还剩8页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
风力发电及其永磁同步发电机电气
(6)班学号2111204166姓名陈贤阳指导教师徐亮2013年5月8号
1.当前能源形势及其风力发电的发展趋势能源一直是关乎世界各国经济发展和民众生活的重要议题当前,能源消费继续强劲增大,供需矛盾进一步恶化化石能源在世界能源总体消费中占据主体地位目前,世界大部分能源仍掌握在西方国家手中目前我国主要能源煤炭、石油和天然气的储采比大致为全球平均水平的
50、40和70左右,均早于全球化石能源枯竭速度,能源安全问题越发重要我们必须大力发展可再生能源产业,依靠自身的实力保障本国的能源安全当前风力发电是发展前景远阔的一种能源生产方式风是没有公害的能源之一而且它取之不尽,用之不竭对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带,因地制宜地利用风力发电,非常适合,大有可为世界风电在加速发展,装机容量每年以近30%的速度递增按照德国风电发展计划,到2010年,风电电量将占总发电量的
12.5%;到2050年,将占到50%丹麦的风电电量2003年占全国总发电量的18%,规划到2030年,风电将占总发电量的50%西班牙、英国和法国也加快了风电的发展我国发展风力发电技术较晚,很多技术被外国垄断,需要进口但是我国有独特自然地理位置和人才保证,为我国的风力发电良好发展提供了基础中国拥有世界上增长最快的风电市场,其风电装机容量自2005年以来每年要翻一番到2020年,中国国内风电厂运行中的总装机容量有望达到15万兆瓦自2010年11月在上海建成一座风轮机叶片生产厂后,在全球海上风电场领域占据领先地位的西门子也加入到中国浩浩荡荡的风电产业发展大潮中中国风能资源十分丰富,全国风能储量约
4.83×109MW,可开发利用的风能资源总量达
2.53亿kw在中国,风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿
2.风力发电机组系统和有关风力发电机的介绍风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合通常包括风轮、发电机、齿轮箱及有关控制器和储能装置微型及容量在10kW以下的小型风力发电机组,采用永磁式或自励式交流发电机,经整流后向负载供电及向蓄电池充电;容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组,则应用同步发电机或异步发电机其中齿轮箱是一个重要的机械部件,其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速通常风轮的转速很低,远达不到发电机发电所要求的转速,必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现,常常用在双馈异步发电机的大容量并网发电系统中理论上任何一种发电机都可用于风力发电中,主要有直流发电机、笼型异步发电机,双馈异步发电机,同步发电机其中,由于直流电动机存在电刷和机械换向器,需要经常维护,可靠性较低,只用在小容量发电系统中传统电励磁同步发电机,因独立控制有功和无功输出、效率高等优点,在常规火力发电和水利发电中获得广泛的应用,但在风力发电中,由于风速的不稳定,使发电机获得不断变化的输入机械功率,而同步发电机并网后,其速度由电网频率规定,严格为同步转速,因此,风力机功率的波动会给风力发电机造成冲击,不利于风力发电机和整个系统的稳定安全运行;笼型异步发电机因为结构简单可靠,并且转速可以在%2-5%的范围内自动调节,在中大型风力发电系统中获得广泛的运用;双馈异步发电机可实现变速恒频运行,风能利用效率高,功率变换器容量小,成为现代发电机的主流永磁同步发电机因为磁场主要由永磁体励磁,发电机的效率高,在低速风力发电系统中越来越受到青睐
3.下面来介绍低速直驱永磁同步发电机系统图1所示同步发电机的构成的低速直驱风力发电系统图1低速直驱风力发电系统风力机转子和同步发电机的转子直接相连,发电机转速和风速相同,免去了增速箱(需要经常维护,故障率很高),简化了系统结构,明显提高了可靠性通过变流器,使发电机发出的电流频率转换成50HZ的工频输入电网永磁同步发电机的结构1)定子永磁发电机的定子结构与一般电机类似但因为该类发电机的电负荷较大使得发电机的铜耗较大因此应在保证齿、轭磁通密度及机械强度的前提下尽量加大槽面积增加绕组线径减小铜耗提高效率定子绕组的分布影响风力发电机的起动阻力矩的大小起动阻力矩是永磁式风力发电机设计中的一个至关重要的参数起动阻力矩小发电机在低速风时便能发电风能利用程度高;反之风能利用程度低起动阻力矩是由于永磁电机中齿槽效应的影响使得发电机在起动时引起的磁阻力矩从电机理论上讲降低齿槽效应所引起的阻力矩的方法主要是采用定子斜槽、转子斜极以及定子分数槽绕组根据实际操作经验采用分数槽绕组是降低阻转矩最有效的办法2转子永磁风力发电机转子磁路结构按工作主磁场方向的不同主要分为切向式和径向式两种结构:如图2所示左边的径向型,右边的为切向型,根据需要选择图2转子结构径向式结构的永磁体直接粘在转子磁轭上一对极的两块永磁体串联永磁体仅有一个截面提供每极磁通所以气隙磁密较小发电机的体积稍大切向式结构是把永磁体镶嵌在转子铁心中间固定在隔磁套上隔磁套由非磁性材料制成用来隔断永磁体与转子的漏磁通路减少漏磁从图2右图可以看出该结构使永磁体起并联作用即永磁体有两个截面对气隙提供每极磁通使发电机的气隙磁密较高在多极情况下效果更好而且该结构对永磁体宽度的限制不是很大极数较多时可摆放足够多的永磁体所设计的发电机转速较低需较多的极数以减少体积和满足频率要求所以选用切向式结构永磁同步发电机的设计第一步传统的计算单设计使用场化路的方法,将实际空间存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路,并近似认为在每段此路中磁通沿截面和长度均匀分布,将磁场的计算转化为磁路的计算在方案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较时较为实用计算流程如下 •
1.确定额定数据•
2.永磁体的选择•
3.转子结构的确定•
4.定子绕组和定子冲片•
5.磁路计算•
6.损耗和效率的计算第二步有限元计算设计在传统的计算之后,可以依靠软件建立模型,进行仿真计算,便于修改模型,赋予不同的材料属性,分析结果,进行比较,优化方案第三步用Ansoft软件的设计电机RMxprt集成用户界面模块输入定子、转子和铁芯的几何形状、绕组结构、材料特性和机械负荷数据程序运行后得到了点击在稳态、无负荷、堵转、额定电流、转矩和效率等曲线和参数根据这些参数和曲线评估设计方案的优劣后再次返回到用户界面,最后得到了较为满意的设计方案转换成2D图,如图3所示,在2D图中观察其各种参数,如磁感密度,磁场强度等等图3电机2D图直驱永磁风力发电机有以下几个方面优点1)由于传动系统部件的减少,提高了风力发电机组的可靠性和可利用率;2)永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率;3)机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音;4)可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本;5)机械传动部件的减少降低了机械损失,提高了整机效率;6)利用变速恒频技术,可以进行无功补偿;7)由于减少了部件数量,使整机的生产周期大大缩短
4.风光互补系统和飞轮储能风光互补系统是合理的独立电源系统偏远地区一般用电负荷都较小而且居住分散,所以用电网送电成本就很高,因此只能在当地直接发电,最常用的就是采用柴油发电机但柴油的储运对偏远地区来说成本太高,而且难以保障所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源,要解决长期稳定可靠的供电问题,只能依赖当地的自然能源-太阳能和风能太阳能和风能是最普遍的自然资源,也是取之不尽的可再生能源偏远地区往往太阳能和风能资源又非常丰富,这为在偏远地区推广风光互补发电系统提供了资源条件太阳能是地球上一切能源的来源,太阳照射着地球的每一片土地风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式,由于地球表面的不同形态对太阳光照的吸热系数不同,在地球表面形成温差,地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能因此,太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性白天太阳光最强时,风很小,晚上太阳落山后,光照很弱,但由于地表温差变化大而风能加强在夏季,太阳光强度大而风小,冬季,太阳光强度弱而风大太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性,风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统如图4所示图4风光互补发电系统飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化成动能储存起来,在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式飞轮磁悬浮储能是一种先进的物理储能方式功率大、容量大、效率高;动态特性好,响应速度快,可瞬间充、放电;安全可靠、绿色环保;寿命长等优点,可使飞轮储能广泛服务于智能电网、通信、风、光、新能源汽车等行业,有效解决风电、太阳能电站并网难问题;延长新能源电站有效发电时间;可使新能源电站具备一定的调峰能力,提高电网的稳定性和可调度性,并且在特定应用场合下可替代铅酸蓄电池目前在大电网难以达到的偏远地区,常以风力发电组和柴油发电机联合运行的方式达到对负载稳定地供电但是,由于风力发电机的输出电压会随着风速的波动而波动,这势必会导致柴油机的频繁启动而影响使用寿命,并且不能充分利用风力发电机的功率(风力发电机发出能量不够时,可有柴油发电机供电;但是,当风力发电机能量有盈余时,却不能被负载利用),所以效率不高由于蓄电池的使用寿命较短,效率极低,而且报废的蓄电池对环境有害,因而效果不理想,利用飞轮储能来代替,充当风力发电系统的电能调节器和储能器,有效的解决独立运行风力发电系统的电能质量和电能储能存问题
5.风力发电的展望随着风电机组技术进步和成本的降低以及对能源多样性和能源安全的重视,风电比例会逐渐的提高在中国目前风力发电已经取代核能发电,成为第三大发电方式,在未来的50年必定会得到空前的发展。