《基于联合仿真技术的风力发电机组系统设计分析》何婧 2007.4

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基于联合仿真技术的风力发电机组系统设计分析.kdh
何婧 重庆大学硕士学位论文 2007.4
【摘要】
I    能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益。在目前技术条件下风电与火电、水电相比从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势，我国风电领域的理论和应用研究与发达国家存在很大差距。因此，深入研究风力发电机组系统设计分析技术对于持久开发风能和实现风电机组国产化具有重要理论意义和工程应用价值。
    为了要确保风力机在其设计寿命内能够正常地运行，首先必须对风力发电机组的系统性能展开分析研究。本论文将联合仿真技术运用于风电机组的虚拟样机模型建立中，从风电机组的空气动力学理论、系统联合仿真分析模型、整机性能分析、振动特性仿真分析进行了研究。主要内容包括：
    ①风电机组的空气动力学理论研究。应用经典的叶素动量理论研究空气动力学。根据叶素理论建立了坐标系，设计出空气动力学的计算方法，并计算出轴向速度诱导因子，塔顶和叶片根部的力和力矩,功率系数，以及推力系数。在后面联合仿真模型的应用中证明了计算方法的准确性。
    ②风电机组的系统联合仿真分析模型的研究。首先，对叶片和塔架进行了有限元模态分析，分析结果与国际知名软件Bladed的计算进行了比较，证明了分析准确性，接着将分析结果模型作为柔性体导入ADAMS中，机舱作为刚体处理，并施加了约束和边界载荷，从而完成了风力机整机多体动力学模型的建立，然后通过确定ADAMS的输入和输出变量在ADAMS和控制软件之间形成闭环回路；接着设计空气动力学计算、传动系、感应电机、PID定速变桨距调节控制器等模块，构建MATLAB/Simulink联合仿真系统的控制部分；最后用ADAMS/Controls(控制模块）将两者连接起来，利用MATLAB/Simulink的控制输出来驱动多体动力学模型，并将ADAMS中多体动力学模型的位移、速度等输出反馈给控制模型，实现在控制系统软件环境下进行交互式仿真。
    ③风电机组的整机性能分析研究。首先进行了整机的性能参数计算：风速为5～25m/s时，不同桨距角下风力机的功率、风轮转速、气动扭矩、电机转矩、反转扭矩和功率系数。从而确定了风力机的额定风速、额定转速、主要桨距角工作区域。然后根据以上分析制定了变桨距控制策略，实现了超过额定风速时输出功率保持在额定功率不变。
    ④风电机组的振动特性仿真分析研究。运用前面建立的ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真模型计算求得了风力机组的振动特性曲线，并与Bladed计算结果进行了对比，证明该曲线能真实地反映风力机的振动情况，检验气动弹性，对风轮的设计具有指导意义。说明了ADAMS与MATLAB/Simulink联合仿真技术能够很好的运用于风力机组的研究设计中。
    关键词：叶素动量理论，联合仿真，变桨距，有限元分析，空气动力学