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1、塔里木大学毕业论文（设计）开题报告课题名称风力发电机传动系统建模与仿真学生姓名学号所属学院机械电气化工程学院专业班级指导教师起止时间2012.10.15-2013.5.18机械电气化工程学院教务办制填表说明一、学生撰写开题报告应包含的内容：1、本课题来源及研究的目的和意义；2、本课题所涉及的问题在国内（外）研究现状及分析；3、对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析；4、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路；5、完成本课题所必须的工作条件及解决的办法；6、完成本课题的工作方案及进度计划；7、主要参考文献（不少于7篇）。二、本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在接到“毕
2、业论文（设计）任务书”的两周内独立撰写完成，并交指导教师审阅。三、开题报告要求手写体，字数在3000字以上，由学生在本报告册内填写，页面不够可自行添加A4纸张。四、每个毕业论文（设计）课题须提交开题报告一式三份，一份学生本人留存，一份指导教师存阅，一份学生所在学院存档，备检备查。一、课题研究的目的和意义随着世界各国对能源需求的持续增长，煤炭、石油等常规能源的逐渐枯竭以及环境污染问题的日益严重，人类越来越重视可再生能源的利用。在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。风力发电具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等优点，被世界各国优先采用，风力
3、发电技术也成为各国学者竞相研究的热点。我国是人口大国，又是资源相对缺乏的国家，要实现我国全面建设小康社会和社会经济的可持续发展，就必须协调解决好发展、能源、环保的关系。开发绿色能源，大力发展风力发电事业可优化我国能源消费结构，降低对国外石油能源进口的依赖度，具有十分重要的战略意义。风力发电的缺点是风能不稳定，这使得控制技术和伺服传动技术成了风力机的关键技术。随着风力发电机组单机容量的大型化，变桨距控制风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。变桨距风力发电机组并网后可对输出功率进行控制,使风力机的起动性能和功率输出特性都有明显改善。同时变桨距系统自身可以组成闭环，变桨距控制系统的水平
4、也得到进一步提高，而我国目前在这一领域的研究还处于起步阶段，与国际先进水平尚有不小差距。开展变桨距的设计与控制的研究，对于打破发达国家对先进风力发电技术的垄断，对我国的风力发电技术水平更上一个层次具有重要意义。二课题所涉及的问题在国内外现状及分析2.1 世界风力发电现状20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.OMW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普-柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开
5、发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在IMW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。世界风电总装机容量1997年底为746万KW,1998年底为1015万KW,1999年底为1393万KW,2000年达1845万KW,2001年达2493万KW,2002年达3112KM平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW,占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿4
6、7亿KWo2.2 中国风力发电现状中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发发电机组的研制开发重点分两方面，一是IKw以下独力运行的小型风力发电机组，二是100Kw以上并网运行的大型风力发电机组。20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55Kw风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了1台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组，同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到
7、2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985万KW。目前正处于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。2.3 风力发电展望风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600750KW,MW级的机组也成批生产，24MW级的机组已在实验生产。这就必然要采用一些新的复合材料和新的技术。例如，单机容量不断增大，桨叶的长度也在不断增长，容量为2MW的风力机叶轮扫风直径达72m。目前最长的叶片以做到50黑桨叶材料由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、重量轻的碳纤维。桨叶也向柔性方向发展。早期的一些风力机桨叶是根据直
8、升飞机的机翼设计的，而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进，增强了风力机捕捉风能的效率。例如，在美国，国家可再生能源实验室研制开发了一种新型叶片，比早期的一些风力机桨叶捕捉风能的能力要大2096。目前，丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家，有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中，采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。地处平坦地带的风力机。在50m高处捕捉的风能要比30m高处多20%o尤其值得注意的是，随着电力电子技术的发展，近年来发展了一种变速风力发电机组，取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直
9、接连接到风力发电机组轴上，转子的转速随风阻而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率，因而提高了捕捉风能的效率，试验表明，在平均风速6.7ms时，变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能，同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风力发电机组的支撑结构减轻，塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。风力发电场未来的发展趋向将集中在：提高机群安装场地选择的准确性；进机群布局的合理性；
10、提高运行的可靠性、稳定性，实现运行的最佳控制；进一步降低设备投资及发电成本；总装机容量在IMw以上的风力发电场将占据主导地位，风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。此外，发展海上风电场也成为新的大型风力发电机组的应用领域而受到重视。丹麦、德国、西班牙、瑞典等国都在规划较大的海上风电场项目。这是由于海上风速较陆上大且稳定，一般陆上风电场平均设备利用为2000h,好的为2600h,而在海上则可达300Oh以上。为便于浮吊的施工，海上风电场一般建在水深为38m处，因而同容量装机要比陆上成本增加60%（海上基础占23%,线路占20%,陆上仅占5%）左右，但发电量可以增加50%
11、以上。三、对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析3.1 课题任务要求从风力发电机组大型化、变速变桨距的要求出发，本文从风力发电机组变桨距基本理论出发，鉴于设计了PLC控制技术的风力发电机组电动变桨距的设计与控制。本文主要进行的研究工作如下：（1）依据风力机桨叶空气动力学原理，分析了风力机的受力情况，从理论上推出变桨距控制规律；同时根据变桨距控制规律，设计了采用PlC控制技术的变桨距整体控制方案。（2）以LUST和SSB为参考，设计了变浆控制机构。根据变桨系统的控制原理和1.5MW的风机变桨系统的基本参数，对国内的变桨构件进行介绍与选购。（3）根据控制系统方案和变桨距系统的特点，本文以
12、PLC为下位机，设计开发了系统控制器。PLC接受主控制器给定的桨距信号，通过电动机的转动和反馈信号对桨叶进行控制，并设计PLC外围电路和相应的软件程序。3.2 课题设计预期目标的可行性分析风力机变桨距控制系统及其执行机构的设计是整个变桨距调节型风力发电组设计中的关键技术之一。本章简述了课题研究的目的和意义，说明了本课题研究的可行性和必要性，并简单介绍了风力发电机组的控制技术在风电系统中的应用研究状况，探讨了风电技术在国内外的研究现状及发展趋势，最后说明了本课题的主要研究内容。四本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路4.1 本课题需要研究的重点问题（风力发电系统的研究）风力发电系统是风力发电
13、的重要部分，它不仅直接影响转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制及供电性能好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要组成部分。在考虑发电机系统方案时，应结合它们的运行方式重点解决以下问题：1）高质量地将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电。2）.高效率的实现能量转换，以降低每度电的成本。3）稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。目前得到广泛应用的主要有恒速恒频发电系统和变速恒频发电机系统。下面分别作一概要介绍。4.2本课题需
14、要研究的难点问题解决的思路1 .风能的计算由流体力学知，在单位时间内气体的动能为：，_mvE=2从风能的公式可以看出，风能的大小与气流密度P、通过截面面积S成正比，与气流速度V的立方成正比。其中P和V与地理位置、海拔、地形等因素有关。2 .风力机风轮空气动力学分析风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的若干桨叶所组成。在安装这些桨叶时,必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向，桨叶围绕自身轴心线转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面（风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面）形成一个角度B,这个角度称为桨距角.由于风速是在经常变化的，风速的变化也将导致攻角的变化。如果叶片装好后桨距角不再变化，那
15、么虽在某一风速下可能得到最好的气动力性能，但在其它风速下则未必如此。为了适应不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片的桨距角，从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气动力特性，这种控制方式即变桨距控制。五工作方案及进度计划(以周为单位)第1-2周查阅相关文献，撰写开题报告。第3-4周走访周边企业、进行调查，比较分析，决定最优设计方案。第5-6周根据工作要求，查阅相关手册，对风力发电机传动系统总体设计、布局。第7-10周运用AUtoCAD、UG、SOildWork等软件，设计零件图，装配图，进行数据处理。第11-12周对实体图进行仿真。第13-14周完成设计说明书。六主要参考文献1刘贤
16、焕,叶仲和.大型风力发电机组用齿轮箱优化设计及方案分析.上海:机械设计与研究，2006年专刊2姚卫星.结构疲劳寿命分析.国防工业出版社，20033王大光,风电机组使用寿命与增速齿轮箱的设计要求.风力发电,2004(3)4冶鹏.直接驱动式风力发电机组简介.风力发电,2004(5)5汤克平.风电机增速箱结构设计探讨.风力发电,2004.26陈立平.张云清.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程M.清华大学出版社.2005：30-75.7陆俊华,李斌,朱如鹏.行星齿轮传动静力学均载分析J.机械科学与技术,2005.靳艳丽,刘凯,马朝锋朱凯.风力发电机增速行星传动系统均载分析J重型机械,20079朱孝
17、录.齿轮承载能力分析M.北京高等教育出版社2000.10赵少汴.抗疲劳设计一方法与数据.北京机械工业出版社1997.11尚德广,王德俊,韩楠林.疲劳裂纹萌生尺寸的定义及其确定方法J机械强度，1996,(02):59-62.12中国可再生能源学会风能专业委员会.中国风电产业现状及发展.2006.513姜香梅，曾杰.风力机及其零部件载荷的确定方法.新疆农业大学学报2002(02)14濮良贵,纪明刚.机械设计（第七版）ML北京:高等教育出版社,200115殷玉枫.机械设计课程设计IMI.北京:机械工业出版社,2006.16朱凯.UGNX5机械设计M.北京:人民邮电出版社,2008.学生签名年月日指导教师审阅意见指导教师签名年月日
