風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建模與仿真研究.pdf

1、能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電清潔無(wú)污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在目前技術(shù)條件下風(fēng)電與火電、水電相比從造價(jià)、電能質(zhì)量、設(shè)備制造和控制技術(shù)等領(lǐng)域存在劣勢(shì)，我國(guó)風(fēng)電領(lǐng)域的理論和應(yīng)用研究與發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大差距。國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究十分薄弱，風(fēng)電機(jī)組的大型化、變槳距控制、變速恒頻等先進(jìn)風(fēng)電技術(shù)還遠(yuǎn)未解決，致使我國(guó)大型風(fēng)力機(jī)幾乎全部為進(jìn)口產(chǎn)品。因此，深入研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于持久開(kāi)發(fā)風(fēng)能和實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究難點(diǎn)是風(fēng)電機(jī)組大功率、高可靠性、高效率、低成本。為攻克這些難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)控制策略。由于所受工況瞬態(tài)多變且工作環(huán)境惡劣，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜、多變量、非線性的不確定系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)建模分析是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)

3、計(jì)的關(guān)鍵。本論文是重慶市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析技術(shù)”的前期預(yù)研，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)建模的相關(guān)問(wèn)題從風(fēng)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)理論、系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制策略進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容包括： ①研究了空氣動(dòng)力學(xué)理論和方法?？諝鈩?dòng)力學(xué)理論是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模和分析的關(guān)鍵，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常用的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算理論是葉素動(dòng)量理論，但是，葉素動(dòng)量理論不能考慮由空氣質(zhì)量引起的風(fēng)速滯后效應(yīng)。針對(duì)這一缺

4、陷，本文將應(yīng)用于直升機(jī)懸翼空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的兩種理論P(yáng)itt-Peter理論和 GDW 理論用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算。在分析比較了直升機(jī)旋翼和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的差異基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)輪的自身獨(dú)特的特點(diǎn)，對(duì)這兩種理論進(jìn)行了修正，提出了基于該理論的風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，并且應(yīng)用Matlab simulink編制計(jì)算分析程序。然后以某 600 千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對(duì)象，對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并將分析結(jié)果同國(guó)際權(quán)威風(fēng)電機(jī)組分析軟件Bla

5、ded分析結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果很接近。這表明經(jīng)過(guò)本論文修正后的 Pitt-Peter 理論和 GDW 理論不僅可以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空氣動(dòng)力學(xué)分析中，而且相對(duì)葉素動(dòng)量理論分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。 ②建立了描述風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的非線性數(shù)學(xué)模型。研究了目前國(guó)際上流行的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈布置形式，總結(jié)了其特點(diǎn)，并按國(guó)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組權(quán)威認(rèn)證規(guī)范 IEC 標(biāo)準(zhǔn)建模，保證了數(shù)學(xué)模型的規(guī)范性和通用性。在該非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Matlab

6、 simulink建立了系統(tǒng)的仿真分析模型。同時(shí)對(duì)某600千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了系統(tǒng)性能仿真分析，將分析結(jié)果同國(guó)際權(quán)威軟件 Bladed分析結(jié)果比較，其結(jié)果很接近，驗(yàn)證表明該數(shù)學(xué)模型可以用于風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)性能仿真分析。 ③風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真分析。由于單獨(dú)使用一種分析方法不能考慮到風(fēng)輪結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)載荷的耦合關(guān)系，分析出的結(jié)果準(zhǔn)確性將受到影響。針對(duì)這一問(wèn)題，本文將聯(lián)合仿真技術(shù)引入風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中。該分析方法考慮到了風(fēng)電

7、機(jī)組結(jié)構(gòu)的氣彈性問(wèn)題，即將用Matlab計(jì)算的氣動(dòng)力和用ADAMS計(jì)算的結(jié)構(gòu)變形相互耦合。仿真情況更接近于實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的工作情況，計(jì)算精度較好。將該聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)某 600 千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。分析表明，該方法能較好的模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。但是由于仿真模型計(jì)算精度較高，考慮的自由度較多，計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)。針對(duì)仿真分析方法的這一局限性，本文在應(yīng)用聯(lián)合仿真技術(shù)計(jì)算出一系列樣本工況后，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

8、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。分析表明，采用仿真分析與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，可以減少振動(dòng)分析的時(shí)間，保證預(yù)測(cè)精度，彌補(bǔ)單獨(dú)使用仿真分析方法的局限性。 ④將本文所建立的傳動(dòng)鏈系統(tǒng)分析模型應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的功率控制策略研究分析中。在研究風(fēng)能最大捕獲原理的基礎(chǔ)上，研究了國(guó)際常用的四種風(fēng)電機(jī)組控制策略，定性地總結(jié)比較了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。并以某 600 千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，采用本文建立的系統(tǒng)分析仿真