风力发电机文献综述.docx

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风力发电机文献综述

毕业设计文献综述

题目：

立轴风力发电机

学生姓名：

李春鹏学号:

090501224

专业:

机械设计制造及其自动化

指导教师：

刘恩福

2013年2月27日

一、摘要

风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生资源。

现有的风能转化系统大部分将风能通过风力机装置转化为机械能，然后通过电机转化为电能，通常风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机（HorizontalAxisWindTurbine简称为HAWT）和立轴风力机（VerticalAxisWindTurbine简称为VAWT）两大类，达里厄型（Darrieus）风力机为立轴风力机的典型机型.立轴风力机由于其结构和气动性能的独特优势，越来越被人们重视。

变速风力机可以在很大的风速范围内工作，而且能最大限度的捕获风能，提高风力发电机的效率，而成为当前该领域的研究热点。

本文以大型变速立轴风力机为研究对象，风力机为典型的达里厄型风力机,直接驱动永磁同步电机发电。

通过建立风力机气动性能评估模型、传动系统模型、电机以及控制系统的模型，并在MATLAB/SIMULINK进行仿真模拟，得到风力机在各种工况下的运行情况，并实现了最大风能追踪的算法。

变速风力发电机提高了风能利用率，但增加了控制系统的难度,本文对最大风能追踪策略的理论进行分析研究.分析了达里厄型风力机的气动性能评估模型,该模型是基于叶素动量理论的双多流管模型，考虑了达里厄型风力机旋转时叶片对风轮下盘面流动干涉的特性，以及翼型动态失速、气动阻力的影响，对1MW达里厄型风力机进行计算分析，得到了该风力机的气动性能，如风力机在各风速下的气动转矩与转速的关系，以及在各风速下的气动功率与转速的关系，为仿真模拟提供基础。

根据仿真的需要分别建立了风力机传动系统模型、永磁同步电机模型、最大功率跟踪算法等模型。

永磁同步发电机在同步旋转轴下建立，并对同步电机的解耦控制做了分析，最大功率跟踪算法采用尖速比控制方法.最后在MATLAB/SIMULINK中且搭建了整个系统的仿真模型，对1MW达里厄型风力机低风速气动、高风速刹车、额定风速下变风速运行等工况进行了仿真模拟.通过模拟得到风力机在各种工况下的运行情况,实现了最大风能追踪的算法,采用尖速比的控制方法追踪最大风能的效果显著，为进一步立轴风力发电机控制系统的设计提供依据。

ABSTRACT

Therapidprogressonwindenergyconversiontechnologyhasmadewindenergytobeoneofthemostimportantrenewableandsustainableenergy.Currentwindenergyconversionsystemtranslatesthewindenergytomechanicalenergybywindturbine,andthenconvertsittoelectricitybygenerator.Accordingtothedirectionoftherevolvingshaftinspace,windturbineincludestwotypes，oneishorizontalaxiswindturbine（HAWTforshort）,andtheotherisverticalaxiswindturbine（VAWTforshort），theverticalaxiswindturbineisfamousforDarrieustype。

Therehasbeengrowingattentiontoverticalaxiswindturbineforitsuniquestructuralandaerodynamicadvantages.Asvariablespeedwindturbineworksatlargerrangerofwindspeed,utilizesmuchmorewindenergy，Improvetheefficiencyofwindturbines。

Soithasbecomethehottopicinthefield。

Thispaperisbasiconlargevariablespeedverticalaxiswindturbine.ThewindturbineisDarrieustype，anditdivespermanentmagnetsynchronousgeneratordirectly。

Throughestablishmentofaerodynamicperformanceevaluationmodel，dive-trainmodel,generatorandcontrolsystemmodel,andsimulatingofthewindturbinesystemmodelinMATLAB/SIMULINK，wecanobtaintheperformanceofwindturbineinavarietyofconditions,andachievethealgorithmofMaximumPowerPointTracking.

AlthoughvariablespeedwindturbineImprovetheefficiencyitIncreasethedifficultyofthecontrolsystem。

TheMaximumPowerPointTrackingcontrolStrategytheoryisanalyzedinthispaper.Theaerodynamicperformanceevaluationmodelisestablished,it’sthedouble-diskmultiplestream—tubemodelintheframeworkofbladeelementmomentumtheory,theairfoildynamicstalleffectandaerodynamiclosseswereincluded.weobtainedtheaerodynamicperformancebycalculatingforthe1MWDarrieusverticalaxiswindturbine,suchastherelationshipbetweenaerodynamictorqueandrotatingspeedatdifferentwindspeed，therelationshipbetweenaerodynamicpowerandrotatingspeedatdifferentwindspeed.Ithasprovidedabasisforthenextsimulation。

Thedrivetrainmodel，permanentmagnetsynchronousgeneratormodelandMaximumPowerPointTrackingmodelhavebeenestablished。

Thegeneratormodelisestablishedatsynchronousrotatingcoordinatesystem。

Andwehaveanalyzedthedecouplingcontrolofsynchronousgenerator.TheMaximumPowerPointTrackingisbasedontipspeedratiocontrolmethod。

Finally，theentiresystemmodelisestablishedinMATLAB/SIMULINK。

Thestartingatlowwindspeed，brakingathighwindspeedandoperatingatvariablewindspeedof1MWverticalaxiswindturbinehavebeensimulated.Theperformanceofthewindturbineisobtainedduringthesimulating。

ThealgorithmofMaximumPowerPointTrackingisachieved.TheuseoftipspeedratiocontrolmethodisSignificantforMaximumPowerPointTracking.Ithaslaidthefoundationforfurtherdesignoftheverticalaxiswindturbinescontrolsystem.

二、风力发电的发展现状

2.1风力发电的发展现状

从能量转换的角度看，风力发电机由两大部分组成，其一是风力机，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。

现有的风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机（HorizontalAxisWindTurbine简称为HAWT）和立轴风力机（VerticalAxisWindTurbine简称为VAWT）两大类.

水平轴风力机的结构特征是风轮的旋转平面与风向垂直，旋转轴和地面平行，如图1。

1所示.水平轴风力机的主要有三部件组成，即风轮（包括叶片、轮毂等）、机舱（包括齿轮箱、电机、偏航装置等）和塔架及地基。

风轮是风力机最主要的部件,由叶片和轮毂组成。

叶片具有良好的空气动力外形,在气流作用下能在风轮上产生气动扭矩使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速，驱动发电机转变成电能，最后电机发出的电能通过变流并入电网。

水平轴风力机又可分为两种：

一种是为上风向风力发电机.风轮在塔架的前面迎风旋转．迎风面的调整依靠尾翼；另一种是下风向风力发电机,它的风轮在塔架的后面,叶片的阻力可以保证迎风面的正确取向,但是风先经过塔架,再到风轮，会影响风力机出力，由于尾翼结构并不复杂,因此，目前大量生产的是上风向风力机。

水平轴风力机是目前国内外研制最多，最常见的一种风力机，也是技术最成熟的一种风力机。

其风轮叶片数一般为2～3叶，叶片形状一般为翼形,该风轮启动力矩较大，风能利用系数高。

立轴风力机的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行（如图1。

2），立轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。

立轴风力机最典型的是由与萨窝纽斯同时代的法国人达里厄（G·J·Darrieus）首创的Darrieus型风力机根据风叶的形状,Darrieus型风力机又有多型。

如果按风力机叶片吸收风能方式划分，又可以分为阻力型风力机和升力型风力机。

现代立轴风力机的发明人是法国工程师GeorgesJ.M.Darrieus，他分别于1925年在法国和1937年在美国获得立轴风力机的发明专利,但当时他的发明几乎没有得到人们的注意，以至于二十世纪六十年代两名加拿大籍研究者在并不知情GeorgesJ.M。

Darrieus发明专利的情况下再一次地重复了GeorgesJ.M。

Darrieus的工作,尽管如此，今天的立轴风力机依然以Darrieus形式得到闻名，并且由于受到GeorgesJ。

M。

Darrieus的启发，立轴风力机的新形式也层出不穷。

上个世纪70年代美国国家重点实验室Sandia开始着手商业化风力机的研制工作,把主要的兴趣集中在立轴风力机上,并成功地在屋顶上安装了一台直径为5米的实验样机两年后，sandia开发了第二台安装在地面上更大的样机，直径为17米。

与此同时，一项经济研究发现，如果立轴风力机的设计在某些方面加以改进的话，能比水平轴风力机具有更好的性价比。

1976年的研究工作使立轴风力机的改进目标得以明确，如提高叶片翼形的气动效率，整个叶片外形的细长化和叶片数目的优化等等,当时的sandia的第二台样机在性能上比水平轴风力机更有优势。

文章[4]从多方面分析了水平轴及立轴风力机的优缺点，并做了详尽的论证，举出了立轴风力机的发展前途及优势。

通过各方面的比较分析，立轴风力机优点主要包括以下几个方面:

①增大立轴风力机的高径比能够以较低的安装和运行成本达到风场电能输出倍增;

②立轴风力机的结构简单而且受力更为合理，水平轴浆叶上受到正面风载荷力、离心力，叶片结构相似悬臂梁，叶片根部受到的由弯矩产生的应力较大，大量事故都是叶片根部折断。

立轴风力机叶片两头与轴固定,尤如一张弓，叶片是柔性的,叶片的形状不是由叶片的刚度来保证的，而是轴旋转后叶片自然形成一条“无弯矩应力曲线”，叶片只受拉应力，故受力较小，用料少，不易折断；

③叶片断面均匀，制造方便；

④安装维护容易,垂直轴风力发电机组发电机的齿轮箱在底部，重心低，不仅稳定，而且维护方便,风机塔架可以用钢索进行固定，因而制造成本大大减小；

⑤安全性高及其优美的外观等。

尽管水平轴风力机的技术越来越成熟，但立轴风力机由于独特的优势，越来越被人们所重视，发展潜能巨大，正因为此，本文以大型的立轴风力机为研究对象。

2.2国内外风力发电的发展现状

从上个世纪七十年代石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源,投入大量经费，动员高科技产业,利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。

丹麦、德国和西班牙等欧洲国家相继出台了激励风电发展的政策,其核心是长期固定的较高收购风电电价,鼓励投资，培育稳定市场，使这些国家成为风电机组市场扩展最快的地区.风电场是将多台并网型风力发电机组安装在风力资源好的场地,按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，是大规模利用风能的有效方式。

近几年来世界风电发展格局和趋势分析来看,主要有以下几个特征：

风电发展向欧盟、北美和亚洲三驾马车并驾齐驱的格局转变；通过规模化、系列化和标准化，可以大幅度降低售价风电技术发展迅速,成本持续下降;国家政府放入支持是风力发电的主要动力;风力机的单机容量越来越大，并从陆地想海上发展。

海上风电由于其资源丰富、风速稳定、开发利益相关方较少、不与其他发展

项目争地、可以大规模开发等优势，一直受到风电开发商关注.但是,海上风电施工困难、对风机质量和可靠性要求高，自1991年丹麦建成第一个海上风电场以来,海上风电一直处于实验和验证阶段，发展缓慢。

随着风电技术的进步，海上风电开发开始进入风电开发的日程。

2000年，丹麦政府出于发展海上风电考虑，在哥本哈根湾建设了世界上第一个商业化意义的海上风电场，运行至今，为海上风电开发积累经验。

此后，世界各国开始考虑海上风电的商业化开发,其中欧盟的海上风电占世界海上风电的90％。

海上风电开发成本高于陆地的问题是难以克服的。

在条件允许的情况下，优先开发陆上风电；风能资源条件特别好的海上项目，一旦决定开发，适当提高开发规模，尽可能利用成熟技术和装备，提高可靠性.截止到2008年底，全球风电装机总容量已达到121187。

9MW，当年新增装机容量27261。

1MW；从地区看，美国、德国、西班牙、中国和印度累计装机位列全球前五，其中美国占全球累计装机的20。

7%，德国占19。

7%，西班牙占13。

8%,中国占10.1％，印度占7.9%，截止到2008年底，全球范围内，装机容量在2000MW以上的国家已经达到了12个。

其中加拉大和新西南都是在2008年加入到这个行列中。

表1。

1显示了2008年总装机容量前20位的国家。

风电场于20世纪80年代初在美国加利福尼亚州兴起，美国把发电技术作为维系现代化生活和现代工业文明的基础.美国在20世纪80年代曾经是世界风电和太阳能发电大国，近年来，随着对气候变化问题的重视和对保障能源安全的理解,以风电和太阳能发电为代表的分布式发电技术的发展重新抬头。

自2000年布什入主白宫以来，美国政府开始关注可再生能源的发展，联邦政府共计拨款120亿美元，支持新能源技术的研究开发，并且取得了令世界瞩目的成果,美国重新成为世界风电大国,2001-2007年，美国的风电增加了300%,2008年年新增风电装机容量8351。

2MW，累计装机容量达到25170.0MW，2008年超过德国,累计装机容量居世界第一.德国对风力发电的扶持政策是目前国际上最有效的政策之一。

德国政府早在20世纪90年代就制定了风电等可再生能源发电上网和强制购买的法律,要求电网公司无条件地按照法律规定的价格购买风电，并按照风能资源（依据风速高低）和开发条件（海上和陆上）列出风电上网电价计算公式,有力促进了德国风电产业的发展，使得一个已经开发的风电场平均利用小时数只有1800小时的低风速国家成为世界上风电产业最成功的国家.使风电装机容量07年前一直稳居世界第一，08年被美国赶上。

西班牙是世界上风电发展最快的国家之一,其既是风电市场大国,又是风电装备制造大国。

西班牙风电自1997年开始快速发展，近10年的年均增长率超过了60%，2008年风电新增装机1595。

2MW，累计装机容量达到16740.3MW，位居世界第三，占世界风电总装机容量的15.5％，占西班牙电力总装机容量的15%，风电提供了8.7%的电量，在西班牙的电力供应中已经开始发挥一定的作用.在风电市场快速发展的同时，西班牙通过引进和吸收丹麦的技术，逐步建立风电机组制造产

业,其三家大的风电机组制造企业市场销售量占世界总量的20%左右，成为全球第二大风机制造国.

印度风电的发展速度惊人，该国发展风能的原始推动力来自其20世纪80年代早期的非传统能源署。

其目的是为了鼓励发展化石能源之外的其他多样化能源，以满足对煤、石油和天然气的大量需求。

其间对风能进行了大量研究，并建立了全国范围内的风速测量网络系统，这些使得对风力潜能的评估和确认适宜地区进行风力发电的商业开发成为可能。

2008年年底，印度总装机容量达到9587。

0MW,比2007年净增了1737.0MW。

目前，印度的风电开发在亚洲处于领先地位，在世界上也保持在前五大生产国之列。

根据世界风能协会09年的报告，在过去的十年中,风电事业发展迅速，全球风电的年平均增长率一直保持在29％左右.按这种速率发展到2020年全球的总装机容量可能会达到1500000MW，如图1。

3所示,蓝色线为全世界已经达到的总装机容量,绿色线表示未来12年预测全世界总装机容量。

风能将在新能源中占有更大的比重,发挥更大的贡献.

我国可开发利用的风能资源为2.53亿KW,新疆、内蒙至东北和东南沿海两大主风带有效风能密度大于200W/m,有效风力时间百分率在70%以上。

可以说，

我国开发风能具有良好的自然环境和资源条件。

近几年来，随着我国电网覆盖程度的提高，在各级政府、电力部门和国外政府及金融组织的援助下，我国在新疆、内蒙、广东、福建、辽宁等地区建立了20座风力发电场，对缓解当地电力供应矛盾，提高供电质量起到了很好的作用。

目前风电在各种新能源中发电成本最接近传统能源，中国风电产业的驱动因素并未因金融危机和中国经济增速减缓发生改变,未来两年仍将保持高速发展趋势。

我国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了有力的扶持。

在2008年提前实现了10000MW的目标，在2020年达到30000MW的目标。

制了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特许权招标”等措施,推动技术创新、市场培育和产业化发展.在2008年，新装机容量达到6298.0MW，2008年增长速度达到106.5％，在风电发展的主要国家中是最高的.我国在风电装机容量的世界排名中，2004年居第10位，2007年跃居第5位，2008年上升到第四位，并有望建立起世界最大的风电市场。

我国风力发电发展迅速，政府设立的2010年的发展目标已经于2008年提前完成。

风电已经在节约能源、缓解我国电力供应紧张的形势、降低长期发电成本、减少能源利用造成的大气污染，以及温室气体减排等方面崭露头角，开始有所作为。

我国的风电制造业发展迅猛.2005年之前，中国只有少数几家风电制造商，且规模小、技术落后，在激烈的市场竞争中风雨飘摇，风电场建设主要依赖进口。

《可再生能源法》的颁布极大地调动了投资商的积极性，除了原来的金风科技、浙江运达加大投入、迅速扩张之外,上海电气、东方汽轮机、华锐风电（原大连重工集团）、中国船舶以及通用电气、维斯塔斯、歌美飒、苏司兰、西门子等一批国内外大型制造业和投资商纷纷进入中国风电制造业市场，还有一批中小型制造企业正在成长,依托良好的研发基础，表现出较强的发展实力，如南车、湘电集团等。

在政策激励和市场拉动的双重作用下，风电装备制造和设计技术的转让加速,开始形成自主制造能力，兆瓦级的风力机相续问世。

虽然我国的风力发电产业取得了长足的发展，但是技术水平还比较低.国内的风电市场多为国外厂商所占据，迄今为止中国还没有一台大型风力发电机出口到国外。

国际上成为主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于仿制阶段。

虽然有报道说国内部分企业已经生产出了兆瓦级的风力发电机,但多是和国外公司技术合作的结果，这些合资公司只能进行总装,不能掌握核心技术.真正有自主知识产权、能独立生产的企业还没有出现。

我国风电发展缓慢、技术水平不高与很多因素有关.其一，国内风电研究起步晚，投入不足，缺乏技术创新和大型风力发电机的研发经验,我国还没有建立国家级的风电技术研发平台,缺乏持续深入的基础研究，更重要的是，我国还没有形成掌握风电整机总体设计方法的核心技术和人员队伍，更缺乏自主创新的风力发电基础性理论、辅助工具和研究成果，尤其是对兆瓦级以上风电机组的整体设计能力还很薄弱,很大程度上仍依赖于技术引进,不能形成具有国际先进水平的自主研发能力和自主知识产权技术，被迫长期维持国际成熟机型制造商角色，最近在新机型的联合开发过程则仍然以国外合作设计机构为主要力量，中方研发人员则以学习和积累经验为主,还没有形成自己的设计理念和方法。

研发人员缺乏是新能源产业发展面临的普遍制约，特别是系统掌握风电理论并具有风电工程设计实践经验的复合型人才，一定程度上影响了产业的发展步伐。

总体上看，我国风电设备制造业仍处于从“技术引进和消化吸收"转向“自主创新”的初期阶段。

其二，风电价格过高需要政策的支持。

据了解，风电上网要比火电高，如果价差在地方电网内分摊,地方电网就有可能背上沉重的包袱，所以解决这个问题，需要立足于全局，并制定相应的法律以及可执行的分摊机制,以解决公司或地方部门投资风电的后顾之忧；其三,国外风电厂商技术保护严格,中国企业很难获得风电的核心技术,这就需要国家在项目招标等方面进行合理的引导,吸引外商技术转让。

2.3风力发电控制技术研究现状

风力发电技术是涉及空气动力学、电气工程、控制技术、机械传动、电机学、力学、结构动力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。

目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、