海上風電機組系統(tǒng)動力學建模及仿真分析研究.pdf

1、隨著風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速的發(fā)展，歐美等國海上風力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，而我國海上風能的開發(fā)剛剛起步。為降低海上發(fā)電成本，需要風力發(fā)電機組的尺寸和復雜度不斷的增加，對我國風力發(fā)電機組系統(tǒng)設計水平和制造能力提出了更新、更高的要求。正確地建立大型海上風力發(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)律是海上風力發(fā)電機組系統(tǒng)設計的一個重要內(nèi)容。對提高我國海上風力發(fā)電機組系統(tǒng)設計水平和制造能力，具有重要意義。
　　 在國家科技

2、支撐計劃項目“5.0MW近海風電機組研制及風能核心技術(shù)研究(項目編號：2009BAA22802)”的資助下，將其子項目“海上風電機組系統(tǒng)動力學建模及仿真分析”的作為研究課題。在綜合國內(nèi)外相關研究的基礎上，建立了包括近海風力發(fā)電機組風場、風輪氣動力、流體動力學、結(jié)構(gòu)動力學和控制模型的多場耦合風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學模型。論文完成的主要研究工作有：
　　 第一章中回顧了海上風力發(fā)電的歷史發(fā)展，分析了現(xiàn)代海上風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的特點，綜述

3、了國內(nèi)外海上風力發(fā)電機組風場建模、空氣動力學、結(jié)構(gòu)動力學及整機系統(tǒng)動力學建模與仿真的研究現(xiàn)狀，從而提出了海上風力發(fā)電機組說明了系統(tǒng)動力學仿真分析的研究，給出了論文的主要研究內(nèi)容，創(chuàng)新點和技術(shù)路線。
　　 第二章研究了海上風場的變化規(guī)律，針對于目前廣泛使用的Von.karman隨機功率譜的不足，分別采用修正Von.karman和Mann隨機功率譜表示風速隨時間的機變化，建立不同點的風速互相關函數(shù)，通過逆Fourier變換得到風輪葉

4、片上隨時間變化風速時間歷程。分別給出了葉素動量理論模型、固定尾跡模型以及自由尾跡模型三種空氣動力學模型。在Matlab/Simulink下建模，并結(jié)合得到湍流風速時間歷程，對某2MW海上風力機風輪進行氣動分析，為風力發(fā)電機組系統(tǒng)動力學模型和空氣動力學模型打下基礎。
　　 第三章分別研究了規(guī)則波浪理論和不規(guī)則波浪理論。對Morison方程在工程上的適用范圍進行更好的確定，應用Morison方程對海上風力發(fā)電機樁基礎的波流力進行計算

5、，并對流場作用于塔筒上的水動力的變化開展了研究。
　　 第四章在基于變速變槳主控策略基礎上，針對變速變槳風力發(fā)電機組如何抑制傳動鏈的扭轉(zhuǎn)振動和塔架前后、側(cè)向運動。動態(tài)入流以及估計風速，增加了載荷控制環(huán)、動態(tài)入流控制環(huán)以及估計風速前饋控制環(huán)，通過時域和頻域分析與對比，說明增加的輔助控制環(huán)不但有利于降低載荷，減少超調(diào)量，同時也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 第五章建立了基于Kane方法的作大范圍運動海上風力發(fā)電機組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

6、動力學模型，并使用假設模態(tài)離散化方法對其進行柔性化。將該模型與風場、氣動力模型、波浪力模型一起，組成了海上風電機組氣-彈-流相互耦合系統(tǒng)動力學模型。以變速變槳控制5MW海上風力發(fā)電機組為例，計算了在考慮線性波和非線性波情況與穩(wěn)態(tài)風場和Mann湍流風場下的風力發(fā)電機組葉片和塔架的受力和變形情況。
　　 第六章通過建立浮式平臺水動力學模型和錨泊系統(tǒng)動力學模型，并將耦合的水動力載荷與氣動載荷加載到該漂浮式風電機組多柔體動力學的模型上，