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风电机组系统动力学模型及关键零部件优化研究

刘桦  
【摘要】:近十年来,我国风力发电产业快速发展,国产风力发电机组的尺寸和复杂度也不断的增加,对我国风力发电机组系统设计水平和制造能力提出了更高的要求。正确地建立大型风力发电机组的系统动力学模型并通过仿真分析风力发电机组的性能及运动规律是风力发电机组系统设计的一个重要内容,根据其仿真结果不但可以准确预测风力发电机组零部件所受载荷的时间历程,还可以应用于风力发电机组稳定性分析和控制设计,因此对其展开研究工作,对提高我国风力发电机组系统设计水平和制造能力,具有重要意义。 在重庆市科技计划重点攻关项目“风电机组系统设计关键技术研究(项目编号:CSTC20073052)”的资助下,本文提出了“风力发电机组系统动力学模型和关键零部件优化研究”的研究课题。在综合国内外相关研究的基础上,建立了包括风力发电机组风场、风轮气动力和风力发电机组结构动力学模型的气弹耦合风力发电机组系统动力学模型。在风场建模中,分析了风轮旋转对叶片上湍流风速谱的影响;在风轮气动力分析中,对叶素动量理论原型进行了风轮推力修正、叶尖修正和偏航修正,并在Simulink中建立了通用的风轮气动力模型;在风力发电机组结构动力学建模中,采用假设模态法表示叶片和塔架的柔性,并结合Kane方程,分析并建立了风力发电机组多体动力学模型。根据所建立的风力发电机组系统动力学模型,进行了整机模态分析和关键零部件载荷的仿真,并根据仿真结果对风力发电机组关键零部件轮毂进行疲劳分析和几何结构拓扑优化及壁厚优化,设计得到的轮毂不但满足疲劳寿命条件,重量也得到减轻。论文完成的主要研究工作有: 1)建立了适合风力发电机组系统动力学分析的风场模型。根据风力发电机组部件的运动规律,分析了固定部件和周期运动部件的风场的相同点和不同点。根据标准von Karman模型和旋转采样谱模型,建立了风力发电机组不同运动部件的脉动风速谱功率矩阵,并在此基础上,采用谐波叠加法模拟了不同部件的脉动风速时序数据。比较了仿真得到的模拟风速谱与目标风速谱,说明所采用方法的正确性。本文建立的风场模型较全面地描述了风力发电机组所处风场的特点,为整机系统动力学建模打下了基础。 2)研究了叶素动量理论,在Matlab的Simulink模块中建立了考虑叶片损失、偏航误差和叶片方位角的气动力仿真模块,通过仿真分析了风力发电机组叶片的轴向和切向因子、风轮扭矩、风轮输出功率的变化规律。本文提出的气动力模型考虑了更多的修正因素,具有更高的精确性,同时气动力Simulink模块具有模块化的优点、易于扩展、便于和其它仿真模块组成风力发电机组整机仿真模型等优势。其仿真计算结果与Bladed结果比较,验证了所建修正模型的正确性。 3)根据假设模态法,分析并建立了考虑叶片前两阶拍动模态、第一阶挥舞模态和塔架前两阶前后模态、前两阶侧向模态的风力发电机组结构动力学模型,其与风场、气动力模型一起,组成了风力发电机组整机气弹耦合系统动力学模型;相对于子系统动力学模型,可以更准确地描述了风力发电机组的整机动力学特性。根据系统动力学模型,对某600kW失速型风力机和某2MW变桨控制风力机进行仿真,获得了叶片、塔架和轮毂等部件的变形、速度及载荷。所得结果与Blade比较,说明所建模型的正确性。 4)针对不同控制策略的风力发电机组,在系统稳定运动点处,对风力发电机组进行线性化分析,得到其一阶线性周期性状态方程,然后采用多叶片坐标转换(MBC)将线性状态方程中对应叶片旋转运动的自由度转换到塔架-机舱系统所处的固定参考系中,在固定参考系下对风力发电机组整机进行模态分析,并绘制了整机Coleman图,分析了考虑气动力和不考虑气动力两种情况下,风力发电机组系统频率与阻尼的变化规律。相对于子系统模态分析,更准确地反映了不同系统模态之间的相互影响。为风力发电机组整机稳定性分析和控制设计打下基础。 5)根据系统动力学模型仿真得到的零部件受力,对风力发电机组关键零部件轮毂进行疲劳寿命分析,并以轮毂重量为优化目标,轮毂各部分壁厚为优化对象,建立了轮毂拓扑优化和壁厚优化模型。通过优化设计,得到了保证轮毂疲劳强度要求下的最优轮毂壁厚分布,将轮毂质量减小了29%。通过对风力发电机组轮毂的疲劳强度分析和优化设计,总结出了一套适用于风力发电机组关键零部件设计分析的方法,为我国风力发电机组的国产化打下了良好的基础。


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