水平軸海流能發(fā)電機(jī)組載荷分析與控制技術(shù)研究.pdf

1、海流能作為海洋能的一種，在過(guò)去的十幾年中取得了顯著的技術(shù)進(jìn)展。研究者通過(guò)各種新型裝置收集海流能，其中水平軸海流能發(fā)電裝置被認(rèn)為最具技術(shù)性、競(jìng)技性和商業(yè)化可能性的海流能發(fā)電技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多臺(tái)示范性或商業(yè)化運(yùn)行機(jī)組。由于水平軸海流能發(fā)電機(jī)組工作在海水中，面對(duì)的是復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，商業(yè)化機(jī)組要求機(jī)組的運(yùn)行壽命在20年以上，因此，對(duì)機(jī)組的載荷計(jì)算以及載荷計(jì)算基礎(chǔ)上的機(jī)組零部件設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。
　　本論文首先對(duì)水平軸海流能發(fā)電機(jī)組

2、在海流作用下的載荷分析方法進(jìn)行了研究和改進(jìn)，并將改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法集成到設(shè)計(jì)軟件中。制定了機(jī)組全工況載荷表，對(duì)機(jī)組進(jìn)行全工況載荷分析，分析機(jī)組的非對(duì)稱(chēng)載荷來(lái)源，并提出了載荷控制方法。通過(guò)理論建模分析、有限元仿真分析、計(jì)算機(jī)仿真分析以及試驗(yàn)研究對(duì)機(jī)組的載荷分析及控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　(1)利用一維動(dòng)量定量及葉素理論(BEM)分別從宏觀(guān)的能量變化角度及微觀(guān)的葉片受力角度分析了水平軸潮流能透平裝置的能量捕獲原理，給出

3、了軸向和切向誘導(dǎo)因子的求解方法，從而可計(jì)算出各種工況下的水平軸葉輪的局部載荷及整體載荷。在此基礎(chǔ)上分別采用BEM方法和CFD方法，對(duì)同一機(jī)組進(jìn)行載荷計(jì)算建模及對(duì)比研究，通過(guò)弦長(zhǎng)修正及三維流場(chǎng)中的升阻力系數(shù)修正，對(duì)BEM方法進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)數(shù)字仿真驗(yàn)證了改進(jìn)方法的準(zhǔn)確性。
　　(2)為了便于上述載荷分析方法的應(yīng)用，同時(shí)為了海流發(fā)電機(jī)組后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化的需要，編寫(xiě)了基于上述載荷分析方法的海流發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的軟件，可以幫助研究者完成葉片

4、、輪轂、主軸和傳動(dòng)鏈等關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及校核。并通過(guò)此開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)了60kW海流能發(fā)電機(jī)組，通過(guò)廠(chǎng)內(nèi)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)及海上實(shí)地試驗(yàn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法及所編寫(xiě)開(kāi)發(fā)軟件的可靠性及準(zhǔn)確性。
　　(3)制定海流發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)工況表，針對(duì)海流中存在的湍流作用、波浪作用、剪切作用以及機(jī)組本身安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的偏航角度誤差，建立了相應(yīng)的流速模型。并通過(guò)基于雨流計(jì)數(shù)法的疲勞載荷分析方法，定量分析了這些作用對(duì)機(jī)組疲勞載荷和壽命的影響。通過(guò)研究分

5、析發(fā)現(xiàn)，上述海流作用均會(huì)增大機(jī)組關(guān)鍵零部件處的當(dāng)量疲勞載荷，但波浪作用引起的疲勞載荷并沒(méi)有其他作用引起的明顯，只有在波浪頻率或波浪高度比較大的情況下才需要考慮。而湍流作用、剪切作用和偏航角度誤差則會(huì)顯著增加機(jī)組關(guān)鍵零部件的疲勞載荷，在機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須予以考慮。根據(jù)設(shè)計(jì)工況表，以120kW機(jī)組為例，進(jìn)行機(jī)組的全工況載荷計(jì)算分析。
　　(4)針對(duì)海流發(fā)電機(jī)組模型的非線(xiàn)性和不可知性，采用基于Fuzzy PID參數(shù)自整定的獨(dú)立變槳

6、載荷控制策略以降低機(jī)組的非對(duì)稱(chēng)載荷。通過(guò)Coleman坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)海流發(fā)電機(jī)組葉輪俯仰力矩和偏航力矩的解耦，在Matlab/Simulink中進(jìn)行了海流發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建模，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真研究，仿真結(jié)果表明，基于獨(dú)立變槳距的載荷控制方法可以有效地降低機(jī)組的非對(duì)稱(chēng)性載荷。
　　(5)針對(duì)海流流速隨漲潮落潮周期性變化的可預(yù)測(cè)性，提出了基于流速預(yù)測(cè)的載荷控制技術(shù)以避免海流流速波動(dòng)引起的連續(xù)變槳。在Matlab/Simulink中建

7、立了相應(yīng)的仿真模型，通過(guò)仿真分析表明，基于流速預(yù)測(cè)的載荷控制方法，不會(huì)降低機(jī)組的發(fā)電功率，雖然犧牲了一定的功率穩(wěn)定性，但可以將連續(xù)頻繁的變槳?jiǎng)幼鬓D(zhuǎn)化為間歇的階躍式變槳?jiǎng)幼?，可以大大減小在一個(gè)流速周期內(nèi)的累計(jì)變槳行程，降低葉根密封結(jié)構(gòu)的磨損，延長(zhǎng)密封結(jié)構(gòu)壽命。
　　(6)海流發(fā)電機(jī)組的功率控制和載荷控制系統(tǒng)都要用到變槳距機(jī)構(gòu)，針對(duì)海流發(fā)電機(jī)機(jī)組變槳空間小、負(fù)載力矩大等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了獨(dú)立變槳距系統(tǒng)的齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，通過(guò)AMES