風力發(fā)電機組系統(tǒng)建模與仿真研究.pdf

1、能源、環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。風力發(fā)電清潔無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經濟效益和社會效益。在目前技術條件下風電與火電、水電相比從造價、電能質量、設備制造和控制技術等領域存在劣勢，我國風電領域的理論和應用研究與發(fā)達國家存在很大差距。國內對風電機組系統(tǒng)設計技術的研究十分薄弱，風電機組的大型化、變槳距控制、變速恒頻等先進風電技術還遠未解決，致使我國大型風力機幾乎全部為進口產品。因此，深入研究風力發(fā)電機組

2、系統(tǒng)設計技術對于持久開發(fā)風能和實現風電機組國產化具有重要理論意義和工程應用價值。 風力發(fā)電技術是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學等多學科的綜合性高技術系統(tǒng)工程。目前，風力發(fā)電機組的研究難點是風電機組大功率、高可靠性、高效率、低成本。為攻克這些難點，國內外的研究熱點是系統(tǒng)優(yōu)化設計和先進控制策略。由于所受工況瞬態(tài)多變且工作環(huán)境惡劣，所以風力發(fā)電機組是一個復雜、多變量、非線性的不確定系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)建模分析是風力發(fā)電機系統(tǒng)設

3、計的關鍵。本論文是重慶市重大科技攻關項目“風電機組系統(tǒng)設計分析技術”的前期預研，針對風電機組系統(tǒng)建模的相關問題從風電機組的空氣動力學理論、系統(tǒng)非線性數學模型、系統(tǒng)結構動力學分析及系統(tǒng)實現最大風能捕獲控制策略進行了研究。主要內容包括： ①研究了空氣動力學理論和方法?？諝鈩恿W理論是風力發(fā)電機組建模和分析的關鍵，目前風力發(fā)電機組常用的空氣動力學計算理論是葉素動量理論，但是，葉素動量理論不能考慮由空氣質量引起的風速滯后效應。針對這一缺

4、陷，本文將應用于直升機懸翼空氣動力學計算的兩種理論Pitt-Peter理論和 GDW 理論用于風力發(fā)電機的空氣動力學計算。在分析比較了直升機旋翼和風力發(fā)電機組風輪的差異基礎上，根據風輪的自身獨特的特點，對這兩種理論進行了修正，提出了基于該理論的風輪空氣動力學計算方法，并且應用Matlab simulink編制計算分析程序。然后以某 600 千瓦風力發(fā)電機組為對象，對其空氣動力學性能進行了分析，并將分析結果同國際權威風電機組分析軟件Bla

5、ded分析結果進行了比較，結果很接近。這表明經過本論文修正后的 Pitt-Peter 理論和 GDW 理論不僅可以用于風力發(fā)電機組空氣動力學分析中，而且相對葉素動量理論分析結果更加準確。 ②建立了描述風電機組傳動鏈系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性數學模型。研究了目前國際上流行的風電機組傳動鏈布置形式，總結了其特點，并按國際風力發(fā)電機組權威認證規(guī)范 IEC 標準建模，保證了數學模型的規(guī)范性和通用性。在該非線性數學模型的基礎上，應用Matlab

6、 simulink建立了系統(tǒng)的仿真分析模型。同時對某600千瓦風力發(fā)電機組進行了系統(tǒng)性能仿真分析，將分析結果同國際權威軟件 Bladed分析結果比較，其結果很接近，驗證表明該數學模型可以用于風電機組系統(tǒng)性能仿真分析。 ③風力發(fā)電機組結構動力學聯合仿真分析。由于單獨使用一種分析方法不能考慮到風輪結構和氣動載荷的耦合關系，分析出的結果準確性將受到影響。針對這一問題，本文將聯合仿真技術引入風電機組結構動力學分析中。該分析方法考慮到了風電

7、機組結構的氣彈性問題，即將用Matlab計算的氣動力和用ADAMS計算的結構變形相互耦合。仿真情況更接近于實際風電機組的工作情況，計算精度較好。將該聯合仿真技術對某 600 千瓦風力發(fā)電機進行了結構動力學分析。分析表明，該方法能較好的模擬風力發(fā)電機組的結構動力學特性。但是由于仿真模型計算精度較高，考慮的自由度較多，計算耗時較長。針對仿真分析方法的這一局限性，本文在應用聯合仿真技術計算出一系列樣本工況后，采用人工神經網絡方法對風電機組結構

8、動力學性能進行分析預測。分析表明，采用仿真分析與人工神經網絡相結合的方法對風力發(fā)電機組結構振動進行分析和預測，可以減少振動分析的時間，保證預測精度，彌補單獨使用仿真分析方法的局限性。 ④將本文所建立的傳動鏈系統(tǒng)分析模型應用于風電機組的功率控制策略研究分析中。在研究風能最大捕獲原理的基礎上，研究了國際常用的四種風電機組控制策略，定性地總結比較了它們各自的優(yōu)缺點。并以某 600 千瓦風力發(fā)電機組為研究對象，采用本文建立的系統(tǒng)分析仿真