兆瓦級(jí)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展與維持生態(tài)平衡、保護(hù)環(huán)境的矛盾是當(dāng)前國(guó)際社會(huì)也是我國(guó)面臨的首要問(wèn)題，為了保護(hù)我們賴以生存的地球環(huán)境資源，中國(guó)和國(guó)際社會(huì)、特別是發(fā)達(dá)國(guó)家一道為減少碳排放、提高能效，做出了重要的承諾，在未來(lái)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中采用清潔能源替代技術(shù)、可再生能源技術(shù)、新能源技術(shù)來(lái)代替化石能源。相對(duì)傳統(tǒng)能源領(lǐng)域，風(fēng)能利用技術(shù)正在走向成熟，因而風(fēng)能在施工周期、投資方式上優(yōu)勢(shì)明顯，具有較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。
　　 我國(guó)在風(fēng)電的理論研究、工程應(yīng)用

2、方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在很大差距，目前技術(shù)條件下的風(fēng)電成本、并網(wǎng)電能質(zhì)量以及設(shè)備制造和控制技術(shù)等均處于劣勢(shì)。國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電產(chǎn)品的需求迫切，風(fēng)電技術(shù)的研究基礎(chǔ)薄弱，風(fēng)電機(jī)組大型化、形式多樣化等技術(shù)問(wèn)題尚待解決，諸多緣由促使我國(guó)逐漸淪為國(guó)際風(fēng)電行業(yè)巨頭的垃圾產(chǎn)品傾銷市場(chǎng)和新產(chǎn)品試驗(yàn)田。因此，深入研究各項(xiàng)風(fēng)電技術(shù)對(duì)風(fēng)能的持久開(kāi)發(fā)、高效利用以及形成自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)、取得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 風(fēng)電技術(shù)屬于綜合性系統(tǒng)工程，

3、涉及空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、自動(dòng)控制、電機(jī)學(xué)等諸多學(xué)科。目前，隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，突破傳統(tǒng)形式的風(fēng)電機(jī)組逐漸成為風(fēng)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組是非線性的復(fù)多變量雜系統(tǒng)，而且風(fēng)能具有時(shí)變性和不穩(wěn)定性，因此，對(duì)新形式風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)的研究是解決機(jī)組運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)高效的關(guān)鍵。
　　 本文針對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，主要內(nèi)容歸納如下：
　　 1)基于貝茨理論、動(dòng)量理論等風(fēng)力機(jī)建模的基礎(chǔ)理論以及低速翼型的空氣動(dòng)

4、力學(xué)特性，建立了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力裝置的非線性理論模型，綜合考慮Re、計(jì)算攻角的修正值等對(duì)翼型空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響?；谠擄L(fēng)輪模型，分別對(duì)H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室34米直徑的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及浙江大學(xué)40米垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)完成了算例分析，圍繞風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪輸出扭矩以及葉片的氣動(dòng)載荷等主要問(wèn)題分別進(jìn)行了討論，分析了不同形式的風(fēng)輪在不同風(fēng)速、葉片處于不同位置以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)葉片空氣動(dòng)力學(xué)性能和風(fēng)輪輸出扭矩的影響

5、，在此基礎(chǔ)上完成該模型的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 2)根據(jù)垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型的分析結(jié)果，總結(jié)出翼型攻角平面圖解方法：“矢量-圓”法，即：遠(yuǎn)端風(fēng)速矢量一定時(shí)，空間中處于任意位置、圓周運(yùn)動(dòng)的葉片，通過(guò)建立以風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的葉片切向速度值為半徑的圓，在圓心處建立以遠(yuǎn)端風(fēng)速為一個(gè)軸的直角坐標(biāo)系，葉片運(yùn)動(dòng)的位置滯后于葉片切向速度π/2，相對(duì)風(fēng)速與遠(yuǎn)端風(fēng)速、葉片切向速度組成矢量三角形關(guān)系，攻角α為此矢量三角形中葉片切向速度、相對(duì)風(fēng)速的

6、夾角或其補(bǔ)角。文中完成了“矢量-圓”法的理論推導(dǎo)，該方法屬于創(chuàng)新性研究，對(duì)今后風(fēng)輪模型的進(jìn)一步研究工作具有指導(dǎo)作用。
　　 3)根據(jù)兆瓦級(jí)永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和其結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)，基于集總參數(shù)法建立發(fā)電機(jī)的等效熱路模型，該模型對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)具有通用性，為同類型產(chǎn)品的溫升計(jì)算提供了理論依據(jù)。
　　 4)基于熱交換定律編制了電機(jī)內(nèi)熱交換微分方程，采用有限差分來(lái)近似代替微分，利用等效熱路圖的計(jì)算結(jié)果來(lái)確定熱聯(lián)系，將溫度場(chǎng)求解

7、域內(nèi)的導(dǎo)熱偏微分方程及邊界條件，轉(zhuǎn)化為成適用于計(jì)算區(qū)域內(nèi)部和邊界上各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的差分方程組；基于迭代法求解方程組，可得到電機(jī)求解域溫度的分布。該溫升計(jì)算方法對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。
　　 5)根據(jù)永磁同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)兆瓦級(jí)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制策略進(jìn)行了研究，提出了基于背靠背雙脈寬調(diào)制整流器的并網(wǎng)控制策略和基于雙電壓源型脈寬調(diào)制整流器的并網(wǎng)控制策略，建立了兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組全功率控制并網(wǎng)策略的等效電路模型。該并網(wǎng)策略

8、等效電路模型中，發(fā)電機(jī)側(cè)與永磁同步發(fā)電機(jī)定子連接的電壓源型脈寬調(diào)制整流器采用直接電流控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為同步坐標(biāo)系下的直流電壓外環(huán)、交流輸入電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，與網(wǎng)側(cè)基于三相電壓源型脈寬調(diào)制逆變模塊共同構(gòu)成的雙脈寬調(diào)制整流器或雙電壓源型脈寬調(diào)制整流器電路模型，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通用性較強(qiáng)，在整流器建模、控制算法以及提高其故障運(yùn)行能力等方面具有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)整流器都使用基于數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)字化控制，采用矢量控制，控制