大型風(fēng)電機組整機及關(guān)鍵部件仿真分析與優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、由于環(huán)境惡化、能源危機等因素,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為人們越來越多的關(guān)注焦點。隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量增大,復(fù)雜程度的增加,加上海上風(fēng)力發(fā)電機組的興起,對我國在風(fēng)力發(fā)電機組自主設(shè)計和制造水平上提出了更高要求。我國在風(fēng)電機組總體設(shè)計與國際水平還存在較大差距,尤其在整機建模、性能仿真、載荷計算等方面尚存許多問題沒有解決。本文課題來源于重慶市科技計劃重點攻關(guān)項目“風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)”,以大型2MW變速變槳水平軸風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2、的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。由此,論文研究的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)如下:
　　 第一章分析了風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢及研究熱點,提出了風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)仿真及優(yōu)化的技術(shù)需求,綜述了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機組空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、系統(tǒng)建模仿真分析以及零部件優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀,從而提出了風(fēng)電機組整機及關(guān)鍵零部件仿真分析與優(yōu)化設(shè)計的研究,給出了論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。
　　 第二章提出了風(fēng)力機空氣動力問題的一種新理論——BEM-GDW綜合理論。針對在風(fēng)力機氣

3、動性能計算時廣泛使用的修正后的葉素動量理論(BEM),指出它仍存在無法考慮三維氣動效應(yīng)以及時間遲滯等缺陷。同時引出另一種理論廣義動態(tài)尾流理論(GDW),指出它的優(yōu)點與BEM比較它可以描述風(fēng)輪盤上更一般的壓力分布,它存在時間遲滯,同時風(fēng)輪的誘導(dǎo)速率能夠從一系列一階微分方程得出,避免了使用迭代,但它的缺點是在低風(fēng)速下此方法計算很不穩(wěn)定。為了彌補兩個理論存在的不足,將兩理論綜合在一起,提出了BEM-GDW綜合理論,同時考慮了動態(tài)失速的影響,并

4、將此理論在Matlab中實現(xiàn)。
　　 第三章結(jié)合項目,對風(fēng)力發(fā)電機組整機進行模擬仿真,計算了各關(guān)鍵零部件載荷。詳細闡述了某大型2MW變速變槳水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的建模過程,模塊特征和參數(shù)定義。將各個模塊的特性以及參數(shù)對模型的影響都進行了詳細的研究,根據(jù)實際風(fēng)場特點,按照GL規(guī)范將風(fēng)力機在外部條件下進行設(shè)計載荷工況的定義。建立了風(fēng)力機整機系統(tǒng)模型,對其進行靜態(tài)和動態(tài)仿真,從而獲得風(fēng)電機組各個零部件的極限和疲勞載荷。這對于風(fēng)力發(fā)電機組

5、設(shè)計的各個零部件的驗證以及后續(xù)的設(shè)計都起到了指導(dǎo)作用。同時還對海況進行初步研究,為以后的海上風(fēng)力發(fā)電機組的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 第四章提出了對風(fēng)力發(fā)電機組在冰載條件下的研究。首次以冰載條件下的風(fēng)力機為研究對象,通過數(shù)值模擬的方法,分析了冰載對風(fēng)力機葉片翼型、功率以及年發(fā)電量的影響。在Matlab中,基于BEM-GDW綜合理論開發(fā)了計算冰載影響因素的風(fēng)力機氣動性能、功率及年發(fā)電量的程序,并以某2MW變速變槳型風(fēng)力機為例進行了性能

6、仿真,將所得的功率曲線與GH Bladed軟件的結(jié)果進行比較分析,驗證了該數(shù)值模擬方法的正確性和實用性。
　　 第五章基于BEM-GDW綜合理論,考慮實際年風(fēng)速分布概率,以年發(fā)電量最大為目標,結(jié)合遺傳算法搜索尋優(yōu),建立葉片優(yōu)化設(shè)計程序。運用此程序,對某2MW水平軸風(fēng)力機葉片進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的風(fēng)力機葉片的扭角、弦長及相對厚度的分布均保持光滑并連續(xù)性過渡,便于生產(chǎn)和加工。同時葉片捕風(fēng)能力與年發(fā)電量較之原葉片都大大提高,具有一定的

7、理論和工程實用價值。
　　 第六章基于風(fēng)力機整機的穩(wěn)定性,提出了一種研究風(fēng)力機塔筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新方法。該方法以減小系統(tǒng)振動為目標函數(shù),塔筒的直徑和壁厚為優(yōu)化參數(shù),通過強度、變形量及質(zhì)量等作為約束條件建立優(yōu)化模型,利用內(nèi)點懲罰函數(shù)法求解此優(yōu)化問題,最后運用坎貝爾圖(Campbell圖)對葉片與塔筒耦合的風(fēng)力機整機系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析。應(yīng)用此方法對某2MW水平軸風(fēng)力機塔筒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化同時用有限元軟件加以驗證,整機的穩(wěn)定性能得到很大改善