效率的中小型并网双风轮风力发电机，更加具有开发优势。对风力资源的研究开发、改进等相关技术和加强未来能源配置等意义非凡。0.2 国内外风力发电的发展现状0.2.1 风力发电技术 风力涡扇轮机驱动通常由风力涡轮机、发电机及其设备（包括动力设备）、调节器（尾翼）、支撑塔、安全限速构件和储存能装置和并网调节控制系统等部件

19、组成。其工作原理方式构造比较简单的风力发电机。风轮在风能的驱动下进行转动。它将风的吹动能力转化为风轮轴的机械转动能又通过机械转动能转化为电力能。在风轮轴驱动转动下，从而转动发电。 叶片可以收集风进而捕获风能，具有动能的流动空气经叶片捕获转化为风轮机械旋转。风力发电机的风轮叶片一般由直径和长度较大的2片或3片叶片组合而成。在风力发电机中，风力发电机经常采用的有3种，即直流系统发电机、同步信息交流作为发电机和异步信息交流装换通过发电机。 在发电机中有调向器其的功能是使风力发电机的风轮叶片随时都迎着所吹动发展风向而进行转动从而捕获风能，从而能达到最大能力限度地获取绿色风力能源。总体来说，风力涡轮机几

20、乎是完全使用尾翼的方向来控制风力涡轮机的风向。高强度镀锌钢通常作为尾部材料。拥有安全限速构件可以确定风力机转子的转速在一定的风速范围内基本保持恒定，维持稳定风力发电机及叶片转动装置的稳定。支撑稳定服务机构由风力塔架支撑风力以及发电机，重量体积较大的塔架一般可以采用强度非常高的角钢或圆钢作为组成的桁架进行组成的结构。风力发电机的输出功率与风速有关。因为自然界中风力的不确定性太大了，风的速度、大小、方向等都是不固定的，所以捕获风力的发电机的功率输出也千变万化，所以发电机发出的电能因为其不稳定变化大，不能直接用于电器之上，需要将其储存，进而调节电能质量。当前，铅酸电池常用于风力涡轮机中进行储能。在风

21、力发电科技的不断发展下，风力发电所发出的电量在全世界所发电量的占比率逐渐变大。所以风力发电的发展和前景特别特别可观。0.2.2 国内外风力发电发展趋势这几年在国家可持续发展政策的大力扶持下，国内对风力发电技术的各方面研究也有着突飞猛进的发展进展。风能是一种可再生的绿色清洁能源。最近30年的发展当中，很多国家在风能利用的理论研究中都取得了较好的成就。风力发电技术在变得越来越完善且成熟。额定功率为 mw的并网型风力发电机组，直径126m长的叶片。2005年止世界风力发电市场装机系统总体容量规模已达58982MW，全球电子产品的电量的1%由风力发电量轻松承担。中国作为亚洲地区科学技术的领跑者，世界第

22、八位的总装机容量，世界第六位的单一年装机容量。以后，在经济及科技的发展进步下，世界上风电技术和企业产业发展将明显加快。而如今的风力发电机在控制技术上开始使用在技术更加先进、效率更加高效、操作更加方便的变浆调节技术。自动调频调载装置的加入，并投入使用。世界风能利用协会对风能发展前途进行简单了的预测，因全球气候变暖各国之间相互帮助，风力发电技术普遍稳定发展。风力发电的运行成本将得到持续不断的下降。未来2040年以后，风力发电对比于传统的燃煤发电成本上将更加便宜，传统发电方式不止被风力发电也将被各种新能源发电所淘汰，风力发电在未来有很好的经济性。徐坊降首先提出了关于世界风力发电技术的发展6：（1）单

23、机容量的逐步上升。(2）失速功率调节和恒速恒频被变浆调节和变速恒频所淘汰（3）运行环境越来越安全可靠且稳定。对风力发电机原理进行了详细地解释和对风力发电机的并网要求进行论述。于雪峰对风力发电机的几种并网模式进行了分析和对风力发电机并网运行的工作原理进行解释说明1。对于如何提升风能利用率，日本作者Koichi Kubo从单风轮风力发电机的基础上。在2008年提出的双风轮风力发电机的结构设想并对其设想的结构进行优化改造设计5。河北工业大学的贾璐中使用双风轮风力发电的基础上糅合了电气技术上先进的变速恒频发电技术和控制技术上发电机的变浆调节技术。充分设想出变速恒频双风轮发电机，并解释了双风轮风力发电机

24、的物理结构，分析其工作原理和理论依据。在最后根据公式和计算结果对所设计的变速恒频双风轮发电机进行了建模和仿真2。为未来的双风能风力发电机的应用实验提供可靠的采纳数据。当下，国家电网主要来源于风力产生的电能，而且发展风电并网是国家电网的主要发展趋势。最大的优点是发电机能够从电网获得补偿，并且能将多余电量传输到国家电网中，是对风力资源进一步充分利用。最近几年由于国内风力发电技术的不断精炼且成熟，国内产量不断上升和国际需求的不断增大，我国风力发电设备及发电技术的出口量越来越大。在世界范围上，位居国际先进水平的是国内的太阳能发电技术和中小型发电技术，中小型风力发电在未来发展可观。0.3 选题意义和研究

25、内容在参考了大量的国内外文献的基础上对30KW风力发电机的效能提升方法展开研究，研究内容如下：（1） 本文对如何提高风能效率及提高风利发电效率的方法进行研究讨论，总共提出了三种提高绿色风能利用效率的方法，再对这三种提高绿色风能利用效率的方法进行初步简单介绍。（2） 本文发电机采取双风轮模式来提高风力发电机效率及风能利用效率，分析其结构并解释了双风轮提高风能利用效率的进程和工作原理。（3） 研究并网系统，并且在并网系统中找出可以提高电能利用效率的方法。（4） 本文对30KW双风轮风力发电机的并网系统研究，分析解释其工作过程和原理。为以后的仿真、实验提供研究思路。1 双风轮风力发电机组1.1 全球

26、普遍的提高风能效率的方法风力能作为新时代的新型资源，拥有很多优势包括环保、没有污染、发展潜力大、技术成熟。人们为了提升风力发电机对绿色风能的有效利用效率，增强风力发电机功率，常选择以下方式来达到提高风力发电机效率的目的： (1)采用增加叶片长度、宽度的方法。由于风轮叶片增大，增加了叶片与风的接触面积，进而很大程度提高了叶片风力发电转化的功率。但叶片长宽等体积的增加，导致叶片的重量较大，就需要较高强度的叶片材料，迫使其装机难度大、成本增加、叶片制造困难及叶片运输困难等问题。而且使用大叶片将大大降低风轮对恶劣天气的防御能力7。(2)为了能提升风能利用率可利用导流板的影响，导流板迎风时可以有效提升风

27、力能的捕获率。在Burcin Deda Altan和李鹿野的文献中对如何使用导流板和导流板数量该如何设定的一系列问题进行了分析研究8。比较了加入导流板、不加入导流板以及导流板长度的不同、不同可以安装一个位置和不同需要安装技术角度的叶片四周的风力流动情况以及提高叶片对转轴产生的静态力矩9。分析结果表明当增加导流板的数量时可以提高风力机的静态力矩，达到提升风能利用率的方法，从而达到目的。但是这样的话，消耗过大、成本过高，在安全方面没有保障10。(3)利用双风轮来降低风能损耗、增加风能的二次利用率而提高风能利用率。风能被前风轮一次利用后产生的漏风被后风轮二次利用，通过后轴承将利用风能后产生的机械能传

28、递给齿轮箱。首先前面风轮先捕获风力，然后后风轮捕获漏风实现风能反复次利用，从而提高风能的利用效率。本文运用双风轮与改进并网来共同达到提高30kw风力发电机效能提升的目的。 1.2 双风轮风力发电机就目前而言，单风轮风力发电依旧是全球使用最广泛的风力发电机装置，但是由于其发电效率低下，相比之下该风力发电机并没有突出的优势可言。然而与其相对比的双风轮风力发电机组不仅能提高风机发电效率和提高风能利用率，还能提高风速的有效利用范围，显著提高其风能利用系数。为了减少风力发电因变流器损耗而产生的一系列问题，从而不设置变流器。双风轮的实际样式图可见下图1-1所示。图1-11.2.1 双风轮发电机的优点(1)

29、 在单风轮的前提下，取其优势的地方，所进一步研发的新型双风轮风力发电机。双风轮发电机组可以增加了叶片捕获风的时候的活动面积，提高了中国绿色风能资源利用率，加深我国风力发电机的发电量。所以双风轮可以拥有较大的有效输出功率。(2) 从构造上，利用直驱技术的双风轮发电机，在该技术下使得结构明了简单，降低了损耗。由于小型风力机的扫面面积远小于强风力机的扫面面积，因此单独运行的小型风力机的切风速远小于单独运行的强风力机，而单独运行的小型风力机的切割风速远大于单独运行的强风力机的切割风速，可以有效降低风力机运行的切割风速，提高风力机的切割风速。简易的结构，缩小了故障范围，适用性更广，使系统更加可靠，减轻维

30、护工作量。(3) 当风速变速且大风轮、小风轮均转动时，分别与大风轮、小风轮齿合的行星齿轮通过行星轮架将两者旋转运动合成，只需要将风能利用率处于理论最大值周围，通过输出轴传递给发电机，减少风能损失，处于最佳运行状态时，其发电效率更高。1.3双风轮风力发电的工作原理风力发电的原理是将风力驱动能转化为机械轴承转动能，再将其机械转动能转化为电力能。进行三次转化，从而实现风能至电能。风力发电技术第一是中国风力吹动叶片旋转，在经济增速机调节下将叶片旋转的速度不断加快，来促使发电机稳定的发电。而双风轮风力发电装置是利用轴杆通过中间的齿轮装置采用前后轴承将前后风轮进行连接。当风吹过时，发电机的磁极转子在前轴承

31、的支撑下随着前风轮转动进行逆时针旋转。后风轮通过捕捉前风轮的漏风进行风轮驱动，在后轴承的支撑下带动发电机的发电转子进行顺时针旋转。后风轮旋转产生的机械能通过连接前后轴承的齿轮结构传递给前风轮，最终达到有效提高发电机效率的效果。由于前后风轮带动两个转子进行反向旋转，产生的机械能经过齿轮装置通过高速轴承使得发电机转子加速旋转，从而与单风轮发电相比，线圈快速转动时能快速切割磁感应线，快速转动就提高了其效率和功率。设计如图1-2所示：图1-21.3.1 双风轮风力发电装置理论依据参考周云龙、李律万、杨承志等10的研究可知：前风轮发电功率为：P1=h c h m h g E (1-1）式1-1中：P1为

32、单风机输出功率；h c 为捕风效率；h m为机械传动效率；h g为发电机效率；E为进入风机的空气动能。不计前后风轮的相互影响，由于空气会阻止叶片旋转从而产生摩擦阻力，所以设因空气摩擦阻力所损失的功为0.021E，齿轮损失功为0.1E，所以后风轮发电功率P2、单风轮发电功率P1、双风轮输出功率P3它们三者的关系为：P2=h c h m h g（E -h c E -0.021E -0.1E） （1-2）P3=h c h m h g（2 -h c -0.121）E （1-3）P3=（2 -h c -0.121）P1 （1-4）因为风力发电机的发电效率等于发电功率和空气动能的比例，所以单风轮风力发电机

33、的发电效率h0与双风轮风力发电机的发电效率h1分别为： h0= P1/E （1-5） h1= P3 /E （1-6）将式（1-4）代入式（1-6）可换算得出： h1=（2 -h c -0.121）P1 /E h1=（2 -h c -0.121）h0 （1-7）双风轮的发电功率及效率的增幅为： ar=ah=（P3 -P1）/P1100%=（h1-h0）/h1100% (1-8) 从式1-3、1-4、1-5、1-6、1-7可以看出，单发电效率是双风轮发电效率的1/（2 -h c -0.121）倍，双风轮比单风轮发电功率增加了（2 -h c -0.121）倍，h c 一般取0.20.4，则发电功率及发电效率增加了约27%47%。 1.4本章小结本章的主要工作是：（1） 介绍了三种世界上普遍提高风能效率的方法，并分析了其优点及缺点和基本的工作原理。（2） 简单概述了双风轮风力发电的优势之处，双风轮风力发电对比于单风轮，双风轮在很多方面具有较大的优势。（3） 分析解释了双风轮风力发电机的结构及原理和发电效率提高的理论依据论述。11