海上風(fēng)電機組系統(tǒng)動力學(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，歐美等國海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，而我國海上風(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)電機組的尺寸和復(fù)雜度不斷的增加，對我國風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組的系統(tǒng)動力學(xué)模型并通過仿真分析風(fēng)力發(fā)電機組的性能及運動規(guī)律是海上風(fēng)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(fēng)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

2、支撐計劃項目“5.0MW近海風(fēng)電機組研制及風(fēng)能核心技術(shù)研究(項目編號：2009BAA22802)”的資助下，將其子項目“海上風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)場、風(fēng)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(fēng)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(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，綜述

3、了國內(nèi)外海上風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速隨時間的機變化，建立不同點的風(fēng)速互相關(guān)函數(shù)，通過逆Fourier變換得到風(fēng)輪葉

4、片上隨時間變化風(fēng)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(fēng)速時間歷程，對某2MW海上風(fēng)力機風(fēng)輪進行氣動分析，為風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機樁基礎(chǔ)的波流力進行計算

5、，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(fēng)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(fēng)速，增加了載荷控制環(huán)、動態(tài)入流控制環(huán)以及估計風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

6、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(fēng)場、氣動力模型、波浪力模型一起，組成了海上風(fēng)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(fēng)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(fēng)場和Mann湍流風(fēng)場下的風(fēng)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(fēng)電機組多柔體動力學(xué)的模型上，