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恒速变桨风力发电机风轮工作特性分析

侯诗文  
【摘要】:全球经济的发展加速了能源的消耗,其中煤、石油、天然气等不可再生能源在我国的能源结构中占着主导地位。过度的能源消耗,加速了化石能源的枯竭,不利于能源的可持续发展。同时大量使用化石能源不可避免的产生二氧化碳等对环境有害的物质,对人们的生活健康有着不利影响。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视。除了水能外,风能是最具有开发利用价值的可再生能源。风能的利用方式主要有并网型和离网型,中小型风力发电机既可以用作独立系统为用户生产和生活用电提供电力,也可以作为用户侧分布式并网系统,为用户侧电网输送电力。5k W风力发电机组由于容量适宜、运输维护方便、占地面积少受到了广泛的应用。风力机在生产应用中,为使风力机输出的频率与用户所需频率或电网频率相兼容,一般在风力发电机与电网间加入了复杂的换流系统,这个系统增加了电流中的谐波成份;增加了频率控制的电能功耗;增加了发电机的故障率;降低了发电机的可靠性。要实现中小型风力发电机的高可靠性就必须减少复杂、可靠性差的换流系统,因此研究一种高风能利用率的变桨恒速风力发电机非常有必要。本文首先由Wilson设计方法设计计算风轮的气动外形,同时基于叶素理论推导分析了5k W风力发电机在运行过程中的变桨原理,提出了不同风速下桨距角调节量的计算方法。然后利用MATLAB软件编程计算叶片的外形参数以及桨距角的调节量,并根据坐标转换原理将二维坐标转化成三维坐标,在Gambit软件中建立风轮模型。接着利用Ansys软件对风轮进行不同桨距角工况的数值模拟,模拟风力机在定桨运行时的功率输出特性以及风力机在变桨运行时的功率输出特性。最后以相似理论为依据,制作物理风轮实验模型,对实物模型的功率性能进行野外车载实验验证。本文通过对恒速变桨风力机风轮工作特性的研究,得到了以下成果:1.在风速低于额定风速下,为使风力机风能利用系数最大化,获得了变桨风力机的最佳桨距角与风速的对应关系;2.风速超过额定风速后,在风力机保持稳定的功率输出的条件下,获得了桨距角调节量与风速的关系;3.对风轮进行数值模拟,得到了风轮的在变桨工况下的功率输出特性;4.车载实验验证实物风力机定桨与变桨工况的输出特性。


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