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風力發電機設計
高等教育自學考試
畢業設計（論文）
題目 風力發電機設計
專業班級 09級機電一體化工程
姓名
指導教師姓名、職稱 高級工程師
所屬助學單位
2011年 4月1 日
目 錄
1 緒論…………………………………………………………………………………1
1.1 風力發電機簡介 ………………………………………………………………1
1.2 風力發電機的發展史簡介 ……………………………………………………1
1.3 我國現階段風電技術發展狀況 ………………………………………………2
1.4 我國現階段風電技術發展前景和未來發展 …………………………………2 2 風力發電機結構設計………………………………………………………………3
2.1 單一風力發電機組成…………………………………………………………3
2.2 葉片數目………………………………………………………………………3
2.3 機艙……………………………………………………………………………4
2.4 轉子葉片………………………………………………………………………5 3 風力發電機的回轉體結構設計和參數計算 ……………………………………5
3.1聯軸器的型號及主要參數………………………………………………………5
3.2 初步估計回轉體危險軸頸的大小……………………………………………5
3.3 葉片掃描半徑單元葉尖速比…………………………………………………6 4 風輪槳葉的結構設計………………………………………………………………6
4.1槳葉軸復位斜板設計……………………………………………………………6
4.2托架的基本結構設計……………………………………………………………6 5 風力發電機的其他元件的設計 …………………………………………………6
5.1 剎車裝置的設計…………………………………………………………………6 6 風力發電機在設計中的3個關鍵技術問題………………………………………7
6.1空氣動力學問題…………………………………………………………………7
6.2結構動力學問題…………………………………………………………………7
6.3控制技術問題……………………………………………………………………7 7 風力發電機的分類…………………………………………………………………7 8 風力發電機的選取標準……………………………………………………………8 9 風力發電機對風能以及其它的技術要求…………………………………………8
9.1風力發電機對風能技術要求……………………………………………………8
9.2風力發電機建模的技術是暫態穩定系統………………………………………9
9.3風力電動機技術之間的能量轉換 ……………………………………………10 10 風力發電機在現實中的使用范例 ………………………………………………10 結論……………………………………………………………………………………12 致謝……………………………………………………………………………………13 參考文獻………………………………………………………………………………14
摘 要
隨著世界工業化進程不斷加快，能源消耗不斷增加，全球工業有害物質排放量與日俱增，造成了能源短缺和惡性疾病的多發，致使能源和環境成為當今世界兩大問題。因此，風力發電的研究顯得尤為重要。
我國風電場內無功補償的方式是在風電場匯集站內裝設集中無功補償裝置，這造成風電場無功補償的投資很大。文章結合實例，通過對不同發電量下風電場的無功損耗和電壓波動情況進行計算，提出利用風力發電機的無功功率可基本實現風電場的無功平衡，風電場母線電壓的變化是無功補償設備選型的依據，對于發電量變化引起的母線電壓變化不超出電網要求的風電場，應利用風力發電機的無功功率減小匯集站內無功補償裝置的容量，降低無功補償的投資。
關鍵詞： 風力發電 、 風電場 、 無功補償 、 電壓波動
Abstract
As the world industrialization is accelerating and energy consumption increases unceasingly, increasing global industrial harmful substances emissions, caused energy shortage and malignant disease, cause the energy and environment are two major problems in the world today. Therefore, wind power research is particularly important. Wind reactive power compensation in China within the way the wind farm is installed inside concentrated collection station reactive power compensation devices, which caused wind farm reactive compensation investment greatly. Combined with examples, through different under the wind capacity of reactive power loss and voltage fluctuation situation, this paper puts forward the calculation of reactive power wind generator can realize the basic reactive power balance, the wind of change is busbar voltage wind power.at the reactive power compensation according to the selection of equipment for generating capacity of busbar voltage changes caused by the fluctuation of wind power requirements do not exceed the wind generator, should use the reactive power decrease in collection station reactive power compensation devices, reduce the capacity of the reactive power compensation investment.
Keywords: wind power 、wind farm 、reactive compensation 、voltage fluctuation
風力發電機設計
1.緒 論
1.1風力發電機簡介
自然界的風是可以利用的資源，然而，我們現在還沒有很好的對它進行開發。這就向我們提出了一個課題：我們如何開發利用風能？
自然風的速度和方向是隨機變化的，風能具有不確定特點，如何使風力發電機的輸出功率穩定，是風力發電技術的一個重要課題。迄今為止，已提出了多種改善風力品質的方法，例如采用變轉速控制技術，可以利用風輪的轉動慣量平滑輸出功率。由于變轉速風力發電組采用的是電力電子裝置，當它將電能輸出輸送給電網時，會產生變化的電力協波，并使功率因素惡化。
1.2 風力發電機的發展史簡介
我國是最早使用風帆船和風車的國家之一，至少在3000年前的商代就出現了帆船，到唐代風帆船已廣泛用于江河航運。最輝煌的風帆時代是明代，14世紀初葉中國航海家鄭和七下西洋，龐大的風帆船隊功不可沒。明代以后風車得到了廣泛的應用，我國沿海沿江的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一直延續到20世紀50年代，僅在江蘇沿海利用風力提水的設備增達20萬臺
隨著蒸汽機的出現，以及煤、石油、天然氣的大規模開采和廉價電力的獲得，各種曾經被廣泛使用的風力機械，由于成本高、效率低、使用不方便等，無法與蒸汽機、內燃機和電動機等相競爭，漸漸被淘汰。歐洲到中世紀才廣泛利用風能，荷蘭人發展了水平軸風車。18世紀荷蘭曾用近萬座風車排水，在低洼的海灘上造出良田，成為著名的風車之國。德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭、瑞典、印度加拿大等國在風力發電技術的研究與應用上投入了相當大的人力及資金，充分綜合利用空氣動力學、新材料、新型電機、電力電子技術、計算機、自動控制及通信技術等方面的最新成果，開發建立了評估風力資源的測量及計算機模擬系統，發展了變漿距控制及失速控制的風力機設計理論，采用了新型風力機設計理論，采用了新型風力機葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速、恒頻及低速永磁等新型發電機，開發了由微機控制的單臺及多臺風力發電機組成的機群的自動控制技術，從而大大提高了風力發電的效率及可靠性。到了19世紀末，開始利用風力發電，這在解決農村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是20世紀70年代以后，利用風力發電更進入了一個蓬勃發展的階段。
1.3 我國現階段風電技術發展狀況
中國現代風力發電機技術的開發利用起源于20世紀70年代初。經過初期發展、單機分散研制、系列化和標準化幾個階段的發展，無論在科學研究、設計制造，還是試驗、示范、應用推廣等方面均有了長足的進步和很大的提高，并取得了明顯的經濟效益和社會效益。
我國對風電已有部分優惠政策，包括以下幾個方面。
1．風電配額: 制定出常規火電污染排放量分配比例，由全國所有省區共同分攤的政策。
2．風電上網電價: 落實風電高于火電的價差攤到全省的平均銷售電價中。制定出按常規水電污染排放量分配比例，由全國所有省區共同分攤的政策。按地區具體情況定出風電最高上網電價的限制，并保持10年不變，促使業主充分利用資源，降低成本
3．售電增值稅:發電增加了新的稅源，建議參照小水電，核定風電銷售環節增值稅率為6%。
4．銀行貸款: 為降低風電電價，減輕還貸壓力，建議適當延長風電還貸期限，還貸期增至15年；為風電項目提供貼息貸款。
5．鼓勵采用國產化風電機: 為采用國產化風電機的業主提供補貼和貼息貸款，補償開發商的風險，幫助初期國產化機組進入市場，得到批量生產和改進產品的機會，以利降低成本。
風力等級是根據風對地面或海面物體影響而引起的各種現象，按風力的強度等級來估計風力的大小，國際上采用的是英國人蒲福（Francis Beaufort，1774~1859）于1805年所擬定的等級，故又稱蒲福風級，他把靜風到颶風分為13級。
1.4我國現階段風電技術發展前景和未來發展
風能利用發展中的關鍵技術問題風能技術是一項涉及多個學科的綜合技術。而且，風力機具有不同于通常機械系統的特性：動力源是具有很強隨機性和不連續性的自然風，葉片經常運行在失速工況，傳動系統的動力輸入異常不規則，疲勞負載高于通常旋轉機械幾十倍[7]。對于這樣的強隨機性的綜合系統。
2 風力發電機結構設計
2.1單一風力發電機模型組成
圖2-1 風力發電機模型電路圖
單一風力發電機模型由兩個基本部分組成。降階雙渦輪慣性模型和驅使風力的力矩.在本文中，我們假設發電機是一個標準的異步電機直接連接起來的網絡，這也是最常見的配置方法。其結構如圖2-1所示。
2.2葉片數目
風力發電機葉片的數目的確定可以根據以下公式來計算：
有效傳動比=實際渦輪轉速/額定渦輪轉速；電氣頻率基數；每個葉尖惰性體:每個葉片根部惰性+慣性+慣性渦輪軸傳動力/慣性力+發電機軸轉子的慣性力； 葉片剛度，葉片阻尼，氣動風力矩.發電機電氣扭矩和葉尖角度通過齒輪傳動反映出發電機軸向角.計算這個角需要有葉片斷裂的慣性力和彈簧減振器的相關參數。如果葉片放置在不破裂的正確位置，然后得到的機械模態形狀就會正確了。 研究的突破點主要在一個刀片力學性能上，可以從有限元分析或試驗的葉片得到相應的數據，這個關鍵的數據似乎發生在第二個節點彎曲的葉片上.在研究實例個案上，降階系統的靈敏度放置不當的突破點是很大的. 所幸的是， 最先進的葉片或制成品設施(如在國家可再生能源實驗室的設施)有所需的資料用以確定葉片的斷裂
點。電力工程師只需要這一信息請求便可輕易計算出典型制造的數據.還可以計算出知識系統的第一型機械固有頻率的使用剛度。
哪里第一模型機械研究技術領先，其機械的固有頻率與系統連接到一起的幾率就大. 例如，在上一節系統的系統情況就是這樣.一般來說，制成品可以提供這樣的頻率范圍.它可以很容易的用制動脈沖對水輪機進行計算和分析.在大多數情況下葉片阻尼很小，并假定為零.在旋轉機中，衡量葉片的剛度是用彈簧剛度來計算的.主要衡量葉片的邊緣剛度.可以看出，計算剛度是依靠俯仰的角度的。這也僅限于從零度至10度的典型情況. 根據這一限制表明，差異很小的不同位置需要設置不同的點.這意味著，根據實驗的支持，這是水輪機模型很小敏感性變異系統的準確的俯仰角. 假設一個理想的轉盤來進行風力矩的計算.在葉尖部分反映出的實際速度，加上空氣密度的影響，通過清掃面積的葉片的磨合，計算出了機組的功率系數. 不幸的是，這不是一個常數. 然而，大多數渦輪制成品的特性反映出同一條曲線. 曲線表示，作為功能機組的葉尖速比. 葉尖速比的定義是自由風速度比渦輪葉片的冰山速度. 風力發電機模型結構圖如圖2-2所示。
圖2-2 風力發電機模型結構圖
2.3機艙
機艙包容著風力發電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發電機。維護人員可以通過風力發電機塔進入機艙。機艙左端是風力發電機轉子，即轉子葉片及軸。
2.4轉子葉片：
轉子葉片的作用是捉獲風，并將風力傳送到轉子軸心。現代600千瓦風力發電機上，每個轉子葉片的測量長度大約為20米，而且被設計得很象飛機的機翼。軸心：轉子軸心附著在風力發電機的低速軸上。低速軸：風力發電機的低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。在現代600千瓦風力發電機上，轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鐘。軸中有用于液壓系統的導管，來激發空氣動力閘的運行，齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉每分鐘運轉，并驅動發電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發電機被維修時。
發電機：通常被稱為感應電機或異步發電機。在現代風力發電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。
偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖中顯示了風力發電機偏航。通常，在風改變其方向時，風力發電機一次只會偏轉幾度。
電子控制器：包含一臺不斷監控風力發電機狀態的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風力發電機操作員。
液壓系統：用于重置風力發電機的空氣動力閘。
冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內的油。一些風力發電機具有水冷發電機。
塔：風力發電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優勢，因為離地面越高，風速越大。現代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優點在于它比較便宜。
3風力發電機的回轉體結構設計和參數計算
3.1 聯軸器的型號及主要參數
由于主軸末端軸頸為80mm，選擇HL6型彈性柱銷聯軸器，其主要參數為 9C體積小、重量輕。相同條件下，比普通漸開線圓柱齒輪的重量輕1/2以上，1/2到1/3。傳動效率高。適應性強，傳動功率范圍大。
3.2 初步估計回轉體危險軸頸的大小
1．回轉體， 由于回轉體位于整體裝置的重心偏后200mm處，所以槳葉、槳葉軸、圓盤、增速器和托架對回轉體會產生正向彎矩，發電機對回轉體產生負向彎矩。回轉體由：回轉軸底盤、加強鈑金、回轉軸軸承軸肩、回轉軸推力軸承軸段、回轉軸危險軸段、滑動軸承注油口、回轉軸軸向定位段、安裝滑環軸段、軸向定位螺母、軸向定位擋板、回轉體上聯接板、銅套、無縫鋼管、推力軸承等部分組成[7]。 ,其中回轉軸的左右擺動問題通過滑動軸承來解決它能很好的解決由于頂部重心偏向前而引起對軸的彎矩，加強了回轉軸的抗彎強度。
回轉軸擋板可以在安裝過程中防止回轉軸脫落下滑，回轉軸中心鉆出 的通孔此處為發電機輸電線路。因回轉軸固定在塔架上當風向改變對風時套筒上方連接
的所有部件隨著套筒一起轉動銅套與套筒為過盈配合，銅套與回轉軸之間用潤滑油潤滑所以輸電線路不會纏到一起。
3.3 葉片掃描半徑單元葉尖速比
我們的研究已表明，可以假設固定情況下極高的風力條件下進行暫態穩定研究. 這是因為典型的變異葉尖速比下一個10秒的瞬態葉尖比小。假定風并沒有顯著的改變模擬時間， 實際上，渦輪軸的扭矩實際上是一個調制版。 調制是眾所周知的，而且主要是考慮由于大樓遮蔽和力學失衡的作用，在專業人員和模式上才能出現典型的調制頻率(注: 1人，是一種模式，每一個渦輪葉片).我們不把這些效應考慮在內，我們假定扭矩引起的暫時性故障比調制扭矩的多. 許多其他研究者已進行了這個假設。今后的研究將側重于檢驗這一假設。 在一般情況下，雙渦輪慣性模型在這里是一個相對穩健的模式，涵蓋了許多汽輪機運行條件。 所有模型參數相對恒定，缺少敏感性的俯仰角度。
4風輪槳葉的結構設計
4.1槳葉軸復位斜板
水平軸風力機的風輪一般由1～3個葉片組成（本設計中取6片槳葉），它是風力機從風中吸收能量的部件。葉片采用實心木質葉片。這種葉片是用優質木材精心加工而成，其表面可以蒙上一層玻璃鋼[9]。
在本設計中槳葉材料選用落葉松作為內部骨架，槳葉軸從左至右安裝零部件分別為：槳葉軸復位斜板、槳葉軸支撐軸承座、軸套、光軸、軸向固定螺母、墊片、加強鈑金、槳葉夾槽。
4.2 托架的基本結構設計
托架是放置輪盤、主軸、增速器、發電機以及回轉體、滑環和剎車裝置等附件的。它分兩層上層為支撐輪盤、主軸、增速器、剎車裝置和發電機。下托板與回轉體上端面聯接，中間放置滑環和滑輪組件。 滑輪組件是把剎車裝置的鋼絲繩纏繞在滑輪上改變其方向令鋼絲繩與托板不能接觸。
5 風力發電機的其他元件的設計
5.1 剎車裝置的設計
由于機械維修以及意外情況的發生需要對風輪機進行剎車，所我們在增速器高速軸側加裝一輪轂并在輪轂外安置剎車裝置通過拉拽鋼絲繩帶動剎車帶使風輪轉速降低直至停止。剎車帶的復位由彈簧套筒內的彈簧來保證停止剎車后剎車皮與輪轂不在接觸。
滑環是在一絕緣圓筒外壁鑲嵌三到四個圓環并相應放置電刷電刷的另一端連接發電機的輸出電線電纜，在絕緣圓筒內引線一直通到地面的變電所。
6風力發電機在設計中的3個關鍵技術問題
6.1空氣動力學問題
空氣動力設計是風力機設計技術的基礎，它主要涉及下列問題:一是風場湍流模型，早期風力機設計采用簡化風場模型，對風力機疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義；另一是動態氣動模型。再一是新系列翼型。
6.2結構動力學問題
準確的結構動力學分析是風力機向更大、更柔和結構更優方向發展的關鍵。
6．3控制技術問題
風力機組的控制系統是一個綜合性的控制系統。隨著風力機組由恒速定漿距
運行發展到變速變漿距運行，控制系統除了對機組進行并網、脫網和調向控制外，還要對機組進行轉速和功率的控制，以保證機組安全和跟蹤最佳運行功率2.5。 在橫向力R的作用下底板鏈接接合面可能產生滑移，根據底板接合面不滑移條件，并考慮軸向力F∑對預緊力的影響，則各螺栓所需要的預緊力為:查得聯結接合面間的摩擦系數f=0.35，查得螺栓的相對連接剛度系數 =0.2，取可靠性系數 =1.2 ,則各螺栓所需要的預緊力為f*1.2*0.2。螺栓所受的總拉力──六片槳葉、槳葉軸與圓盤整體自重作用在主軸上的力N 。彈性柱銷聯軸器制造容易，耐久性好，安裝維護方便，傳遞轉矩大。為防止脫銷，柱銷兩端用螺栓固定了擋板。適用于軸向位移大，正、反轉或啟動頻繁傳動，因此選用彈性柱銷聯軸器。
7風力發電機類型
根據定槳矩失速型風機和變速恒頻變槳矩風機的特點,國內目前發電機一般分為二類:
1．異步型
（1）籠型異步發電機；功率為600/125kW 750kW 800kW 12500kW
定子向電網輸送不同功率的50Hz交流電;
（2）繞線式雙饋異步發電機；功率為1500kW
定子向電網輸送50Hz交流電，轉子由變頻器控制，向電網間接輸送 有功或無功功率。
2．同步型
（1）永磁同步發電機；功率為750kW 1200kW 1500kW 由永磁體產生磁場,定子輸出經全功率整流逆變后向電網輸送50Hz交流電
（2）電勵磁同步發電機;由外接到轉子上的直流電流產生磁場,定子輸出經全功率整流逆變后向電網輸送50Hz交流電
根據葉片形式的不同，現有風力發電機分為以下兩類：
1．水平軸
世界上目前利用最多的形式，功率最大5MW左右。
2．垂直軸
21世紀初由中國、日本、歐洲幾乎同時發明的一種新型風力發電機，有別于最早的垂直軸風力發電機（達里厄型），效率高于水平軸風力發電機，無噪音和轉向機構，維護簡單。已成為歐美市場中小型風力發電機的首選。世界上目前最大功率是由上海模斯電子設備有限公司（MUCE）生產的50千瓦垂直軸風力發電機，日本最大功率30千瓦，英美國家生產的功率在1千瓦到10千瓦之間。
最近，國內外多家公司提出了建造超大型垂直軸風力發電機的計劃（10MW），此項計劃得到落實后，由于成本遠低于目前的風力發電機，必將逐步取代水平軸風力發電機，成為世界新能源的主力軍！
8風力發電機的選取標準
1．根據機械
負載性質和生產工藝對發電機的啟動、制動、反轉、調速等要求，選擇發電機的類型。
2．根據負載轉矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度的要求
考慮發電機的溫升限制、過載能力和啟動轉矩，選擇發電機的功率，并確定冷卻通風方式、所選電動機的功率應留有余量，負荷率一般取0.8 ，0.9。
3．根據使用場所的環境條件，
如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護方式，選擇發電的結構形式。
4．根據企業的電網電壓標準對功率因數的要求
確定發電的電壓等級和類型。
5．根據生產進行的最高轉速和對電力傳動調速系統的過渡過程性能的要求
以及進行減速機構的復雜程度，選擇發電機的額定功率
9風力發電機對風能以及其它的技術要求
9.1風力發電機對風能技術要求
大家對風能的發展展現出了濃厚的興趣。伴隨著使用風力發電機的熱潮，現在需要對電力動態系統， 電力傳輸規劃的設計評估。本文的第一個目的是提出一個準確的低階動態模型的風力發電機組，它是 符合現代機電暫態模擬計算機程式的。 本文中，開發的模式著重于水平軸的風力發電機， 或風力機直接連到同步
網時采用異步發電機。 這其中還包含許多現代大型發電系統。 由于大型風力裝置的構建是由許多個風力發電機組成的，風力發電場的建模是一個迫切的需求。因此， 本文的第二個目的是提供一種方法，它結合數個風力發電機連接到一個電網上，然后通過一個共同模式整合成一個單一的等效模型。 風力發電機主要分為定速或變速。以最小單位，渦輪驅動的感應發電機為例，它是直接連接到電網上的。 渦輪轉速變化很小，那是由于陡坡的發電機轉矩和轉速的特性所制； 因此， 它被稱為定速系統. 還有變速裝置，發電機連接到電網利用電力電子變換的技術使渦輪速度受到控制，以最大限度地表現出來(例如，電力的控制) 。 這兩種方法在風力工業均非常普遍。
在本文中， 我們將目光集中在建模定速裝置和等效模擬幾個固定轉速風力發電集成園。第一種典型的風力機械頻率是在0至10赫茲范圍； 這也是各種機電振蕩的頻率。 因此，這涉及到機械振動的風力互動學與機電動力學。 這方面的例子參見本文。 因此，為了構建一個精確的模型，風力發電機可用于暫態穩定的研究。 第一種渦輪機械動力學必須能準確的代表模型。這里的風力發電機模型建出了導電模型，減少了一個詳細的650階有限元模型的一個典型的橫向軸。 氣動力和機械動力的減少與非線性四階雙渦輪慣性模型相結合生成了一個標準發電機模型. 模擬計算表明了模型的精確性。幾個風力發電機連接到傳輸系統上通過一個單一的模型建模，因為每個渦輪暫態穩定系統都過于繁瑣， 我們的目的是整和風力發電園成為相當于風力發電機模型的極小系統。我們對等價建模的風園涉及到把所有渦輪以同樣的機械固有頻率整和成單一當量的渦輪機。模擬結果表明，這種方法能夠提供準確的結果。
9.2風力發電機建模的技術是暫態穩定系統
模擬結果表明，固定頻率的風力發電機組主要集中在以下兩個主要方法。第一種方式是把汽輪機和發電機轉子作為一個單一的慣性體從而忽略系統的機械固有頻率。 第二種方式是把渦輪葉片和樞紐之一的慣性體接上發電機加上一個彈簧 。 在所有這些論文中，彈簧剛度的計算是從系統的主要部分中提取的。我們的研究顯示，較第一型機械頻率來說第二型才是至關重要的一個精確的模型. 有限元分析表明，第一類動力的變化主要是因為靈活的渦輪葉片不夠精確。 根據建模方法的算法，我們得知的主要事實是，小而靈活的機械部件是渦輪上的刀片。 結果集中表明了幾個風力發電機系統和降階風園模型的類型和與類型相結合的方法。這些模型中的大部分都采用動量理論來計算氣動力。我們對發展渦輪動力的一個降階模型為出發點，把所有機械和氣動渦輪機動態效果以高度詳細的用機電射程的形式表示出來。 在這個還原過程中，是以消費者的角度來分析渦輪軸驅動發電機的。目的是為了準確反映軸轉速和扭矩特性與最小模型的秩序和復雜性。 數值調查表明，機械氣動和機械效應的一個例子所展現的測試系統實現了有限元建模環境。該系統是一種新興的橫向風軸機床，包括三個31.7米葉片，葉片的一套點俯仰角度為2.6 ， 一個82.5米的主軸，它們的額定功率為18.2 - RPM和
1.5兆瓦，在15米/秒的風速條件下. 汽輪機是透過一個簡單的異步發電機模型直接連接到60赫茲的機械。 它還利用ADAMS有限元軟件(來自機械動力學 公司) ，加上毫微克(即由國家可再生能源實驗室)軟件進行模擬。 這兩個軟件一起被稱為亞當斯. 所有參數測試系統的模型研制出一個現實的大型機器。 整個系統包含325個自由度，包括非常詳細地模擬動力和外部作用力。 由于機械設計中的大多數水平軸風力渦輪機極為相似， 結果使該方法的適用面廣。 研究者在用亞
當斯/分數制進行了研究以后，還廣泛接觸了以一個制動脈沖對該系統的瞬態響應的研究方法。為了模仿長達0.1毫米的三相短路，發電機軸對電路的混亂反應進行了分析。 系統的反應是一個阻尼振蕩的過程。 詳細的擬態分析表明，系統的振蕩是由于外層部分的葉片振動對兩者的內在部位的葉片的作用。這樣的結果是很典型的.現代風力渦輪葉片非常大，有彈性，而且往往顫動。1表明，它主要包含4 Hz分量。這也是典型的大型渦輪機， 它通常有第一型機械自然頻率在0至10赫茲范圍內。因為這個范圍也是典型的機電振蕩頻率范圍， 這還是風力渦輪機的關鍵頻率范圍。而研究者會傾向于研究機電振蕩的頻率。 模態的第一振蕩模式會產生一系列的主導反應。一個典型的系統，內部慣性主導地位取決于葉根和發電機的慣性量.許多研究者都推斷整個渦輪機和發電機成為一個單一的惰性體從而忽略第一機械型動態系統的作用。別人都認同第一動態模式，但不認同模式葉片彈性模式.相反，這些作者都假設葉片是一個慣性體而把模型渦輪軸作為一個彈簧體. 但是，在一個典型的系統中，軸上的刀片相比其他元件來說靈活得多. 我們的研究表明，第一機械模式的葉片可以與豎軸作為一個剛體. 我們的研究還表明，正確建模是研究力學的關鍵，以獲取準確的瞬態仿真結果.
9.3風力電動機技術之間的能量轉換
因為主要組成部分能量是短暫的，那是由于汽輪機的慣性能量的影響， 而且失速型風力渦輪機可準確模擬這種方式. 乙發電機模型中的標準做法是行之有效的建模發生器.標準而詳細的兩軸感應機模型是用來代表異步發電機的.由此方程可知，凡是暫態開路的時間常數，滑移速度，都是同步的電抗，還是暫態電抗.而且并在D軸和q軸定子電壓中， 并在D軸和Q軸的每單位定子電流中. 轉矩的計算是從定子電流的計算中得到的，是通過發電機模型參數計算出的相關參數。
風園造型中的風園分為幾個風力發電機連接到傳輸系統中整和為一個單一的系統.這需要建模，因為每個渦輪暫態穩定，可過于繁瑣.我們的目標是整和風園成為一套最起碼的等效模型.等價建模風園涉及到把所有渦輪以同樣的機械固有頻率成一個單一相當于渦輪機的系統. 每個這些等效的渦輪然后連接到異步發電機上.甲相當于水輪機模型的前提，我們的做法是: 因為輪機都離不開一個共同的系統，每個渦輪也受到了同樣的干擾力矩. 因此，渦輪機的性能相似于震蕩階段.因此渦輪可合并為一個平行的機械組合.模態分析風力公園系統支持這個假說。 考慮要予以合并的渦輪相同的自然頻率機械，那么等于渦輪建模方程中，彈簧和阻尼條件汽輪機分別是慣性體。渦輪得到的風力矩是利用，并迫使水輪機具有相同輸出功率為渦輪的總和，是機組的功率系數為渦輪機. 乙相當于發電機模型用異步發電機參數的納加權平均法來進行計算.用此方法，相當于機床參數和計算，以加權平均納每一科的異步電機等效 H/c。
10 風力發電機在現實中的使用范例
在風速12米/秒的情況下進行的測試.該系統還設有四個同步發電機. 每個同步發電機配備了調速器和勵磁系統.瞬態標準模型是隨著勵磁和調速用于同步發電機的模型.下列所有模擬執行了修改版的電力系統測試. 電力系統的工具箱作了修改以允許模擬風力發電機的情況.8風力發電機組顯示出的兩個混亂的組成造型. 在系統15日之后開放路線的循環故障. 研究者分析的雙渦輪慣性反應表明兩種模式的振蕩:一塊4.5赫茲模式和一個2.0赫茲的模式. 4.5 -赫茲模式，是機械方式的汽輪機和2.0赫茲模式是機電模式的汽輪機. 類似的分析中的一個
慣性反應表明只有一個模式，在240赫茲范圍內.它是一種機電模式.由于失誤， 單一慣性系統圖在第一搖擺區間出現了振蕩反應.電力工程師可能會得出不同的結論，不同的瞬態系統和小信號穩定性能的系統. 一個慣性反應表明，一個穩定的系統，以較低的首擺動偏差和高振蕩阻尼這樣的形式運動會更穩定.如其他的例子證明的情況下，單一的慣性反應，發生在穩定和更精確的雙慣性反應之間時是不穩定的.這個例子表明了等效風園的等效建模方法.兩個慣性與一個慣性渦輪響應. 實際運動的系統，以從17日至16日為例子.21個風力發電機每接到一個系統里后，17日就通過一項簡短的輸電線路整和成一個系統. 所有風力發電機是相同的雙慣性系統.通過建模兩例進行比較，首宗案件是一個具體的模型，每個風力發電機在該風園都是仿制的個體； 這實際上形成了126階模式的風園.今年在頭前7個風力發電機驅動下，風速14米/秒，并通過一條長1公里的配電線路接到系統17路. 第二組七個所帶動的風速為11米/秒，并通過 2公里的配電線路接連到系統17日.對第二個例子，風園是仿制單一相當于風力發電機的使用方法中的第五節( 6階模型)顯示出了風園實際運行能力.從3中可以看出，等效模型非常準確地代表了詳細的一個風力發電系統.其它仿真案件也證明這是正確的做法.我們比較兩個慣性降階汽輪機的響應.根據有限元模型，慣性模式的每種模式，然后連接到通過一個感應發電機.響應的有限元模型是列圖.1. 5慣性模式再現了每個葉片邊緣和瓣彈簧減震器； 在代表低速軸彈簧剛度特性中和氣動模型采用渦輪力理論.慣性模式也包含了離心力，重力和科里奧利效應.推導的五個型號慣性載荷如第三節敘述的水輪機性能.它直接透過1.68兆瓦的風力發電系統連接到60赫茲.兩個慣性降階模型整和成一個6階模型，而有限元模型大約有650階 ，而五年慣性模式是18秩序.可以看出，兩個慣性降階模型密切配合的高度詳細的有限元及五慣性模式.在這個例子中， 我們展示靈敏度的雙氣輪機模式而選擇的葉片斷裂點.6. 相同的模型中50%的突破點位葉片彈簧為中心的葉片半徑上.在例子1 .這種反應是比較了43%斷點和56%的突破點. 百分比顯示的位置，從沿葉片半徑樞紐葉片彈簧放置的位置中，反應的分歧也相當大，值得仔細挑選的是葉片斷裂點。
我國雖然是利用風力進行發電的最早的國家之一，但在其應用技術以及應用范圍上的發展卻不容樂觀。從現在開始，大力開展風力發電事業，我國未來的風力發電的前景是很有希望的，雖然國外的風力發電技術已比較成熟，但我們應大力開展自主研發。
本文根據我國現有的風力發電的基本理論，對風力發電機的風輪，主軸，回轉體和剎車裝置的結構進行了設計.根據實際工況要求和相關的設計參數對所設計的結構中的重要元件進行了校和.其中，風輪是重點進行設計的元件.風輪的結構包括槳葉，槳葉軸，圓盤及其上面的其他元件。通過對風力發電機的結構設計，使它基本實現了風能轉化為電能。這就使自然風為我們人類所用.本文所設計的裝置基本能保證五千瓦的功率輸出，但設計過程中也會因為考慮的不全面而使功率損失掉一部分，這些還需要進一步進行研究。
通過此次長達幾個月時間的畢業設計，讓我大學最后的生活充實而充滿挑戰性，其中很多問題是在次前沒有遇到過的，當我解決不了的時候，第一想到的是我們的老師，而他總是很耐心的給我們講解，所以在這里首先要感謝的是老師，他本身教學任務繁重，還要指導我們的畢業設計，有時候連一個基本的中午休息時間都沒有，對此我們感激不盡，相信即使大學畢業了也不會忘記他曾經給予的幫助；第二還要感謝同學，有的時候問題很棘手，我就會找同學討論，感謝他們在這中間給予的幫助
大學生活即將結束，通過這次設計又將大學里所學的知識統統拿出來用了一遍，用知識去解決問題，我想即使以后走入社會也不懼任何困難。
參考文獻
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