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风电机组载荷建模及仿真优化研究

韩花丽  
【摘要】:近年来,我国风电产业快速发展,风电机组的功率和结构复杂度也不断地增加,系统运行的稳定性和安全性越来越受到研究机构和企业的重视。特别是随着风电机组大型化和规模化的发展以及近几年国内风电事故的频发,需要更好地掌握风电机组的系统仿真分析和验证技术,从整体和局部层面预测风电机组在各种工况下运行的潜在危险,从而指导设计,提高风电机组运行的稳定性和可靠性。因此,正确地建立大型风电机组的系统联合仿真模型,通过仿真分析确定其性能及运动规律,研究影响风电机组载荷的主导工况和风资源的主导特征,探索降低环境或风资源主导特征影响的载荷控制技术,并通过风场实测来验证分析方法的正确性,对提高我国风电机组的系统设计水平具有重要意义。本文结合国家科技支撑计划项目(2009BAA22B02)和科技部国际合作项目(2010DFB60700)的主要研究内容,将风电机组系统建模和仿真分析及优化作为研究课题。研究风电机组的系统建模和仿真分析优化技术,结合风场实测数据进行仿真验证,并形成相应的载荷仿真及优化方法。主要研究内容包括以下几方面:①研究风电机组空气动力学理论、结构动力学理论及控制理论,基于这些理论,利用数值计算及仿真建模等技术手段,建立风电机组的气—弹—控耦合联合仿真模型,进行风电机组系统动力学仿真分析,通过分析结果和GH BLADED的对比,验证模型的正确性。②根据风电机组全寿命期内可能遇到的各种状况,在风特性研究的基础上,定义了一套适用于风电机组载荷仿真分析的工况。基于所建立的联合仿真模型,进行典型工况的时序载荷分析及全寿命期的疲劳载荷分析,从而研究载荷影响因素及载荷变化规律;分析风电机组性能,特别是变桨距风电机组的失速性能、动态功率曲线等,为合理评价机组性能提供参考依据。③进行风电机组载荷优化方法研究,根据优化对象的特点,提出适用于极限载荷优化的预变桨、变参数变桨、转速转矩柔性协调等多种变桨及转矩控制策略,对优化结果进行对比,并通过风场实测进行效果验证;提出疲劳载荷的权重分析法,通过该方法筛选出对当量疲劳载荷影响较大的工况及载荷幅值,基于载荷优化方法的研究成果,进行风电机组疲劳载荷优化。④进行风电机组整机载荷测试的仿真验证技术研究,通过对某2MW风电机组的风场测试数据进行分析,结合机组实际情况及仿真建模方法,提出测试数据分析和校正方法、测试风的仿真建模方法及测试结果的仿真验证方法。使用联合仿真模型进行测试工况的仿真验证,给出仿真结果与测试结果的偏差,并对偏差进行详细分析和评定,来验证整机载荷计算及测试仿真方法的正确性,从而形成适用于风电机组的建模—仿真—优化—实验的完整理论和方法。


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