风力风电场课程设计.docx
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风力风电场课程设计.docx
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风力风电场课程设计
沈阳工程学院
课程设计
设计题目:
独立运行风电系统设计与主要设备选择
系别班级
学生姓名学号
指导教师职称
起止日期:
年月日起——至年月日止
沈阳工程学院
课程设计成绩评定表
系(部):
班级:
学生姓名:
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料;能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真,遵守纪律,出勤情况是否良好,能够独立完成设计工作。
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务,工作量饱满,难度适宜。
0.2
5
4
3
2
报告质量
设计报告立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
(加权分合计乘以12)
分
加权分合计
指导教师签名:
年月日
评阅教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性;有综合归纳资料的能力。
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满,难度适中。
0.5
5
4
3
2
设计报告质量
设计报告立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
(加权分合计乘以8)
分
加权分合计
评阅教师签名:
年月日
课程设计总评成绩
分
《风力发电场》课程设计指导书
一、设计目的与主要任务
1.设计目的
巩固课堂所学的基本理论,加深理解专业知识,强化对风电系统的认识与实际应用,为将来走上工作岗位奠定基础。
2.主要任务
(1)户用型独立运行风电系统的设计及其主要设备的选择。
(2)村落型独立运行风电机组的应用及其主要设备的选择。
二、设计条件
1.当地用电负荷及耗电量统计表(户用型及村落型);
2.当地用电日负荷曲线及月负荷曲线(户用型及村落型);
3.当地年风速频率分布及月平均风速分布(户用型及村落型);
4.相关风电机组的输出功率分布及机组相关参数等;
5.其他设计中需要给出的相关参数等。
三、设计要求
1.独立撰写一份设计报告,完成布置的设计任务,要求设计报告字迹工整、公式准确、图表清晰等。
2.CAD绘制户用型及村落型风电系统设计电路图、风力机(含塔架、基础等)示意图等,附于设计报告之后作为附图。
3.设计中应注意团结协作及独立工作相结合,严禁互相抄袭,一经发现,本次设计按不及格计。
4.保证设计时间,严格请假制度,如有特殊情况,需明确告之,否则本次设计按不及格计。
四、时间安排(共计2.5周)
时间
设计内容
2010年12月29日-
2010年12月31日
指导教师讲解设计任务,学生收集资料,形成设计思路,完成独立运行风电系统的设计图(CAD绘制)
2011年1月4日-
2011年1月10日
户用型及村落型独立运行风电系统主要设备选择,包括风电机组容量计算、蓄电池组容量计算、整流器及逆变器容量计算等、风电机组微观选址等
2011年1月11日-
2011年1月12日
CAD绘制户用型及村落型风力机(含塔架、基础等)示意图
2011年1月13日-
2011年1月14日
整理、撰写设计报告,进行本次设计答辩、总结等
五、主要参考资料
1.王承煦、张源主编,风力发电.北京:
中国电力出版社,2003;
2.宋海辉主编,风力发电技术及工程.北京:
中国水利水出版社,2009;
3.何显富、卢霞等主编,风力机设计、制造与运行.北京:
化学工业出版社,2009;
4.李建林、许洪华主编,风力发电中电力电子变流技术.北京:
机械工业出版社,2008;
5.CAD绘图的相关资料及其他风力发电相关书籍、技术文章等。
六、设计主要步骤及基本公式
第一部分:
户用型及村落型独立运行风电系统的设计
1.户用型及村落型独立运行风电系统框图
2.户用型及村落型独立运行风电系统设计电路图
参考以下图示:
第二部分:
户用型风力发电机组的选择
1.户用型用电及当地风资源状况
(1)户用型用电负荷及其耗电量统计
正确计算与分析(统计)用户现有的负荷耗电量,并做出客观的负荷用电预期,是选择风电机组容量的第一步。
表:
户用型用电负荷及其耗电量统计
负荷
名称
功率
(W)
日平均用电
小时数(h)
年平均用电
小时数(h)
日用电量
(kWh)
年用电量
(kWh)
备注
电灯
1.5
2
4
1460
√
√
电视机
50
3
1095
√
√
按平均功率
收录机
15
4
1460
√
√
鼓风机
25
1.5
548
√
√
按输出有效功率
电热毯
30
340
√
10.2
冬季按4.5月
其他
100
1
365
√
√
合计
√
√
要求:
计算日用电量及年用电量,分析本例用户的耗电水平等。
(2)户用型日负荷耗电曲线及其月负荷耗电曲线
为了有效利用风能,保证用户基本负荷需要,必须编制用户的日负荷耗电曲线。
此外,在日负荷耗电的基础上编制月负荷耗电曲线的目的是为了寻求风力发电机组输出功率与用户负荷间的最佳匹配方案。
有时,为降低风电系统的蓄能容量或受系统蓄能容量的限制,还需对用户的负荷耗电进行必要的调整。
要求:
获得当地日耗电集中时段及用电比例、月基本负荷、月平均负荷及负荷变化率、月耗电集中期并与风资源状态作对照,考察风力发电是否不足等。
(3)户用型月平均风速分布及年风速频率分布
注:
每名同学一组数据,参见数据分配表。
风速的不定常变化直接关系到风力发电机组的发电量与安全性,影响到负荷的调整方式及蓄能装置容量的选择等。
表:
户用型当地月平均风速分布
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
风速(m/s)
表:
户用型当地年风速频率分布
风速(m/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15~17
小时数(h)
要求:
绘制当地月平均风速曲线,并与用户月负荷耗电相对照考察发电充足月份、发电不足月份及与用户月负荷耗电的符合度等;计算当地年平均风速,并注意后面结合所选风力发电机组,统计当地无效风时数(含次数)等。
2.户用型风力发电机组容量的计算与选择
风电机组容量的选择与当地负荷、风能资源、用户要求及投资等诸多因素有关。
其中最基本的要求是:
风电机组年发电量必须大于用户的年用电量,同时兼顾风电机组与用刻的接线方式及配套设备等,考虑一定的富裕发电量。
(1)户用型风电机组发电量的计算
根据用户负荷耗电及当地风资源等,并结合风电机组生产厂家提供的机组相关参数,初选风力发电机组的容量。
本例初选100W级风电机组。
对于这种小型风力发电机组,其发电量的估算作如下考虑:
A.风速在切入风速与额定风速之间时,机组输出功率与风速三次方成正比;
B.风速在额定风速与切出风速之间时,机组输出功率等于其额定功率。
如:
100W风电机组,风轮直径1.8~2m,切入风速3m/s,额定风速6.3m/s,切出风速15m/s,其输出功率:
(2-1)
式中:
—空气密度kg/m3;
—风轮扫掠面积m2;
—来流风速m/s;
—风能利用系数;
—机械效率;
—发电机效率;一般可取风电机组效率
。
(2-2)
其中:
(2-2a)
(2-2b)
式中:
—风电机组额定功率kW;
—与
对应的年内小时数h;
—不同的风速m/s;
—风电机组切入风速m/s;
—风电机组额定风速m/s;
—风电机组切出风速m/s。
要求:
结合当地年风速频率分布估算初选风力发电机组的年发电量E,并与户用型年负荷耗电量相比较,考察其富裕度。
(2)户用型风电机组容量的校验
用户负荷与风电机组发电量间经常处于一种动态的平衡与不平衡的变化之中。
当风速显著提高时,风电机组发出的电能有时会远大于用户消耗;而当低风速时,风电机组提供的电能有时却不能满足用户需要。
因此,按用户年总耗电量进行风电机组的初选后,还应结合当地风速与用户负荷间的匹配特性,检验所选风电机组容量是否正确。
考虑到户用型用电负荷相对稳定,且已知数据中并未提供当地各月的风速时数分布,只提供了月负荷耗电曲线、月平均风速分布及年风速频率分布等,故可利用电能均衡法进行校验。
即根据各月平均风速,按简单比例关系可获得风电机组各月的发电量分布,再结合月负荷耗电曲线,进一步可求各月的风电盈亏情况。
如100W风力发电机组,年发电量为E,当地年平均风速为v,则各月份发电量如下表,基本公式为:
Ei=(vi/v)(E/12)(2-3)
表:
户用型100W风力发电机组各月份发电量
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
风速(m/s)
发电量(kWh)
考虑风电机组输出端到用户端存在电能传输及蓄能损耗等,这里取损耗率为L%,各月负荷耗电为ELi,则各月的风电盈亏情况如下表,基本公式为:
PL=[Ei(1-L%)-ELi]/ELi(2-4)
表:
户用型各月风电盈亏情况
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月负荷耗电(kWh)
盈亏率(%)
要求:
获得盈亏率在10%以上及10%以上的月份。
实际应用中,各月份风力发电富裕度应保持在10%以上,否则需考虑进行风电机组的增容计算。
(3)户用型风电机组的增容计算
(2-5)
式中:
—风电机组需增加的容量kW;
—由风电盈亏分布所得的风电不足部分的电量kWh;
,即风电机组效率,一般在06~0.9之间;
—风电机组年利用系数(一般在0.21~0.30之间)
(2-6)
式中:
—风电机组额定功率kW;
—风电机组输出端提供的最小保证电量kWh
(2-7)
式中:
—用户负荷年耗电量kWh;
—用户所需风电机组供电的比例。
要求:
若风电机组的增容量不大时,可通过蓄能装置的电能储存来弥补,否则应提高所选风电机组的容量至相应等级。
第三部分:
户用型风电系统蓄能装置、整流装置及逆变装置的选择
1.户用型风电系统蓄电池组容量的选择
(1)蓄电池组的功能及其容量
独立运行风电机组配备蓄能装置—蓄电池组,在强风速期间使风电机组除向用电负荷供电,还可将多余电能在蓄电池中储存起来;在弱风速或无风期间,蓄电池可将储存的电能释放出来,供负荷使用。
风力发电的蓄电池有铅酸蓄电池与镍镉(碱性)蓄电池两类,一般使用铅酸蓄电池。
蓄电池的容量用Ah表示,如容量100Ah的蓄电池,若放电电流为10A,可连续放电10h等。
蓄电池放电时的最佳电流值为10h放电电流,其最佳充电电流等于其最佳放电电流值。
蓄电池电压会随其放电而逐渐降低,对于铅酸蓄电池,其放电电压不能低于1.4~1.8V。
蓄电池经多次充放电以后,其容量亦会降低。
若蓄电池容量降低到额定容量的80%以下时,就不能再使用了。
影响蓄电池寿命的因素很多,如充放电过度、蓄电池电解液浓度太大或纯度降低及高温环境下使用等。
通常在风电机组与蓄电池、蓄电池与负荷间设有电源控制器,可防止蓄电池过充与过放等。
(2)蓄电池组容量的选择
通常采用年能量平衡法及连续无效风时计算法来综合考虑户用型风电机组蓄电池组容量的选取。
A.年能量平衡法
(3-1)
式中:
—蓄电池组容量Ah;
—由风电盈亏分布所得的风电不足部分的电量kWh;
—蓄电池组输出电压,对于100W级风电机组,一般为24V。
B.连续无效风时计算法
(3-2)
式中:
—用户日负荷耗电量kWh;
—蓄电池组效率,一般取为75%~90%;
—当地年平均无效风时数h
(3-3)
式中:
hn—当地小于风电机组切入风速的年小时数h;Tn—对应于hn的次数;hn1—低于切入风速且小于1h(按1h计)的年小时数h;Tn1—对应于hn1的次数。
要求:
选用蓄电池组容量时应考虑一定的裕量,并根据上述两种方法所选取的蓄电池组容量进行综合选定(其中,A方法选取值偏大,B方法选取值基本满足要求)。
2.户用型风电系统整流器及逆变器的选择
(1)整流器及逆变器的功能与考虑因素
整流装置—整流器的功能是将风力发电机组发出的交流电整流为直流电,并能向蓄电池组充电。
逆变装置—逆变器的功能则是实现直流电转变为交流电,以供交流负荷使用。
其中,整流器应与风电机组相适应,因为风电机组输出的电压与电流随风速波动而发生变化,若整流器参数选取不当,将使电子元件受到破坏。
而逆变器则要充分考虑用户负荷容量、负荷性质及负荷组合等因素的影响。
(2)整流器的选择
整流器根据电路中可能承受的最大正、反向峰值电压和流过的最大电流来选择。
整流电路为三相桥式全波整流,整流元件为硅二极管或晶闸管。
如100W级风电机组,输出电压为24V,最高负荷电压限制在28~29V,最大负荷电流限制在4~6A。
因此,所选整流器的承受的最大正、反向峰值电压Umax及流过的最大电流Imax分别为:
Umax=1.05Uzo(3-4a)
(3-4b)
式中:
—风电机组最高负荷电压V;
—风电机组最大负荷电流A。
特别注意:
整流回路中易出现操作过电压或换向过电压,一般加装阻容过电压保护。
其中,电阻R与电容C容量的取值可参考下面公式:
(3-5a)
(3-5b)
式中:
—整流器输出电压V;
—整流器输出电流;
—风电机组输出功率VA,
;
—整流器入口电压V。
要求:
选取整流器相关参数时应考虑一定的裕量。
(2)逆变器的选择
中、小型风力发电系统常选择晶闸管逆变器,它具有质量轻、体积小、逆变效率高(可达85%~90%)及运行操作简单等优点。
晶闸管逆变器有单相与三相之分,100W级风电机组常用单相晶闸管逆变器,主要由晶闸管元件、电容、电感及电阻等构成。
逆变器的基本原理是由电容与电感组成谐振回路,通过两者不断地充放电,将直流电转变为可变频率的或某一固定谐振频率的交流电,其中晶闸管起控制充放电的换向作用。
逆变器容量的配置应比其最大用电负荷高10%~20%,可根据用户日负荷耗电曲线中的最大用电负荷并考虑一定裕量后进行确定。
第四部分:
村落型独立运行风电机组的应用及主要设备的选择
1.村落型独立运行风电机组的应用
在远离电力网的地区,如用户分散、负荷又轻的村落或交不变的孤立海岛等,如果当地风能资源较为丰富,建立独立运行的风电系统来解决当地的电力供应问题是相当有效且经济的。
如在内蒙古的农牧区,利用小型离网型(独立运行)风力发电机组供电,不仅解决偏远地区电力供应困难问题,而且用电成本大大降低。
利用风电系统,农牧民承担的电费为2RMB/kWh,相比用电网延伸的方法,农牧民承担的电费高为8RMB/kWh,若利用汽油/柴油发电机,电费亦高达6RMB/kWh。
因此,村落型独立运行风电系统具有良好的发展前景。
2.村落型用电及当地风资源状况
(1)村落电负荷及其耗电量统计
表:
村落型用电负荷及其耗电量统计
负荷
名称
功率
(kW)
日平均用电
小时数(h)
年平均用电
小时数(h)
日用电量
(kWh)
年用电量
(kWh)
备注
电灯
5.8
4.5
1650
√
√
多家用户
电视机
4.2
3.5
1280
√
√
按平均功率
电冰箱
9.2
8.0
2920
√
√
按平均功率
供水泵
8.1
1.5
550
√
√
按输出有效功率
鼓风机
2.0
1.5
550
√
√
按输出有效功率
动力负荷
70.0
8.0
2920
√
√
合计
√
√
要求:
计算日用电量及年用电量,分析本例用户的耗电水平等。
(2)村落型日负荷耗电曲线及其月负荷耗电曲线
要求:
获得当地日耗电集中时段及用电比例、月基本负荷、月平均负荷及负荷变化率、月耗电集中期并与风资源状态作对照,考察风力发电是否不足等。
(3)材落型月平均风速分布及年风速频率分布
注:
每名同学一组数据,参见数据分配表。
表:
村落型当地月平均风速分布
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
风速(m/s)
表:
村落型当地年风速频率分布
风速(m/s)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16~25
小时数(h)
要求:
绘制当地月平均风速曲线,并与用户月负荷耗电相对照考察发电充足月份、发电不足月份及与用户月负荷耗电的符合度等;计算当地年平均风速,并注意后面结合所选风力发电机组,统计当地无效风时数(含次数)等。
(4)村落型风力发电机组容量的计算与选择
根据用户负荷耗电量及当地风资源等,并结合风电机组生产厂家提供的机组相关参数,初选风力发电机组的容量。
;
;这两个公式的说明见第三部分。
根据上面公式,可初选风力发电机组的容量。
然后按生产厂家提供某容量风电机组输出功率分布校验其发电量是否满足用户需要。
(4-1)
本例可初选100kW级风电机组,如130kW风力发电机组,风轮直径为20m,切入风速为5m/s,额定风速为14m/s,切出风速为25m/s输出功率分布如下表。
表:
130kW风力发电机组输出功率分布
风速(m/s)
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16~25
功率(kW)
5
10
21
39
53
75
89
101
119
131
138
125
要求:
结合当地年风速频率分布及风电机组输出功率分布,按式(4-1)估算风电机组年发电量,与用户年负荷耗电量相比较,考察其富裕度。
(5)村落型风电系统蓄电池组容量的选择
采用基本负荷连续供电保障小时计算法选取村落型风电机组蓄电池组容量。
(4-2)
式中:
—考虑用户用电量增长的裕量,一般取1-%~20%;
—生活基本负荷的最大值kW;
—要求风电机组向基本负荷供电的小时数h;
—供电处端电压,如100kW级风电机组输出电压一般为380V,供电处最大端电压可达440V。
要求:
选用蓄电池组容量时应考虑一定的裕量。
(6)村落型风电系统整流装置及逆变装置的选择
1)整流器参数的选择
所使用的公式如前所述,只是其中参数有所不同。
如130kW风力发电机组带负荷运行时的最高电压为400~440V,最大负荷电流为40~50A。
2)逆变器电路及容量的选择
村落型风电系统中,逆变器容量或容量组合需充分考虑到负荷分配方式及负荷的日变化曲线。
因此,必须考虑采用三相晶闸管逆变器。
第五部分:
用户型及村落型独立运行风电机组的微观选址
1.气象因素
2.地形条件
第六部分:
风电系统及风力机CAD绘图
1.户用型及村落型风电系统设计电路图。
2.风力机(含塔架、基础等)示意图。
3.绘图基本要求
(1)按机械制图标准绘制,包括标注、线条、圆弧、剖面线及制图说明等。
(2)图面要清洁,不能随意勾画。
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- 风力 电场 课程设计