大型风力发电机组总体设计方法的初步研究.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文大型风力发电机组总体设计方法的初步研究姓名: 康传明申请学位级别: 硕士专业: 机械设计及理论指导教师: 芮晓明 0307 大型风力发电机组总体设计方法的初步研究作者: 康传明学位授予单位: 华北电力大学(北京)相似文献(7条)1.学位论文 金鑫 风力发电机组系统建模与仿真研究 能源、 环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。风力发电清洁无污染, 施工周期短, 投资灵活, 占地少, 具有较好的经济效益和社会效益。在当前技术条件下风电与火电、 水电相比从造价、 电能质量、 设备制造和控制技术等领域存在劣势, 中国风电领域的理论和应用研究与发达国家存在很大差距。国内对风电机组系统设计技术的研究十分薄弱, 风电机组的大型化、 变桨距控制、 变速恒频等先进风电技术还远未解决, 致使中国大型风力机几乎全部为进口产品。因此, 深入研究风力发电机组系统设计技术对于持久开发风能和实现风电机组国产化具有重要理论意义和工程应用价值。风力发电技术是涉及空气动力学、 自动控制、 机械传动、 电机学等多学科的综合性高技术系统工程。当前, 风力发电机组的研究难点是风电机组大功率、 高可靠性、 高效率、 低成本。为攻克这些难点, 国内外的研究热点是系统优化设计和先进控制策略。由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣, 所以风力发电机组是一个复杂、 多变量、 非线性的不确定系统, 因此, 系统建模分析是风力发电机系统设计的关键。本论文是重庆市重大科技攻关项目”风电机组系统设计分析技术”的前期预研, 针对风电机组系统建模的相关问题从风电机组的空气动力学理论、 系统非线性数学模型、 系统结构动力学分析及系统实现最大风能捕获控制策略进行了研究。主要内容包括: 研究了空气动力学理论和方法。空气动力学理论是风力发电机组建模和分析的关键, 当前风力发电机组常见的空气动力学计算理论是叶素动量理论, 可是, 叶素动量理论不能考虑由空气质量引起的风速滞后效应。针对这一缺陷, 本文将应用于直升机悬翼空气动力学计算的两种理论Pitt-Peter理论和 GDW 理论用于风力发电机的空气动力学计算。在分析比较了直升机旋翼和风力发电机组风轮的差异基础上, 根据风轮的自身独特的特点, 对这两种理论进行了修正, 提出了基于该理论的风轮空气动力学计算方法, 而且应用Matlab simulink编制计算分析程序。然后以某 600 千瓦风力发电机组为对象, 对其空气动力学性能进行了分析, 并将分析结果同国际权威风电机组分析软件Bladed分析结果进行了比较, 结果很接近。这表明经过本论文修正后的 Pitt-Peter 理论和 GDW 理论不但能够用于风力发电机组空气动力学分析中, 而且相对叶素动量理论分析结果更加准确。建立了描述风电机组传动链系统动态特性的非线性数学模型。研究了当前国际上流行的风电机组传动链布置形式, 总结了其特点, 并按国际风力发电机组权威认证规范 IEC 标准建模, 保证了数学模型的规范性和通用性。在该非线性数学模型的基础上, 应用Matlab simulink建立了系统的仿真分析模型。同时对某600千瓦风力发电机组进行了系统性能仿真分析, 将分析结果同国际权威软件 Bladed分析结果比较, 其结果很接近, 验证表明该数学模型能够用于风电机组系统性能仿真分析。风力发电机组结构动力学联合仿真分析。由于单独使用一种分析方法不能考虑到风轮结构和气动载荷的耦合关系, 分析出的结果准确性将受到影响。针对这一问题, 本文将联合仿真技术引入风电机组结构动力学分析中。该分析方法考虑到了风电机组结构的气弹性问题, 即将用Matlab计算的气动力和用ADAMS计算的结构变形相互耦合。仿真情况更接近于实际风电机组的工作情况, 计算精度较好。将该联合仿真技术对某 600 千瓦风力发电机进行了结构动力学分析。分析表明, 该方法能较好的模拟风力发电机组的结构动力学特性。可是由于仿真模型计算精度较高, 考虑的自由度较多, 计算耗时较长。针对仿真分析方法的这一局限性, 本文在应用联合仿真技术计算出一系列样本工况后, 采用人工神经网络方法对风电机组结构动力学性能进行分析预测。分析表明, 采用仿真分析与人工神经网络相结合的方法对风力发电机组结构振动进行分析和预测, 可以减少振动分析的时间, 保证预测精度, 弥补单独使用仿真分析方法的局限性。将本文所建立的传动链系统分析模型应用于风电机组的功率控制策略研究分析中。在研究风能最大捕获原理的基础上, 研究了国际常见的四种风电机组控制策略, 定性地总结比较了它们各自的优缺点。并以某 600 千瓦风力发电机组为研究对象, 采用本文建立的系统分析仿真模型, 分析其在采用不同控制策略下的发电性能, 定量地比较了各种控制策略的优缺点。分析结果比较表明, 采用变速变浆距控制策略的风电机组发电品质相对采用其它控制策略的风电机组发电品质更好, 验证了模型的正确性, 表明采用本文建立的传动链系统模型能够应用到大型风电机组的性能仿真和控制策略研究上, 从而指导风电机组的总体设计。2.期刊论文 朱洁琼.段斌.敬章龙.龙辛.ZHU Jie-qiong.DUAN Bin.JING Zhang-long.LONG Xin 兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计 -湘潭大学自然科学学报 ,31(2)作为限制出力和制动速度的决定性系统,变桨系统的安全可靠性十分重要,当前中国风电机组的变桨距控制系统主要依靠引进.该文在研究和分析风电机组变桨距控制系统控制原理的基础上,从主体功能架构、 可靠性保障措施、 伺服驱动控制等3个环节展开对变桨系统的总体设计,采取有限状态机模式设计变桨距控制软件,并搭建了嵌入式软硬件实验平台进行验证.3.学位论文 潘令春 变速恒频双馈风力发电机群协调控制及其远程控制 可再生能源的开发利用越来越受到重视, 而风能作为其中最廉价、 最有希望的绿色能源得到了长足的发展。变速恒频风力发电技术是当前最具前景的风力发电技术之一, 已成为国内外风力发电技术研究的热点并得到了广泛的应用。当前, 中国风力发电发展进入了一个黄金时期, 风电场的建设进程也大大加快。随着电网中风电场装机容量的增加, 风力发电系统与电网的关系越来越密切, 风力发电系统对电网的影响已经不能忽略。研究风电机群与系统的协调控制对于保证电网故障期间和随后时间内维持电网电压和频率不变, 提高系统的稳定性都具有十分重要的意义。实际风电场一般位于偏远地区甚至海上, 自然条件比较恶劣, 因此有必要进行风电场的远程监控。然而现阶段国内的风电场远程监控系统一般引自国外, 通用性和兼容性比较差。因此, 开发通用风电场远程监控系统也成为一个热门的研究课题。首先,本文研究了变速恒频双馈风力发电原理及系统结构, 探讨了风力机的基本特性和最大风能捕获原理, 推导了双馈电机风力发电的功率关系, 给出了单台风电机组的P-Q 功率容量极限关系, 并把单台风电机组的功率关系结论推广至风电机群接入系统的情况, 为进一步研究变速恒频双馈风电机群与系统间的协调控制策略提供了奠定了基础。其次, 本文重点研究了变速恒频双馈风电机群与系统的协调控制策略, 确定了有功功率协调控制和无功优化控制方案。其中, 有功功率协调控制按照保证单台风电机组安全稳定运行的同时实现最大风电转换效率这个目标进行设计, 无功功率协调控制按照提高风电机群与接入系统的电压稳定性, 实现全网无功优化运行为目标进行设计。在对风电场远程监控系统的研究中, 本文首先设计了风电场远程监控系统的框架, 并结合实验室11kW 变速恒频风力发电系统试验平台探讨了系统的硬件架构, 之后从系统需求分析、 体系结构和开发工具层面上研究了系统的总体设计。最后, 本文对风电场远程监控系统进行了功能设计, 系统数据库设计和Web 应用程序设计, 并实现了部分功能。4.学位论文 白亚红 基于EMD和SVM技术风电齿轮箱早期故障诊断研究 风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源, 因其使用便捷、 可再生、 成本低、 无污染等特点, 在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展, 发展潜力巨大。中国的风力发电技术起步较晚, 但发展迅速。以前风力发电机组全部靠进口, 在90年代后, 引进国外先进的风力发电机组的总体设计和制造技术, 并在消化、 吸收的基础上优化、 创新。近几年对风电机组主要部件的故障统计中, 由齿轮箱、 发电机、 叶片引起的故障是风电机组故障的主要原因, 其中齿轮箱的故障发生率在逐年增高, 故障百分比已超过60, 是机组中故障发生率最高的部件。齿轮箱的状态监测与故障诊断已迫在眉睫。风电齿轮箱早期故障形式有磨损, 齿面胶合, 齿面接触疲劳和断齿。常见的故障诊断方法有时域法, 频域法, 包络分析, 阶比分析, 倒谱, 三维图和全息谱。这些方法在风电齿轮箱早期故障识别研究中有各自的优点, 可是都不能去全面的去判断是否是故障信号。本文则探讨了使用EMD和SVM相结合的方法对信号进行特征提取, 并用实验验证了该方法的可行性。分别在10Hz、 15Hz、 20Hz以及25Hz的条件下进行实验, 首先采集齿轮在正常状态、 轻度磨损状态及稍重磨损状态下运行时的数据, 接着基于MATLAB平台计算其EMD特征单分量的均方根值, 最后运用支持向量机这一智能识别方法进行分类和识别。从实验结果来看, 分类的正确率是很高的, 从而验证了该方法的正确性, 为齿轮箱的故障诊断提供了一个崭新的思路。为了能与实际工程相结合, 本文以LabVIEW这一图形化编程语言为开发平台, 运用EMD和SVM相结合的方法开发出了一套故障诊断与识别系统来对设备的故障进行识别和分类, 从而把诊断理论与实际相结合起来。 关键词: 齿轮箱; 故障诊断; EMD; SVM5.学位论文 张勇 基于双DSP+ARM的风力发电模拟实验平台 常规能源的耗竭和由此引发的生态环境问题促使人们努力开发新型能源,以化石燃料为结构主体的传统能源体系将逐步过渡到以新能源和可再生能源为主体的新型能源体系。风力发电是新能源中技术最成熟、 最具规模开发条件及商业化发展前景的可再生能源技术。风力发电技术的研究和开发已成为各国学者研究的热点。当前实际运行的风力发电机,风能的利用效率仍有很大的提升空间。因此在风力机安装之前,需要提前测试发电机的性能,验证发电机控制算法,完善整套的风力发电系统的控制策略。而要在不具备风电场运行环境的实验室进行风力发电机组的实验,必须建立一个能模拟风电场风能特性和测试风电机组性能的风力发电模拟实验平台。本研究介绍了风力发电的基本原理,分析了当前风力发电技术中的各种模拟系统,着重介绍了风力机模拟系统的定义、 原理和组成结构。这部分详细研究了现有的风力机模拟方法,对各种方法进行了分类比较。在分析三种风速模型的基础上,提出了综合统计风速模型和ARMA模型的新的风速模拟方法。该方法同时反映了风的统计特性和随机性,是比较好的模拟方案。文章还介绍了风电机组的各组成部分的模型和模拟算法,着重分析了气动转矩的脉动模型并简化了脉动模型的模拟算法。控制原动机的算法是经过假设负载在每个采样时间内恒定,模拟器用电机在相邻时刻的反馈速度估算每个采样时刻的负载值,并利用风力机风轮的特性计算实际风轮的输出加速度,与实测的风轮加速度相比较,算出异步电动机电磁转矩指令,最后采用直接转矩控制策略控制变频器调节异步电动机的电磁转矩。给出了模拟实验平台的总体设计框架,并对ARM硬件系统和两个DSP的硬件系统进行分析和设计。这部分列出了各器件的说明和原理图,能够作为开发人员的参考资料。分别介绍了WinCE.NET操作系统、 ARM程序设计的思想和方法,重点分析了容易混淆的串口通信的原理和编程过程。另外,还给出了DSP的软件以实现风力机的模拟算法、 电能质量的分析、 串口通信等功能,文章给出了详细的流程图,方便了软件的编制和调试。在仿真的基础上,作者在实验室建立了实际的风力发电模拟实验平台,论文的最后给出了实验参数和结果,从而验证了模拟实验平台的功能。6.期刊论文 姚兴佳.刘光德.邢作霞.王超.YAO Xing-jia.LIU Guang-de.XING Zuo-xia.WANG Chao 大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨 -沈阳工业大学学报 ,28(2)针对大型变速风力发电机组总体设计中的几个关键技术问题进行了探讨,研究了机组的概念设计,在对几种驱动链结构机型进行对比的基础上,重点分析了当前国际市场上已商业化的基本驱动链结构和单永磁发电机直驱结构的风力发电机组的技术优势.以国家863兆瓦级变速恒频风电机组研制成果SUT-1000型机组为例,研究了发电成本估算问题及成本估算模型,提出了利用发电机成本模型优化风力发电机组设计参数的优化方法,并以发电成本最小为参数优化设计目标,对兆瓦级变速恒频风电机组的风轮直径进行优化设计,取得了较好的设计效果.7.学位论文 陈实 MW级风力发电系统单机电气控制技术研究无功补偿和偏航控制系统 风力发电作为一种可持续发展的新能源,已经成为一种重要发电型式,越来越受到各国的重视.为了进一步推动中国风电事业的持续发展,国家科技部将MW级失速型风力发电机组及其关键部件研制列入十五国家高技术研究发展计划(863计划),经过自行研制和技术攻关,掌握MW级风力发电机组总体设计技术、 单机电气控制技术和叶片设计技术等关键部件的设计和制造技术,尽快形成自主开发能力.作为单机电气控制技术研究的重要组成部分,该文对无功补偿控制系统和偏航控制系统展开了比较全面的理论分析和实验研究.根据整个系统对无功补偿的总体要求,首先对无功补偿理论和各种无功补偿方式作了一个系统的分析和比较,选择并联电容器作为该系统的无功补偿方式,对控制方法和控制物理量的选取做了详尽、 深入的研究,制定了无功补偿控制策略,有效地避免了投切振荡.研究的另一个重点是快速傅立叶变换在无功补偿中的应用.设计了以DSP芯片TMS320F240为控制核心的无功补偿控制器的硬件系统,基于模块化编程思想编制了软件,充分利用DSP的速度快、 计算功能强大的特点,精确算出无功补偿分量,准确跟踪系统无功变化,对多级电容器组进行自动和循环投切,达到对系统动态实时补偿.采用自适应调整采样间隔技术实现频率跟踪,提高了测量精度.经过试验验证了无功补偿控制系统软硬件设计方案的可行性和正确性.在详细分析偏航控制系统控制要求的基础上,采用单片机89C51作为主控单元,设计了风电机组的偏航控制系统.该系统采取逻辑控制主动对风,实现了对风过程可控,准确跟踪风向并能自动解除由于偏航作用引起的电缆缠绕等功能.论文给出了基于风向传感器的偏航控制系统的软硬件设计结果.本文链接: 授权使用: 重庆大学(cqdx), 授权号: bdb14e97-b114-425f-beee-9da, 下载时间: 6月30日