風電機組系統(tǒng)動力學模型及關(guān)鍵零部件優(yōu)化研究.pdf

1、近十年來，我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國產(chǎn)風力發(fā)電機組的尺寸和復雜度也不斷的增加，對我國風力發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計水平和制造能力提出了更高的要求。正確地建立大型風力發(fā)電機組的系統(tǒng)動力學模型并通過仿真分析風力發(fā)電機組的性能及運動規(guī)律是風力發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計的一個重要內(nèi)容，根據(jù)其仿真結(jié)果不但可以準確預測風力發(fā)電機組零部件所受載荷的時間歷程，還可以應(yīng)用于風力發(fā)電機組穩(wěn)定性分析和控制設(shè)計，因此對其展開研究工作，對提高我國風力發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計水平和制造能力

2、，具有重要意義。
　　 在重慶市科技計劃重點攻關(guān)項目“風電機組系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究(項目編號：CSTC20073052)”的資助下，本文提出了“風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學模型和關(guān)鍵零部件優(yōu)化研究”的研究課題。在綜合國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，建立了包括風力發(fā)電機組風場、風輪氣動力和風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)動力學模型的氣彈耦合風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學模型。在風場建模中，分析了風輪旋轉(zhuǎn)對葉片上湍流風速譜的影響；在風輪氣動力分析中，對葉素動量理論原型進

3、行了風輪推力修正、葉尖修正和偏航修正，并在Simulink中建立了通用的風輪氣動力模型；在風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)動力學建模中，采用假設(shè)模態(tài)法表示葉片和塔架的柔性，并結(jié)合Kane方程，分析并建立了風力發(fā)電機組多體動力學模型。根據(jù)所建立的風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學模型，進行了整機模態(tài)分析和關(guān)鍵零部件載荷的仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對風力發(fā)電機組關(guān)鍵零部件輪轂進行疲勞分析和幾何結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化及壁厚優(yōu)化，設(shè)計得到的輪轂不但滿足疲勞壽命條件，重量也得到減輕。論文完

4、成的主要研究工作有：
　　 1)建立了適合風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學分析的風場模型。根據(jù)風力發(fā)電機組部件的運動規(guī)律，分析了固定部件和周期運動部件的風場的相同點和不同點。根據(jù)標準von Karman模型和旋轉(zhuǎn)采樣譜模型，建立了風力發(fā)電機組不同運動部件的脈動風速譜功率矩陣，并在此基礎(chǔ)上，采用諧波疊加法模擬了不同部件的脈動風速時序數(shù)據(jù)。比較了仿真得到的模擬風速譜與目標風速譜，說明所采用方法的正確性。本文建立的風場模型較全面地描述了風力發(fā)電

5、機組所處風場的特點，為整機系統(tǒng)動力學建模打下了基礎(chǔ)。
　　 2)研究了葉素動量理論，在Matlab的Simulink模塊中建立了考慮葉片損失、偏航誤差和葉片方位角的氣動力仿真模塊，通過仿真分析了風力發(fā)電機組葉片的軸向和切向因子、風輪扭矩、風輪輸出功率的變化規(guī)律。本文提出的氣動力模型考慮了更多的修正因素，具有更高的精確性，同時氣動力Simulink模塊具有模塊化的優(yōu)點、易于擴展、便于和其它仿真模塊組成風力發(fā)電機組整機仿真模型等優(yōu)勢

6、。其仿真計算結(jié)果與Bladed結(jié)果比較，驗證了所建修正模型的正確性。
　　 3)根據(jù)假設(shè)模態(tài)法，分析并建立了考慮葉片前兩階拍動模態(tài)、第一階揮舞模態(tài)和塔架前兩階前后模態(tài)、前兩階側(cè)向模態(tài)的風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)動力學模型，其與風場、氣動力模型一起，組成了風力發(fā)電機組整機氣彈耦合系統(tǒng)動力學模型；相對于子系統(tǒng)動力學模型，可以更準確地描述了風力發(fā)電機組的整機動力學特性。根據(jù)系統(tǒng)動力學模型，對某600kW失速型風力機和某2MW變槳控制風力機進行仿

7、真，獲得了葉片、塔架和輪轂等部件的變形、速度及載荷。所得結(jié)果與Blade比較，說明所建模型的正確性。
　　 4)針對不同控制策略的風力發(fā)電機組，在系統(tǒng)穩(wěn)定運動點處，對風力發(fā)電機組進行線性化分析，得到其一階線性周期性狀態(tài)方程，然后采用多葉片坐標轉(zhuǎn)換(MBC)將線性狀態(tài)方程中對應(yīng)葉片旋轉(zhuǎn)運動的自由度轉(zhuǎn)換到塔架-機艙系統(tǒng)所處的固定參考系中，在固定參考系下對風力發(fā)電機組整機進行模態(tài)分析，并繪制了整機Coleman圖，分析了考慮氣動力和不

8、考慮氣動力兩種情況下，風力發(fā)電機組系統(tǒng)頻率與阻尼的變化規(guī)律。相對于子系統(tǒng)模態(tài)分析，更準確地反映了不同系統(tǒng)模態(tài)之間的相互影響。為風力發(fā)電機組整機穩(wěn)定性分析和控制設(shè)計打下基礎(chǔ)。
　　 5)根據(jù)系統(tǒng)動力學模型仿真得到的零部件受力，對風力發(fā)電機組關(guān)鍵零部件輪轂進行疲勞壽命分析，并以輪轂重量為優(yōu)化目標，輪轂各部分壁厚為優(yōu)化對象，建立了輪轂拓撲優(yōu)化和壁厚優(yōu)化模型。通過優(yōu)化設(shè)計，得到了保證輪轂疲勞強度要求下的最優(yōu)輪轂壁厚分布，將輪轂質(zhì)量減小了