兆瓦级风力发电机组动力学分析

VIP免费
3.0 陈辉 2024-11-20 5 4 2.5MB 102 页 15积分
侵权投诉
摘 要
风力发电机组的动力学分析主要是研究系统的共振和稳定性问题，当风力发
电机组在自然风条件下运行时，由于作用在风力发电机组叶片上的空气动力、惯
性力和弹性力等交变载荷，就会使弹性振动体叶片和塔架产生耦合振动，如果外
界激振力的频率接近系统的固有频率时，系统就可能发生共振，共振时将对机组
产生强烈的破坏。因此，要排除共振，就要使系统的固有频率在一定范围内避开
外界激振力的频率。
本文针对现代大型水平轴风力机结构和运行特点、结合外部环境和风力机国
际标准，对全系统载荷计算方法进行了研究。以 1.5MW 变速恒频风力机为研究
对象，研究了风力机在气动和机械载荷作用下的动力学响应等问题。论文主要包
括五个部分：风力机全系统载荷分析和计算方法，风力机叶片三维实体建模及塔
架设计方法，Bladed 软件的动力学计算，叶片挥舞、塔架前后弯曲耦合振动情况
分析。
首先分析作用在风力机上的载荷，这些载荷主要是气动和机械载荷。气动性
能计算和载荷分析采用叶素-动量理论，该理论综合了动量理论和叶素理论，考虑
了叶尖损失、角效应、风轮实度、风剪和偏航效应等，能更准确计算风轮气动特
性。载荷分析为风力机后续分析设计奠定了基础。
第三章对风力机叶片三维建模进行了研究。探讨了叶片三维实体建模的通用
性方法及叶片几何参数设计的优化方法，为风力机结构有限元分析及模态分析打
下了基础。
第四章研究了风力机塔架设计方法。应用 ANSYS10.0 对1.5MW 风力机塔架
进行了稳定性分析。提出了机舱、风轮和地基的模拟方法，应用 ANSYS10.0 建
立了塔架-机舱-风轮-地基耦合模型，并计算了风力机塔架的振动模态。
文章最后对叶片挥舞、塔架前后弯曲耦合振动情况进行了分析，将不旋转的
塔架部分和旋转的风轮部分隔开进行研究，采用模态分析法分别建立了转子、轮
毂和机舱塔架的运动方程，然后利用轮毂和塔架的变形一致条件，将转子轮毂和
机舱塔架的运动方程耦合，建立了风轮转子/塔架系统的运动方程。
用所建的数学模型对 1.5MW 机型进行了分析和验证，得到了系统的固有频
率，结果显示没有与风轮的激励频率重合，并且从响应曲线上可以看出该机组是
稳定运行的。为了验证所建模型的正确性，利用 Bladed 风力发电机组专业设计软
件对该机型进行了分析和计算，两种方法的计算结果一致性好。
关键词：风力发电机组 叶素-动量理论 模态分析 共振
ABSTRACT
The primary problem of dynamic researching is the systematic resonance and
stability for the wind turbine. The alternate load, air driving force, inertial force and
elastic force etc that be pressed on the blade of wind turbine, can bring on coupling
vibration of the elastic blade and tower when the wind turbine works in the condition
of natural wind. If the frequency of outside force approaches the systematic natural
frequency, the resonance will be happened and arousing intense destroying for wind
turbine. Therefore, only making the systematic natural frequency keep away from the
frequency of outside force can avoid resonance.
Aimed at the configuration and operation characteristic of the modern large-scale
horizontal axis wind turbine, combining the external environment and the international
standards of wind turbine design, the load analysis method of the whole wind turbine
system is studied. The 1.5MW variable speed constant frequency wind turbine is taken
as investigation subject, the analysis method of the large-scale wind turbine dynamic
response caused by the aerodynamic load and mechanical load are investigated. In the
thesis, five parts are mainly included: system-load computing method of wind turbine,
blade's three-dimensional solid modeling and tower designing method, dynamic
computing of Bladed, the coupled rotor brandishing and tower front and back bending
system is analyzed.
Above all, the aerodynamic and mechanical loads applied on the wind turbine are
analyzed. The aerodynamic performance prediction and loading analysis are based on
the strip theory, synthesizing Moment and Blade Element theories and considering tip
loses, angle effects, solidity, wind shear, yawing effects, etc. The aerodynamic
characteristics of the rotor can be predicted accurately, and the work provides a
calculating base for the wind turbine's subsequent analysis and design.
In the chapter three, a study on the common methods used in wind blade's
three-dimensional modeling are discussed, optimal design of Blade Geometry
Parameters which can provide the basis for wind turbine's structure finite element
analysis.
In the chapter four, a method to design wind turbine tower is given. By using
ANSYS10.0, the stability analyses of 1.5MW wind turbine tower are carried out. An
analogy method for cabin, wind wheel and foundation is provided. Applying
ANSYS10.0, the tower-cabin-foundation coupling model is established and the wind
turbine tower vibration modality is analyzed.
In the last, the coupled rotor brandishing and tower front and back bending system
is analyzed. First, tower and rotor are separated, a motion equation is set up which
could describe rotor hub and nacelle tower with mode analytical method. Then, the
consistent condition of hub and tower is performed to establish the coupled rotor/tower
motion equation.
The 1.5MW wind turbine is analyzed with the above model. The systematic
natural frequency and response curve are obtained. The results indicate that the wind
work is steady and the systematic natural frequency is not coincided with the rotor
frequency. In order to prove the mathematical model is correct, the wind turbine is also
analyzed and calculated with Bladed wind turbine special design software, basically
consistent results are obtained.
Key Word: Wind Turbine, BEM, Model Analysis, Resonance
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 引 言 ...................................................................................................................1
§1.1 国内外风电发展情况 .......................................................................................1
§1.1.1 世界风电发展情况 .................................................................................1
§1.1.2 我国风电发展情况 .................................................................................3
§1.2 风力发电技术的现状和发展趋势 ....................................................................5
§1.3 国内外风力发电机组动力学研究现状 ............................................................5
§1.3.1 国外风力发电机组动力学研究现状 ......................................................6
§1.3.2 国内风力发电机组动力学研究现状 ......................................................8
§1.4 动力学设计内容 ...............................................................................................8
§1.5 风力发电机设计软件现状 ...............................................................................9
§1.6 本课题的来源、意义及研究内容 .................................................................10
§1.6.1 课题的来源 ...........................................................................................10
§1.6.2 选题的意义 ...........................................................................................10
§1.6.3 课题主要研究内容 ...............................................................................10
第二章 载荷分析 ...........................................................................................................11
§2.1 风力发电机组的总体参数 ..............................................................................11
§2.2 致动盘概念 .....................................................................................................13
§2.2.1 动量理论 ...............................................................................................13
§2.2.2 风轮利用系数和贝兹（Betz）极限 ................................................... 14
§2.2.3 推力(轴向力)系数 ................................................................................15
§2.3 风轮的气动特性 ..............................................................................................15
§2.3.1 风轮几何参数 .......................................................................................16
§2.3.2 假设风轮尾流不旋转的气动特性 .......................................................16
§2.3.3 考虑风轮后尾流旋转的气动特性 .......................................................17
§2.4 载荷分类和来源 .............................................................................................20
§2.5 风力机主要载荷的计算方法 .........................................................................21
§2.5.1 叶素理论 ...............................................................................................21
§2.5.2 叶素-动量理论（BEM）.....................................................................22
§2.5.3 柱涡理论 ...............................................................................................24
§2.5.4 翼型的升力和阻力 ...............................................................................26
§2.5.5 风力机主要载荷的确定方法 ...............................................................30
第三章 风力发电机组叶片设计 ...................................................................................33
§3.1 叶片三维实体建模 ..........................................................................................33
§3.1.1 叶片几何参数 .......................................................................................34
§3.1.2 翼型数据 ...............................................................................................34
§3.1.3 坐标变换 ...............................................................................................36
§3.1.4 几何模型 ...............................................................................................38
§3.2 叶片翼型优化设计 .........................................................................................39
§3.2.1 基于叶素理论的转矩和功率的确定 ...................................................39
§3.2.2 湍流状态下叶素理论的修正 ...............................................................40
§3.2.3 变速风机叶片优化设计 .......................................................................41
§3.2.4 简化叶片设计 .......................................................................................44
§3.2.5 忽略阻力对叶片设计的影响 ...............................................................45
第四章 风力发电机组塔架设计 ...................................................................................49
§4.1 风力发电机组塔架的主要设计内容 ..............................................................49
§4.2 塔架的动力学分析 ..........................................................................................50
§4.2.1 动力学中的有限元方法 .......................................................................50
§4.2.2 塔架模态分析 .......................................................................................52
第五章 基于 Bladed 软件的动态计算 ......................................................................... 61
§5.1 风力机载荷计算过程 .....................................................................................61
§5.2 坐标系的确定 .................................................................................................61
§5.3 工况的制定 .....................................................................................................62
§5.3.1 外界条件 ...............................................................................................63
§5.3.2 风力机发电机组的运行状态 ...............................................................63
§5.3.3 控制和保护系统 ...................................................................................63
§5.3.4 风力机国际标准 ...................................................................................64
§5.3.5 制定计算工况 .......................................................................................64
§5.4 Bladed 软件动态计算 ..................................................................................... 65
§5.4.1 模型的建立 ...........................................................................................66
§5.4.2 计算结果 ...............................................................................................68
第六章 叶片/塔架耦合系统动力学分析 ..................................................................... 71
§6.1 坐标系的建立 ..................................................................................................71
§6.2 模型的建立 ......................................................................................................74
§6.2.1 叶片轮毂的运动方程 ............................................................................74
§6.2.2 机舱塔架的运动方程 ............................................................................80
§6.2.3 风轮转子/塔架系统的耦合方程 .......................................................... 81
§6.4 风轮转子/塔架系统的固有频率及响应 ........................................................ 83
§6.4.1 叶片等效刚度和塔架等效半径的选取 ................................................83
§6.4.2 系统固有频率的求解 ............................................................................85
§6.4.3 系统响应的求解 ....................................................................................87
§6.4.4 系统的稳定性分析 ................................................................................89
第七章 结论与展望 .......................................................................................................91
§7.1 结论 .................................................................................................................91
§7.2 工作展望 .........................................................................................................92
参考文献 .........................................................................................................................93
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................97
致 谢 .............................................................................................................................99
第一章 引言
1
第一章 引 言
世界能源消耗量的持续增加，使全球范围内的能源危机形势愈发明显，缓解
能源危机、开发可再生能源、实现能源的可持续发展成为世界各国能源发展战略
的重大举措。全球范围内的巨大蕴藏量、可再生、分布广、无污染的特性，使风
能发电成为世界可再生能源发展的重要方向[1]。
我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一，风力发电作为一种清洁能源，
在我国的能源总量中所占的比例正在提高，设计和研制性能优良的风力发电机，
对我国的经济发展具有重要的意义。
§1.1 国内外风电发展情况
§1.1.1 世界风电发展情况
风力发电是人类现在利用风能的主要形式。截止 2008 年年底，全球装机总量
达到了 120791MW，其中在 2008 年新增了约 27056MW[2]，如图 1-1 所示。欧洲
是最重视也是利用风力发电最多的地区，其次是美洲和亚洲。图 1-2 是近年来全
球及主要风力发电国家利用风力发电发展情况。目前，就全球而言，风电行业中
最有影响、发展最快的国家主要有德国、美国、西班牙、印度等[3]。
图1-1 1996-2008 年全球每年新增装机容量
Fig 1-1 Annual growth of global installed capacity in 1996-2008
兆瓦级风力发电机组动力学分析
2
目前全球 MW 级机组的份额明显增大，1997 年及以前还不到 10%，2001 年
则超过一半，2002 年达到 62.1%(当年新增装机统计)，2003 年安装的风电机组平
均单机容量达到 1.2MW。目前，美国主流机型为 1.5MW，丹麦主流机型为 2.0MW
至3MW。欧洲 3.6MW 机组己批量安装，5MW 机组也已安装运行[4]。Enercon 公
司开发的 E-126 是目前世界上最大的风机，2007 年底第一台样机在德国投入运
行，转轮直径 127 m，额定功率 6 MW。同时，我国风电机组单机容量也从 600kW
逐步走向 MW 级。欧美国家早已开发出单机容量达兆瓦级的风力发电机组，并且
图1-2 世界风电近三年发展情况比较
Fig1-2 Comparison of world wind power capacity in the last three years
表1-1 2008 年世界主要国家风力发电装机容量
Table1-1 The capacity of installing wind turbine in main countries in 2008
第一章 引言
3
技术相对已比较成熟，具有比较完善的设计理论和丰富的设计经验，而且商业化
程度已具相当规模，目前在国际风电行业中处于明显的优势和主导地位。表 1-1 列
出2008 年底世界主要国家风力发电装机容量[5]。
在MW 级以下，失速调节方式仍以其独特的优势被广泛采用，失速型机组在
当今的大型风力机市场上仍占据相当的份额。但随着机组大型化的发展，MW 级
以上的机组技术普遍采用了变桨变速的先进技术。
风电成本逐年降低，尽管风电成本受很多因素的制约，但其发展趋势是逐渐
降低的。随着风电技术的进步，风电机组越来越便宜和高效。增大机组的单机容
量就相对减少了基础设施的费用，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这
也节约了成本。随着融资成本的降低和开发商经验的丰富，项目开发的成本也相
应得到降低。风电机组可靠性的改进也减少了运行维护的平均成本。上世纪 80
年代，风机所生产电力的平均价格约为 8.8美分/kWh，现在 1MW 功率风机所生
产的风电价格仅为 4.1 美分/kWh，20 年内风电价格降低了 50%。在英国，投资者
被要求建造电价不高于 2.8 美分/kWh 的风力发电场，这个价格与天然气发电的电
价已经很接近[4]。
§1.1.2 我国风电发展情况
我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。上世纪 80 年代后期和 2004-2005
年，中国气象局分别组织了第二次和第三次全国风能资源普查，得出我国陆地 10m
高度层风能资源理论可开发储量分别为 32.26 亿千瓦和 43.5 亿千瓦、技术可开发
量分别为 2.53 亿千瓦和 2.97 亿千瓦的结论。此外，2003-2005 年，联合国环境规
图1-3 我国风电装机容量
Fig1-3 Wind power installation capacity in China
兆瓦级风力发电机组动力学分析
4
划署组织国际研究机构，采用数值模拟方法开展了风能资源评价的研究，得出陆
地上离地面 50 米高度层风能资源技术可开发量可以达到 14 亿千瓦的结论。2006
年，国家气候中心也采用数值模拟方法对我国风能资源进行评价，得到的结果是：
在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面 10 米高度层风能资源技术可开发
量为 25.48 亿千瓦，大大超过第三次全国风能资源普查的结果[2]。
中国发展并网风力发电始于1990年，到2004 年年底，全国的风力发电装机容
量约有76.4 万千瓦；2005 年2月《可再生能源法》颁布之后，当年风力发电新增
装机容量超过60%，总容量达到了126万千瓦；2006年当年新增装机容量超过100%，
累计装机容量超过259.7 万千瓦；
2007 年又新增装机容量340万千瓦，累计装机容
量达到604万千瓦，超过丹麦，成为世界第五风电大国，当年装机仅次于美国和西
班牙，超过德国和印度，成为世界上最主要的风电市场之一。我国风电装机容量
如图1-3所示[6]。
但是我国风电开发程度还很低，2007 年只有 6000MW 左右，不到可开发量
的1%，从表 1-1 中可以看出，我国和世界风力发电大国相比，甚至就是和同是发
展中国家的印度相比，我国风力发电事业还任重道远。由于我国的商业化大型风
力发电产业起步较晚，技术上较欧美等风能技术发达国家还存在很大差距。在“九
五”期间走引进生产技术的路子，通过引进和国产化成功开发了 600kW 失速调节
型风力发电机。“十五”期间，在国家 863 计划中安排容量更大的兆瓦级风力发电
机组的研究和开发课题[7]。 “十一五”期间，建立了符合我国环境、资源条件的
风电设备标准、检测和认证体系，并积极准备实施强制性认证制度；以技术开发
能力较强的研究机构和企业为依托，建立了国家风电机组整机和零部件技术研究
开发中心，加强风电技术开发能力建设；对具有自主知识产权和自主品牌的兆瓦
级风电机组的整机制造企业和零部件制造企业给予资金补助，鼓励企业开展新产
品的研发、工艺改进和试验示范[8]。到 2006 年，国家“863"计划后续能源技术主
题“兆瓦级变速恒频风电机组”课题组研制的 1MW 和1.5MW 变速恒频风电机组
已通过科技部专家组的验收，并投入生产。该课题攻克一大批制约大型风电机组
及其主要部件设计、生产、制造中的共性和关键性技术，形成具有自主知识产权
和品牌的风力发电产品。国家“863"计划重点支持课题，由新疆金风科技股份有
限公司研发的，我国首台 1.2MW 直驱永磁风力发电机组也已进入调试运行阶段。
该机型属于风力发电机组中最先进的机型之一，促进了我国风力发电设备设计研
发水平的提高[9]。风力发电机组主要零部件如叶片、齿轮箱、发电机、偏航装置、
电控系统、塔架等已经国产化，并可进行批量生产。中航惠腾目前在我国风电叶
片领域处于领先水平，已形成年产 2000 套600kW 至1.5MW 系列化叶片的能力，
摘要：

摘要风力发电机组的动力学分析主要是研究系统的共振和稳定性问题，当风力发电机组在自然风条件下运行时，由于作用在风力发电机组叶片上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷，就会使弹性振动体叶片和塔架产生耦合振动，如果外界激振力的频率接近系统的固有频率时，系统就可能发生共振，共振时将对机组产生强烈的破坏。因此，要排除共振，就要使系统的固有频率在一定范围内避开外界激振力的频率。本文针对现代大型水平轴风力机结构和运行特点、结合外部环境和风力机国际标准，对全系统载荷计算方法进行了研究。以1.5MW变速恒频风力机为研究对象，研究了风力机在气动和机械载荷作用下的动力学响应等问题。论文主要包括五个部分：风力机全系统...

展开>> 收起<<
兆瓦级风力发电机组动力学分析.pdf

共102页,预览10页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：102 页 大小：2.5MB 格式：PDF 时间：2024-11-20

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 102
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注