海上风电机组系统动力学建模及仿真分析研究

【摘要】：随着风力发电产业快速的发展,欧美等国海上风力发电技术已日趋成熟,而我国海上风能的开发刚刚起步。为降低海上发电成本,需要风力发电机组的尺寸和复杂度不断的增加,对我国风力发电机组系统设计水平和制造能力提出了更新、更高的要求。正确地建立大型海上风力发电机组的系统动力学模型并通过仿真分析风力发电机组的性能及运动规律是海上风力发电机组系统设计的一个重要内容。对提高我国海上风力发电机组系统设计水平和制造能力,具有重要意义。 在国家科技支撑计划项目“5.0MW近海风电机组研制及风能核心技术研究(项目编号:2009BAA22B02)”的资助下,将其子项目“海上风电机组系统动力学建模及仿真分析”的作为研究课题。在综合国内外相关研究的基础上,建立了包括近海风力发电机组风场、风轮气动力、流体动力学、结构动力学和控制模型的多场耦合风力发电机组系统动力学模型。论文完成的主要研究工作有: 第一章中回顾了海上风力发电的历史发展,分析了现代海上风力发电技术发展的特点,综述了国内外海上风力发电机组风场建模、空气动力学、结构动力学及整机系统动力学建模与仿真的研究现状,从而提出了海上风力发电机组说明了系统动力学仿真分析的研究,给出了论文的主要研究内容,创新点和技术路线。 第二章研究了海上风场的变化规律,针对于目前广泛使用的Von.karman随机功率谱的不足,分别采用修正Von.karman和Mann随机功率谱表示风速随时间的随机变化,建立不同点的风速互相关函数,通过逆Fourier变换得到风轮叶片上随时间变化风速时间历程。分别给出了叶素动量理论模型、固定尾迹模型以及自由尾迹模型三种空气动力学模型。在Matlab/Simulink下建模,并结合得到湍流风速时间历程,对某2MW海上风力机风轮进行气动分析,为风力发电机组系统动力学模型和空气动力学模型打下基础。 第三章分别研究了规则波浪理论和不规则波浪理论。对Morison方程在工程上的适用范围进行更好的确定,应用Morison方程对海上风力发电机桩基础的波流力进行计算,并对流场作用于塔筒上的水动力的变化开展了研究。 第四章在基于变速变桨主控策略基础上,针对变速变桨风力发电机组如何抑制传动链的扭转振动和塔架前后、侧向运动。动态入流以及估计风速,增加了载荷控制环、动态入流控制环以及估计风速前馈控制环,通过时域和频域分析与对比,说明增加的辅助控制环不但有利于降低载荷,减少超调量,同时也提高了控制系统的稳定性。 第五章建立了基于Kane方法的作大范围运动海上风力发电机组系统的结构动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化。将该模型与风场、气动力模型、波浪力模型一起,组成了海上风电机组气-弹-流相互耦合系统动力学模型。以变速变桨控制5MW海上风力发电机组为例,计算了在考虑线性波和非线性波情况与稳态风场和Mann湍流风场下的风力发电机组叶片和塔架的受力和变形情况。 第六章通过建立浮式平台水动力学模型和锚泊系统动力学模型,并将耦合的水动力载荷与气动载荷加载到该漂浮式风电机组多柔体动力学的模型上,在ADAMS环境下进行风力机结构动态仿真分析。以某NREL5MW基本型数据,对漂浮式风电机组系统动力学模型进行仿真,并对发电机输出功率,叶尖在风轮面内与面外的位移以及浮式平台的摇荡位移进行分析。 最后,在第七章总结了全文主要内容与成果,并展望了今后的研究工作。 【关键词】：海上风力发电机组 风场 空气动力学 流体动力学 控制策略
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM315
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-24
• 1.1 课题研究背景和意义10-16
• 1.1.1 课题研究背景10-15
• 1.1.2 研究目的和意义15-16
• 1.2 国内外研究现状分析16-21
• 1.2.1 海上风场与风力机空气动力学研究16-19
• 1.2.2 海上风力发电机组整机动力学研究19-21
• 1.3 论文课题来源21
• 1.4 论文的研究内容21-22
• 1.5 论文主要创新点和技术路线22-24
• 2 海上风力发电机组风场及空气动力学建模24-56
• 2.1 引言24-25
• 2.2 海上风场特征25-38
• 2.2.1 海上长期风速25-28
• 2.2.2 修正的Von.Karman 的湍流模型28-32
• 2.2.3 Mann 湍流模型32-34
• 2.2.4 仿真分析与结果比较34-38
• 2.3 叶素动量气动理论模型38-43
• 2.3.1 动量模型38-41
• 2.3.2 叶素模型41-43
• 2.4 固定尾迹气动理论模型43-47
• 2.4.1 定常条件下的涡流柱面模型43-46
• 2.4.2 偏航条件下的涡流柱面模型46-47
• 2.5 自由尾迹气动理论模型47-53
• 2.5.1 自由尾迹模型47-49
• 2.5.2 涡核修正49-50
• 2.5.3 数值算法50-53
• 2.6 分析结果的比较验证53-55
• 2.7 结论55-56
• 3 流体动力学仿真及研究56-68
• 3.1 引言56
• 3.2 规则波浪理论56-62
• 3.2.1 线性波理论56-59
• 3.2.2 非线性波理论59-60
• 3.2.3 各种波浪理论在工程的应用60-62
• 3.3 不规则波浪理论62-65
• 3.3.1 随机波浪理论62-63
• 3.3.2 人工生成波浪高程方法63-65
• 3.3.3 Morison 力方程65
• 3.4 波浪载荷的数值模拟分析65-67
• 3.5 本章小结67-68
• 4 海上风力发电机组控制策略68-90
• 4.1 引言68-69
• 4.2 风电机组功率控制策略69-73
• 4.2.1 风电机组最大风能捕获控制策略70-72
• 4.2.2 风电机组主动变桨控制策略72-73
• 4.3 估计风速前馈控制环73-78
• 4.3.1 电机模型、变桨执行模型和风机动态模型74-76
• 4.3.2 风速前馈控制环的建模与仿真76-78
• 4.4 动态入流补偿控制环78-81
• 4.5 载荷控制环的建模与仿真81-87
• 4.5.1 传动链的扭转振动控制81-84
• 4.5.2 塔架前后振动控制84-86
• 4.5.3 塔架侧向振动控制86-87
• 4.6 分析结果87-89
• 4.7 本章小结89-90
• 5 近海风力发电机组动力学模型与仿真分析90-104
• 5.1 引言90-91
• 5.2 近海风电机组系统动力学模型91-97
• 5.2.1 近海风机结构动力学模型91-93
• 5.2.2 基于假设模态法的风力机动力学模型离散化93-97
• 5.3 海上风机设计载荷工况97-98
• 5.4 近海风力机系统结构动力学仿真模型98-99
• 5.5 结果及分析99-101
• 5.6 本章小结101-104
• 6 漂浮式风力发电机组动力学建模与仿真分析104-120
• 6.1 引言104
• 6.2 浮式平台水动力学模型104-108
• 6.2.1 基本假设与坐标系104-105
• 6.2.2 水动力学模型105-108
• 6.3 锚泊系统动力学模型108-111
• 6.3.1 悬链线张紧模型108-109
• 6.3.2 悬链线松弛模型109-111
• 6.4 风力机多柔体动力学仿真建模111-115
• 6.5 算例分析115-118
• 6.6 本章小结118-120
• 7 结论与展望120-122
• 致谢122-124
• 参考文献124-132
• 附录132
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文132
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及取得的科研成果132

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

深海漂浮式风力机研究及最新进展    高伟;李春;叶舟;

海上升压站设备冷却技术研究    史磊

风电传动链关键件载荷及疲劳技术研究    张晨虬

风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析    李德源,叶枝全,陈严,包能胜

大跨越输电塔线体系随机脉动风场模拟研究    白海峰;李宏男;

变转速倾转旋翼机多体系统气弹响应分析    杨卫东;董凌华;

基于混合CFD方法的旋翼桨-涡干扰噪声计算    史勇杰;樊枫;徐国华;招启军;

近海风力发电导管架平台结构分析    刘文白;李才志;

风力发电机组轮毂有限元分析与优化    何玉林;陈新厂;金鑫;刘桦;刘平;

旋转运动柔性梁的假设模态方法研究    蔡国平,洪嘉振

考虑流固耦合时的海洋平台结构非线性动力分析    张学志,黄维平,李华军

风力发电机耦合转子/机舱/塔架的气弹响应    王介龙,陈彦,薛克宗

海上风力发电机组塔架海波载荷的分析    王湘明;陈亮;邓英;王婀娜;

大型风电机组整机及关键部件仿真分析与优化设计研究    李俊

风力发电机组系统建模与仿真研究    金鑫

地震和波浪力共同作用下桥墩的动力响应研究    吴明军;陈文元;肖盛莲;

基于Simulink的大米动态图像检测系统仿真    刘璎瑛;

柔性空间机械臂末端运动及柔性振动的模糊自适应补偿控制    梁捷;陈力;

一种改进反坦克导弹高原适应性的非线性控制方法    朱伯立;杨树兴;常皓;

异步电动机直接转矩控制系统的研究    王鹏云;

基于ANSYS建模的风力机叶片模态分析及稳定性分析    赵娜;李军向;李成良;

三浮体式海上风电基础结构响应研究    王人凤;顾晓波;蒋志勇;

张力腿系缆系统涡激振动疲劳可靠性分析    余建星;许华力;袁从敏;王忠畅;

海底管线在波流联合作用下疲劳寿命预测方法研究    余建星;傅明炀;

海上风力发电机组支撑结构动力响应特性研究    陈前;付世晓;邹早建;

深海SPAR平台的复杂非线性动力学问题    唐友刚;沈文君;赵晶瑞;刘丽琴;

NREL S809风力机叶片动力学特征分析    吕计男;刘子强;

水资源供需平衡应用Matlab/Simulink建模仿真的研究    朱光华;

Cell Spar平台结构总体强度分析    马哲;齐凯;

一种新型SPAR平台系泊系统设计    彭程;孙春梅;刘仲平;郝金凤;

1500m Truss Spar方案设计及强度与系统稳定性分析    上官丽红;黄维平;

深水刚性立管与弹性立管涡激振动分析    魏东泽;黄维平;

深海海洋浮式结构非线性运动响应关键问题研究    姜雪亮;桑松;周源;

半潜式生产平台基于全概率谱分析方法的结构疲劳分析    刘波;田其磊;高定全;王铭飞;

AMESim与Simulink联合仿真在舵机可靠性研究中的应用    李霏霞;曾声奎;马纪明;田华东;

固定式海洋结构模型转换与动力特性研究    张敏

兆瓦级风电机组状态监测及故障诊断研究    单光坤

永磁式直驱风电机组控制技术研究    刘颖明

大型风电叶片结构设计方法研究    马志勇

近海风机结构体系环境荷载及动力响应研究    陈小波

浅海重力式平台结构静动力分析    潘天娓

菱形车悬架系统优化设计与动力学分析    毛建中

经典式Spar平台非线性耦合动力响应研究    赵晶瑞

海上风电大直径宽浅筒型基础结构设计及安全性研究    刘喜珠

原生污水的紊流特性及其热泵系统的研究    秦娜

液压混合动力汽车能量再生系统特性仿真研究    邵建桥

矿用液压支架搬运车辆结构设计与液压驱动系统性能研究    于振涛

基于虚轴法的多轴同步运动控制系统设计    肖亮亮

海上浮式风力发电机组载荷及结构性能研究    黄俊

半潜式平台耐撞吸能结构研究    张旭

胶囊机器人转弯动力学特性研究    王楠

风浪联合作用下深水半潜式平台水动力性能实验研究    唐东洋

基于张力腿平台的顶张紧式立管安装分析    李卫锋

汽车油气弹簧特性仿真研究    孙文君

兆瓦级风力发电机组整机结构强度分析    金大伟

我国海上风电发展现状及分析    刘林;葛旭波;张义斌;尹明;李利;

海上风力发电场开发现状及趋势    宋础;刘汉中;

海上风电发展现状及发展趋势    张宪平;

风力发电机主轴承配置    Manuel Rettinge;

海上风电塔架腐蚀与防护现状    时士峰;徐群杰;云虹;潘红涛;

论我国海上风电场建设重大工程问题    王景全;程建生;李峰;

漂浮式风电场的基础形式和发展趋势    段金辉;李峰;王景全;程建生;

广东省建设海上示范风电场的可行性研究    贺建镁;

促进广东省风电发展的对策研究    张琪;

全球能源新宠——海上风电    Snodin.H;哲伦;

海上风力机气动特性及新型浮式系统    任年鑫

海上风电场升压站电气设计及其可靠性评估    陈楠

水平轴风力机风轮和塔架耦合动力学分析    罗振

磁浮道岔梁结构动应力及疲劳寿命分析    肖舟

水平轴风力机载荷的统计分析与计算    陈继传

风电机组主轴系统结构分析建模研究及其应用    曾纯亮

疲劳寿命预报统一方法中的载荷次序问题研究    陈峰落

高速铁路接触网的疲劳寿命分析    陈花丽

风电传动链非扭矩载荷技术研究    严伟鑫

水平轴风力机叶片气动性能计算模型研究    张仲柱

水平轴风力机空气动力学数值模拟    张义华

我国海上风力发电的发展与前景    倪安华;

我国风电产业发展亟待解决的几个关键问题    李建林;李建林;李建林;李建林;李建林;

大跨越自立式高压输电塔-电缆体系的简化抗震计算    李宏男,陆鸣,王前信

基于AR模型模拟超高层建筑的脉动风速时程    李春祥;都敏;韩兵康;

国内外风力发电的情况及发展趋势    王素霞;

2008年国内外风电发展情况综述    蒋莉萍;

海上风力发电场开发现状及趋势    宋础;刘汉中;

波浪中浮体运动与遭遇荷载计算研究    王言英

基于自适应最优模糊逻辑系统的短期负荷预测方法    吴捷,严华

异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用    吴学光,张学成,印永华,戴慧珠

风电机组系统动力学模型及关键零部件优化研究    刘桦

基于有限元法的风力发电机组塔架优化设计与分析    李华明

导管架平台结构分析模型化及疲劳断裂性能研究    王东军

风力机旋转叶片动力特性及响应分析    信伟平

大型风力发电机组的动力学特性计算分析    李声艳

兆瓦级风力发电机组的动力学分析    张晨晨

水平轴风力机叶片多目标优化设计及结构动力学分析    韩新月

风力发电机组载荷测试系统的设计与软件实现    贾军利

厚积薄发,打造专业风电控制系统 走进贝加莱工业自动化(上海)有限公司    宋华振;朱金凤;

迅息    

简讯    

维斯塔斯 风能公司概况    得时;

GE风能技术走进中国——记风力发电机组技术发展及本地化生产研讨会    本刊编辑部

风力发电机组动平衡系统    罗川;廖明夫;杨伸记;

浅谈风力发电及相关的中压设备    吴军;

ABB致力于促进中国海上风力发电发展    

产品资讯    

全国风力机械标准化工作现状与展望    王建平;

水平轴风力发电机组通用动力学建模研究    刘桦;邓良;廖晖;

风力发电机组风轮叶片材料的使用方向    

风力发电机组整体运行效率的评估研究    马宁;翟庆志;仝超;王国成;

风力发电机组的智能控制仿真研究    胡林静;席东民;王永兰;

对风力发电机组并网技术问题的探讨    陈艳;

风力发电机组火灾危险性及防范措施研究    杨旭坤;

叶轮和机舱对风力发电机组动力特性及地震反应谱响应的影响分析    祝磊;姚小芹;

风力发电机组用轮毂底座等大型低温球铁件的铸造技术    

风力发电机组的桨距角滑模变结构控制    杨锡运;刘欣然;

变桨距风力发电机组的PID控制器设计    张维新;郝雅楠;

风电装备“吹”出大产业    本报记者 姚学文　通讯员 任彬彬

风力发电机组控制系统关键技术获突破    

新能源面临两大困局普及亟待政策统筹    英莲

湘电集团：携关键技术乘“风”而上    本报记者 冯济武

发电集团“风驰电掣”    记者 马钦麟　实习生 杨珍

中石油首台兆瓦级风力发电机组在“辽河”下线    首席记者 吕红丽

东汽第1000台风电机组下线    本报记者 李联慧

中国国电集团总经理朱永芃来连考察    通讯员 严维新 吉志强 记者 贺耀堂

北车风电首台风力发电机组下线    记者 庄云锋

破解风电防雷的“紧箍咒”    本报记者 高琳　潘继鹏

海上风电机组系统动力学建模及仿真分析研究    王磊

大型风电机组整机及关键部件仿真分析与优化设计研究    李俊

风力发电机组控制策略优化与实验平台研究    刘军

风力发电机组动力模型及循环变桨控制策略研究    卢奭瑄

湍流风场模拟与风力发电机组载荷特性研究    何伟

风力发电机组组合式叶片结构设计研究    陈广华

水平轴风力发电机组风轮叶片优化设计研究    徐宝清

风力发电机组振动检测及噪声评估研究    吴宏钢

变速定桨风力发电系统控制技术研究    陈杰

液压型风力发电机组转速控制和功率控制研究    艾超

基于模糊PI控制的独立变桨控制技术的研究    李锋

基于钢塔架风力发电机组振动性能研究    余长海

变速变桨距风力发电机组的滑模变结构控制技术研究    王立军

风力发电机组综合优化选型方法研究    刘瑞轩

含风力发电机组的网络能量分布特征分析    刘苑红

风力发电机组振动监控系统研究    王有珺

双馈感应风力发电机组运行控制的物理模拟仿真    晁储琰

1.5MW风力发电机组液控技术研究    孙勇

兆瓦级变浆距风力发电机组智能控制系统的研究    赵阳

风力发电机组振动在线监测及故障诊断    张小科