风电机组系统分析关键技术研究及应用

【摘要】： 我国的风能资源十分丰富,风力发电产业发展迅速,迫切需要提高国产风力发电装备的设计和制造能力。但是风力发电机组系统设计的关键技术和系统关键零部件制造与国际先进水平还有很大差距,对风电机组系统设计技术的研究也较薄弱,成为制约我国风力发电装备国产化的瓶颈。论文得到重庆市重点科技攻关项目“风电机组系统设计关键技术”的支持,对风力发电机组系统分析的关键技术进行了深入研究,研究的主要内容是: ①针对风力发电机组目前常用的空气动力学计算理论——叶素动量理论(BEW理论)不能考虑由空气质量引起的风速滞后效应的缺陷,在分析比较了直升机旋翼和风力发电机组风轮的差异基础上,根据风轮自身特点,将用于直升机悬翼空气动力学计算的动态入流理论(GDW理论)进行了修正,使之适用于风力发电机组的空气动力学分析计算,并提出了基于GDW理论的风轮空气动力学计算方法。 ②对风力发电机组典型的传动系统设计类型进行系统研究的基础上,提出了包括系统设计、售后服务、尺寸及质量、安装、成本等在内的风电机组传动系统设计的定性评价指标,结合非线性传动系统模型的定量分析结果,构成了风电机组传动系统结构的评价体系。 ③用修正的GDW理论建立了风力发电机组空气动力学分析模型,同时将联合仿真技术引入风电机组结构动力学分析中,该方法考虑了风电机组结构的气弹性问题,将Matlab计算的气动力和用ADAMS计算的结构变形相互耦合,建立了风力发电机组结构动力学的联合仿真分析模型。 ④采用风力发电机组联合仿真分析模型,将联合仿真分析技术应用于某失速型600kW风力发电机系统性能仿真分析中。对风力发电机组进行了气动性能分析,分析结果与GH Bladed比较,两者结果非常接近,这验证了联合仿真分析模型的正确性。该分析方法考虑到了风电机组结构的气弹耦合效应,仿真情况更接近于实际风力发电机组的工作情况,提高了计算精度。 ⑤针对当前风电机组向大功率、高效率、高可靠性方向发展的趋势,在行星齿轮传动的基础上,研究了一种大功率风电机组新型液力变速控制传动系统。这种新型的传动系统应用了行星齿轮传动和导叶可调式液力变矩器的组合,通过导叶可调式液力变矩器对系统进行变速控制,其精度高,响应速度快,超调量小,实现了变速输入、恒速输出,达到发电机功率恒定的目的,从而减小并网时对电网的冲击。并且建立了仿真分析模型,利用ADAMS和MATLAB/SIMUlink软件对该系统的性能进行了动态仿真分析。 ⑥根据德国船级社制定的风电机组设计规范(GL标准)对关键零部件结构分析的要求,通过风力发电机组结构动力学的联合仿真分析,得到各种典型风况下的载荷,研究了单元类型及边界条件,建立其有限元模型,并采用MSC公司的有限元分析软件对风力发电机组的关键零部件风轮轮毂、主轴以及主轴与轮毂的螺柱联接进行了结构强度分析。 【关键词】：风力发电机组 系统建模与仿真 评价指标 新型传动系统 有限元分析 空气动力学
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 风力发电的发展现状10-16
• 1.1.1 世界风力发电的发展10-11
• 1.1.2 我国风力发电现状及发展趋势11-13
• 1.1.3 全球风力发电技术的新发展13-15
• 1.1.4 我国风力发电技术的差距15-16
• 1.2 研究现状及选题背景16-19
• 1.3 论文主要工作19-20
• 1.4 论文的主体结构20-22
• 2 风力发电机组系统建模与仿真22-46
• 2.1 引言22
• 2.2 风电机组的空气动力学模型22-28
• 2.2.1 GDW 动态入流理论22-24
• 2.2.2 空气动力学分析模型24-28
• 2.3 传动链非线性建模分析28-31
• 2.4 结构动力学模型31-35
• 2.4.1 结构动力学方程31-33
• 2.4.2 结构动力学分析33-35
• 2.5 系统性能联合仿真分析35-37
• 2.6 600kW 风力发电机联合仿真分析37-44
• 2.6.1 600kW 风机气动性能分析38-40
• 2.6.2 600kW 风机系统性能分析40-41
• 2.6.3 600kW 风机结构动力学分析41-44
• 2.7 本章小结44-46
• 3 风力发电机组传动链评价指标研究46-56
• 3.1 风力发电机组传动系统结构组成46-48
• 3.2 典型传动系统的设计类型48-51
• 3.3 常用传动链的结构形式51-52
• 3.4 传动链评价指标52-54
• 3.5 本章小结54-56
• 4 新型液力控制传动系统研究56-78
• 4.1 新型传动系统的研究背景56-57
• 4.2 新型传动系统模型的设计57-66
• 4.2.1 新型传动链的设计思路57-60
• 4.2.2 新型风电传动系统机械动力学模型60
• 4.2.3 导叶可调式液力变矩器的设计思路60-61
• 4.2.4 导叶可调式液力变矩器模型61-64
• 4.2.5 导叶调节机构分析64-66
• 4.3 新型传动系统动态仿真研究66-73
• 4.3.1 液力速度控制系统66
• 4.3.2 智能模糊PID 控制器的设计66-68
• 4.3.3 传动系统动态仿真模型的建立68-70
• 4.3.4 仿真结果分析比较70-73
• 4.4 联合仿真实验与分析73-77
• 4.4.1 联合仿真设计思路73
• 4.4.2 联合仿真实验73-74
• 4.4.3 仿真实验数据分析74-77
• 4.5 与某失速型风力机系统的比较77
• 4.6 本章小结77-78
• 5 系统关键零部件结构性能分析78-99
• 5.1 系统关键零部件结构性能分析的特点和要求78-80
• 5.1.1 风电机组传动系统结构分析的特点78
• 5.1.2 风电机组传动系统有限元分析的要求78-80
• 5.2 基于结构强度分析模型的载荷计算80-85
• 5.2.1 风力发电机组所受载荷80-81
• 5.2.2 坐标系的确定81-83
• 5.2.3 风力发电机组载荷计算模型83
• 5.2.4 风力发电机组载荷计算83-85
• 5.3 主轴强度的有限元分析85-90
• 5.3.1 主轴的几何模型85
• 5.3.2 主轴静强度分析有限元模型85-86
• 5.3.3 强度分析86-89
• 5.3.4 主轴强度计算结果89-90
• 5.4 轮毂强度有限元分析模型90-93
• 5.4.1 轮毂几何模型的建立90
• 5.4.2 有限元分析模型的建立90-91
• 5.4.3 结果分析和后处理91-93
• 5.5 主轴与轮毂处的连接强度分析93-97
• 5.5.1 接触分析模型93-94
• 5.5.2 分析结果94-97
• 5.6 本章小结97-99
• 6 主要结论及后续研究工作99-101
• 6.1 主要结论99-100
• 6.2 论文的后续研究工作100-101
• 致谢101-102
• 参考文献102-108
• 附录108

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