海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析研究.pdf

1、隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速的發(fā)展，歐美等國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，而我國(guó)海上風(fēng)能的開發(fā)剛剛起步。為降低海上發(fā)電成本，需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的尺寸和復(fù)雜度不斷的增加，對(duì)我國(guó)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新、更高的要求。正確地建立大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并通過(guò)仿真分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能及運(yùn)動(dòng)規(guī)律是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。對(duì)提高我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平和制造能力，具有重要意義。
　　 在國(guó)家科技

2、支撐計(jì)劃項(xiàng)目“5.0MW近海風(fēng)電機(jī)組研制及風(fēng)能核心技術(shù)研究(項(xiàng)目編號(hào)：2009BAA22802)”的資助下，將其子項(xiàng)目“海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析”的作為研究課題。在綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，建立了包括近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)輪氣動(dòng)力、流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和控制模型的多場(chǎng)耦合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)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(fēng)力發(fā)電的歷史發(fā)展，分析了現(xiàn)代海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，綜述

3、了國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)場(chǎng)建模、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及整機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真的研究現(xiàn)狀，從而提出了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組說(shuō)明了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析的研究，給出了論文的主要研究?jī)?nèi)容，創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)路線。
　　 第二章研究了海上風(fēng)場(chǎng)的變化規(guī)律，針對(duì)于目前廣泛使用的Von.karman隨機(jī)功率譜的不足，分別采用修正Von.karman和Mann隨機(jī)功率譜表示風(fēng)速隨時(shí)間的機(jī)變化，建立不同點(diǎn)的風(fēng)速互相關(guān)函數(shù)，通過(guò)逆Fourier變換得到風(fēng)輪葉

4、片上隨時(shí)間變化風(fēng)速時(shí)間歷程。分別給出了葉素動(dòng)量理論模型、固定尾跡模型以及自由尾跡模型三種空氣動(dòng)力學(xué)模型。在Matlab/Simulink下建模，并結(jié)合得到湍流風(fēng)速時(shí)間歷程，對(duì)某2MW海上風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪進(jìn)行氣動(dòng)分析，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和空氣動(dòng)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(duì)Morison方程在工程上的適用范圍進(jìn)行更好的確定，應(yīng)用Morison方程對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)樁基礎(chǔ)的波流力進(jìn)行計(jì)算

5、，并對(duì)流場(chǎng)作用于塔筒上的水動(dòng)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(duì)變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如何抑制傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和塔架前后、側(cè)向運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)入流以及估計(jì)風(fēng)速，增加了載荷控制環(huán)、動(dòng)態(tài)入流控制環(huán)以及估計(jì)風(fēng)速前饋控制環(huán)，通過(guò)時(shí)域和頻域分析與對(duì)比，說(shuō)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(shí)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(yùn)動(dòng)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

6、動(dòng)力學(xué)模型，并使用假設(shè)模態(tài)離散化方法對(duì)其進(jìn)行柔性化。將該模型與風(fēng)場(chǎng)、氣動(dòng)力模型、波浪力模型一起，組成了海上風(fēng)電機(jī)組氣-彈-流相互耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。以變速變槳控制5MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，計(jì)算了在考慮線性波和非線性波情況與穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)和Mann湍流風(fēng)場(chǎng)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片和塔架的受力和變形情況。
　　 第六章通過(guò)建立浮式平臺(tái)水動(dòng)力學(xué)模型和錨泊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并將耦合的水動(dòng)力載荷與氣動(dòng)載荷加載到該漂浮式風(fēng)電機(jī)組多柔體動(dòng)力學(xué)的模型上，