風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及關(guān)鍵零部件優(yōu)化研究.pdf

1、近十年來，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的尺寸和復(fù)雜度也不斷的增加，對(duì)我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平和制造能力提出了更高的要求。正確地建立大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并通過仿真分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能及運(yùn)動(dòng)規(guī)律是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，根據(jù)其仿真結(jié)果不但可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件所受載荷的時(shí)間歷程，還可以應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性分析和控制設(shè)計(jì)，因此對(duì)其展開研究工作，對(duì)提高我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平和制造能力

2、，具有重要意義。
　　 在重慶市科技計(jì)劃重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究(項(xiàng)目編號(hào)：CSTC20073052)”的資助下，本文提出了“風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和關(guān)鍵零部件優(yōu)化研究”的研究課題。在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，建立了包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)場、風(fēng)輪氣動(dòng)力和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的氣彈耦合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。在風(fēng)場建模中，分析了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)對(duì)葉片上湍流風(fēng)速譜的影響；在風(fēng)輪氣動(dòng)力分析中，對(duì)葉素動(dòng)量理論原型進(jìn)

3、行了風(fēng)輪推力修正、葉尖修正和偏航修正，并在Simulink中建立了通用的風(fēng)輪氣動(dòng)力模型；在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模中，采用假設(shè)模態(tài)法表示葉片和塔架的柔性，并結(jié)合Kane方程，分析并建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多體動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)所建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了整機(jī)模態(tài)分析和關(guān)鍵零部件載荷的仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵零部件輪轂進(jìn)行疲勞分析和幾何結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及壁厚優(yōu)化，設(shè)計(jì)得到的輪轂不但滿足疲勞壽命條件，重量也得到減輕。論文完

4、成的主要研究工作有：
　　 1)建立了適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的風(fēng)場模型。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了固定部件和周期運(yùn)動(dòng)部件的風(fēng)場的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)von Karman模型和旋轉(zhuǎn)采樣譜模型，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同運(yùn)動(dòng)部件的脈動(dòng)風(fēng)速譜功率矩陣，并在此基礎(chǔ)上，采用諧波疊加法模擬了不同部件的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)序數(shù)據(jù)。比較了仿真得到的模擬風(fēng)速譜與目標(biāo)風(fēng)速譜，說明所采用方法的正確性。本文建立的風(fēng)場模型較全面地描述了風(fēng)力發(fā)電

5、機(jī)組所處風(fēng)場的特點(diǎn)，為整機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模打下了基礎(chǔ)。
　　 2)研究了葉素動(dòng)量理論，在Matlab的Simulink模塊中建立了考慮葉片損失、偏航誤差和葉片方位角的氣動(dòng)力仿真模塊，通過仿真分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的軸向和切向因子、風(fēng)輪扭矩、風(fēng)輪輸出功率的變化規(guī)律。本文提出的氣動(dòng)力模型考慮了更多的修正因素，具有更高的精確性，同時(shí)氣動(dòng)力Simulink模塊具有模塊化的優(yōu)點(diǎn)、易于擴(kuò)展、便于和其它仿真模塊組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)仿真模型等優(yōu)勢(shì)

6、。其仿真計(jì)算結(jié)果與Bladed結(jié)果比較，驗(yàn)證了所建修正模型的正確性。
　　 3)根據(jù)假設(shè)模態(tài)法，分析并建立了考慮葉片前兩階拍動(dòng)模態(tài)、第一階揮舞模態(tài)和塔架前兩階前后模態(tài)、前兩階側(cè)向模態(tài)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，其與風(fēng)場、氣動(dòng)力模型一起，組成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)氣彈耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；相對(duì)于子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，可以更準(zhǔn)確地描述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)某600kW失速型風(fēng)力機(jī)和某2MW變槳控制風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿

7、真，獲得了葉片、塔架和輪轂等部件的變形、速度及載荷。所得結(jié)果與Blade比較，說明所建模型的正確性。
　　 4)針對(duì)不同控制策略的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)點(diǎn)處，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行線性化分析，得到其一階線性周期性狀態(tài)方程，然后采用多葉片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(MBC)將線性狀態(tài)方程中對(duì)應(yīng)葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的自由度轉(zhuǎn)換到塔架-機(jī)艙系統(tǒng)所處的固定參考系中，在固定參考系下對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，并繪制了整機(jī)Coleman圖，分析了考慮氣動(dòng)力和不

8、考慮氣動(dòng)力兩種情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)頻率與阻尼的變化規(guī)律。相對(duì)于子系統(tǒng)模態(tài)分析，更準(zhǔn)確地反映了不同系統(tǒng)模態(tài)之間的相互影響。為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)穩(wěn)定性分析和控制設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
　　 5)根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真得到的零部件受力，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵零部件輪轂進(jìn)行疲勞壽命分析，并以輪轂重量為優(yōu)化目標(biāo)，輪轂各部分壁厚為優(yōu)化對(duì)象，建立了輪轂拓?fù)鋬?yōu)化和壁厚優(yōu)化模型。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了保證輪轂疲勞強(qiáng)度要求下的最優(yōu)輪轂壁厚分布，將輪轂質(zhì)量減小了