水平軸海流能發(fā)電機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，在過去的十幾年中取得了顯著的技術(shù)進展。研究者通過各種新型裝置收集海流能，其中水平軸海流能發(fā)電裝置被認為最具技術(shù)性、競技性和商業(yè)化可能性的海流能發(fā)電技術(shù)，目前國內(nèi)外已經(jīng)有多臺示范性或商業(yè)化運行機組。由于水平軸海流能發(fā)電機組工作在海水中，面對的是復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，商業(yè)化機組要求機組的運行壽命在20年以上，因此，對機組的載荷計算以及載荷計算基礎(chǔ)上的機組零部件設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。
　　本論文首先對水平軸海流能發(fā)電機組

2、在海流作用下的載荷分析方法進行了研究和改進，并將改進的設(shè)計方法集成到設(shè)計軟件中。制定了機組全工況載荷表，對機組進行全工況載荷分析，分析機組的非對稱載荷來源，并提出了載荷控制方法。通過理論建模分析、有限元仿真分析、計算機仿真分析以及試驗研究對機組的載荷分析及控制方法進行驗證。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　(1)利用一維動量定量及葉素理論(BEM)分別從宏觀的能量變化角度及微觀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，對同一機組進行載荷計算建模及對比研究，通過弦長修正及三維流場中的升阻力系數(shù)修正，對BEM方法進行改進，并通過數(shù)字仿真驗證了改進方法的準確性。
　　(2)為了便于上述載荷分析方法的應(yīng)用，同時為了海流發(fā)電機組后續(xù)標準化及產(chǎn)業(yè)化的需要，編寫了基于上述載荷分析方法的海流發(fā)電機組設(shè)計的軟件，可以幫助研究者完成葉片

4、、輪轂、主軸和傳動鏈等關(guān)鍵零部件的設(shè)計及校核。并通過此開發(fā)軟件設(shè)計了60kW海流能發(fā)電機組，通過廠內(nèi)拖動實驗及海上實地試驗的長期穩(wěn)定運行，驗證了設(shè)計方法及所編寫開發(fā)軟件的可靠性及準確性。
　　(3)制定海流發(fā)電機組設(shè)計工況表，針對海流中存在的湍流作用、波浪作用、剪切作用以及機組本身安裝過程中可能出現(xiàn)的偏航角度誤差，建立了相應(yīng)的流速模型。并通過基于雨流計數(shù)法的疲勞載荷分析方法，定量分析了這些作用對機組疲勞載荷和壽命的影響。通過研究分

5、析發(fā)現(xiàn)，上述海流作用均會增大機組關(guān)鍵零部件處的當量疲勞載荷，但波浪作用引起的疲勞載荷并沒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顯著增加機組關(guān)鍵零部件的疲勞載荷，在機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須予以考慮。根據(jù)設(shè)計工況表，以120kW機組為例，進行機組的全工況載荷計算分析。
　　(4)針對海流發(fā)電機組模型的非線性和不可知性，采用基于Fuzzy PID參數(shù)自整定的獨立變槳

6、載荷控制策略以降低機組的非對稱載荷。通過Coleman坐標變換，實現(xiàn)海流發(fā)電機組葉輪俯仰力矩和偏航力矩的解耦，在Matlab/Simulink中進行了海流發(fā)電機組系統(tǒng)建模，對控制系統(tǒng)進行數(shù)字仿真研究，仿真結(jié)果表明，基于獨立變槳距的載荷控制方法可以有效地降低機組的非對稱性載荷。
　　(5)針對海流流速隨漲潮落潮周期性變化的可預(yù)測性，提出了基于流速預(yù)測的載荷控制技術(shù)以避免海流流速波動引起的連續(xù)變槳。在Matlab/Simulink中建

7、立了相應(yīng)的仿真模型，通過仿真分析表明，基于流速預(yù)測的載荷控制方法，不會降低機組的發(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)頻繁的變槳動作轉(zhuǎn)化為間歇的階躍式變槳動作，可以大大減小在一個流速周期內(nèi)的累計變槳行程，降低葉根密封結(jié)構(gòu)的磨損，延長密封結(jié)構(gòu)壽命。
　　(6)海流發(fā)電機組的功率控制和載荷控制系統(tǒng)都要用到變槳距機構(gòu)，針對海流發(fā)電機機組變槳空間小、負載力矩大等特點設(shè)計了獨立變槳距系統(tǒng)的齒輪齒條執(zhí)行機構(gòu)和液壓系統(tǒng)，通過AMES