海上風電機組系統(tǒng)動力學(xué)建模及仿真分析研究

【摘要】：隨著風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速的發(fā)展,歐美等國海上風力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟,而我國海上風能的開發(fā)剛剛起步。為降低海上發(fā)電成本,需要風力發(fā)電機組的尺寸和復(fù)雜度不斷的增加,對我國風力發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計水平和制造能力提出了更新、更高的要求。正確地建立大型海上風力發(fā)電機組的系統(tǒng)動力學(xué)模型并通過仿真分析風力發(fā)電機組的性能及運動規(guī)律是海上風力發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計的一個重要內(nèi)容。對提高我國海上風力發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計水平和制造能力,具有重要意義。 在國家科技支撐計劃項目“5.0MW近海風電機組研制及風能核心技術(shù)研究(項目編號:2009BAA22B02)”的資助下,將其子項目“海上風電機組系統(tǒng)動力學(xué)建模及仿真分析”的作為研究課題。在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,建立了包括近海風力發(fā)電機組風場、風輪氣動力、流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)和控制模型的多場耦合風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學(xué)模型。論文完成的主要研究工作有: 第一章中回顧了海上風力發(fā)電的歷史發(fā)展,分析了現(xiàn)代海上風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的特點,綜述了國內(nèi)外海上風力發(fā)電機組風場建模、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)及整機系統(tǒng)動力學(xué)建模與仿真的研究現(xiàn)狀,從而提出了海上風力發(fā)電機組說明了系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析的研究,給出了論文的主要研究內(nèi)容,創(chuàng)新點和技術(shù)路線。 第二章研究了海上風場的變化規(guī)律,針對于目前廣泛使用的Von.karman隨機功率譜的不足,分別采用修正Von.karman和Mann隨機功率譜表示風速隨時間的隨機變化,建立不同點的風速互相關(guān)函數(shù),通過逆Fourier變換得到風輪葉片上隨時間變化風速時間歷程。分別給出了葉素動量理論模型、固定尾跡模型以及自由尾跡模型三種空氣動力學(xué)模型。在Matlab/Simulink下建模,并結(jié)合得到湍流風速時間歷程,對某2MW海上風力機風輪進行氣動分析,為風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學(xué)模型和空氣動力學(xué)模型打下基礎(chǔ)。 第三章分別研究了規(guī)則波浪理論和不規(guī)則波浪理論。對Morison方程在工程上的適用范圍進行更好的確定,應(yīng)用Morison方程對海上風力發(fā)電機樁基礎(chǔ)的波流力進行計算,并對流場作用于塔筒上的水動力的變化開展了研究。 第四章在基于變速變槳主控策略基礎(chǔ)上,針對變速變槳風力發(fā)電機組如何抑制傳動鏈的扭轉(zhuǎn)振動和塔架前后、側(cè)向運動。動態(tài)入流以及估計風速,增加了載荷控制環(huán)、動態(tài)入流控制環(huán)以及估計風速前饋控制環(huán),通過時域和頻域分析與對比,說明增加的輔助控制環(huán)不但有利于降低載荷,減少超調(diào)量,同時也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第五章建立了基于Kane方法的作大范圍運動海上風力發(fā)電機組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型,并使用假設(shè)模態(tài)離散化方法對其進行柔性化。將該模型與風場、氣動力模型、波浪力模型一起,組成了海上風電機組氣-彈-流相互耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型。以變速變槳控制5MW海上風力發(fā)電機組為例,計算了在考慮線性波和非線性波情況與穩(wěn)態(tài)風場和Mann湍流風場下的風力發(fā)電機組葉片和塔架的受力和變形情況。 第六章通過建立浮式平臺水動力學(xué)模型和錨泊系統(tǒng)動力學(xué)模型,并將耦合的水動力載荷與氣動載荷加載到該漂浮式風電機組多柔體動力學(xué)的模型上,在ADAMS環(huán)境下進行風力機結(jié)構(gòu)動態(tài)仿真分析。以某NREL5MW基本型數(shù)據(jù),對漂浮式風電機組系統(tǒng)動力學(xué)模型進行仿真,并對發(fā)電機輸出功率,葉尖在風輪面內(nèi)與面外的位移以及浮式平臺的搖蕩位移進行分析。 最后,在第七章總結(jié)了全文主要內(nèi)容與成果,并展望了今后的研究工作。 【關(guān)鍵詞】：海上風力發(fā)電機組 風場 空氣動力學(xué) 流體動力學(xué) 控制策略
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-24
• 1.1 課題研究背景和意義10-16
• 1.1.1 課題研究背景10-15
• 1.1.2 研究目的和意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析16-21
• 1.2.1 海上風場與風力機空氣動力學(xué)研究16-19
• 1.2.2 海上風力發(fā)電機組整機動力學(xué)研究19-21
• 1.3 論文課題來源21
• 1.4 論文的研究內(nèi)容21-22
• 1.5 論文主要創(chuàng)新點和技術(shù)路線22-24
• 2 海上風力發(fā)電機組風場及空氣動力學(xué)建模24-56
• 2.1 引言24-25
• 2.2 海上風場特征25-38
• 2.2.1 海上長期風速25-28
• 2.2.2 修正的Von.Karman 的湍流模型28-32
• 2.2.3 Mann 湍流模型32-34
• 2.2.4 仿真分析與結(jié)果比較34-38
• 2.3 葉素動量氣動理論模型38-43
• 2.3.1 動量模型38-41
• 2.3.2 葉素模型41-43
• 2.4 固定尾跡氣動理論模型43-47
• 2.4.1 定常條件下的渦流柱面模型43-46
• 2.4.2 偏航條件下的渦流柱面模型46-47
• 2.5 自由尾跡氣動理論模型47-53
• 2.5.1 自由尾跡模型47-49
• 2.5.2 渦核修正49-50
• 2.5.3 數(shù)值算法50-53
• 2.6 分析結(jié)果的比較驗證53-55
• 2.7 結(jié)論55-56
• 3 流體動力學(xué)仿真及研究56-68
• 3.1 引言56
• 3.2 規(guī)則波浪理論56-62
• 3.2.1 線性波理論56-59
• 3.2.2 非線性波理論59-60
• 3.2.3 各種波浪理論在工程的應(yīng)用60-62
• 3.3 不規(guī)則波浪理論62-65
• 3.3.1 隨機波浪理論62-63
• 3.3.2 人工生成波浪高程方法63-65
• 3.3.3 Morison 力方程65
• 3.4 波浪載荷的數(shù)值模擬分析65-67
• 3.5 本章小結(jié)67-68
• 4 海上風力發(fā)電機組控制策略68-90
• 4.1 引言68-69
• 4.2 風電機組功率控制策略69-73
• 4.2.1 風電機組最大風能捕獲控制策略70-72
• 4.2.2 風電機組主動變槳控制策略72-73
• 4.3 估計風速前饋控制環(huán)73-78
• 4.3.1 電機模型、變槳執(zhí)行模型和風機動態(tài)模型74-76
• 4.3.2 風速前饋控制環(huán)的建模與仿真76-78
• 4.4 動態(tài)入流補償控制環(huán)78-81
• 4.5 載荷控制環(huán)的建模與仿真81-87
• 4.5.1 傳動鏈的扭轉(zhuǎn)振動控制81-84
• 4.5.2 塔架前后振動控制84-86
• 4.5.3 塔架側(cè)向振動控制86-87
• 4.6 分析結(jié)果87-89
• 4.7 本章小結(jié)89-90
• 5 近海風力發(fā)電機組動力學(xué)模型與仿真分析90-104
• 5.1 引言90-91
• 5.2 近海風電機組系統(tǒng)動力學(xué)模型91-97
• 5.2.1 近海風機結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型91-93
• 5.2.2 基于假設(shè)模態(tài)法的風力機動力學(xué)模型離散化93-97
• 5.3 海上風機設(shè)計載荷工況97-98
• 5.4 近海風力機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真模型98-99
• 5.5 結(jié)果及分析99-101
• 5.6 本章小結(jié)101-104
• 6 漂浮式風力發(fā)電機組動力學(xué)建模與仿真分析104-120
• 6.1 引言104
• 6.2 浮式平臺水動力學(xué)模型104-108
• 6.2.1 基本假設(shè)與坐標系104-105
• 6.2.2 水動力學(xué)模型105-108
• 6.3 錨泊系統(tǒng)動力學(xué)模型108-111
• 6.3.1 懸鏈線張緊模型108-109
• 6.3.2 懸鏈線松弛模型109-111
• 6.4 風力機多柔體動力學(xué)仿真建模111-115
• 6.5 算例分析115-118
• 6.6 本章小結(jié)118-120
• 7 結(jié)論與展望120-122
• 致謝122-124
• 參考文獻124-132
• 附錄132
• A. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文132
• B. 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項目及取得的科研成果132

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1.5MW風力發(fā)電機組液控技術(shù)研究    孫勇

兆瓦級變漿距風力發(fā)電機組智能控制系統(tǒng)的研究    趙陽

風力發(fā)電機組振動在線監(jiān)測及故障診斷    張小科