风力特性与风力发电机组动态特性耦合关系的分析

论文摘要

随着世界各国对环保、能源短缺及节能等问题的日益关注和我国面向和谐社会建设的需要,进行能源战略的调整是一种必然的趋势。我国既要保持经济的高速发展又要解决日趋严重的能源紧缺问题和环境污染问题,发展可再生能源是解决问题的一条重要途径。作为可再生能源之一的风能是一种无空气污染、不产生废弃物、自然、清洁的能源。但风既有大小又有方向而且随着季节、时间还在变化,对于具有众多不确定性的风力机来说如何获取最大的风能并将它们高效可靠地转换为电能需要解决一系列关键问题。我国作为世界上的风能大国,尚不具备独立开发风力发电机,尤其是大型风力发电机的能力。与此相关的基础研究、实验研究、设计水平是主要的制约因素。本文是在查阅了大量国内外相关资料和对我国现阶段的风力发电机总体发展情况进行了调查的基础上,依托兰州市科技攻关项目“大型风力机组检测及监测反馈控制装置（项目编号:2008-1-16）”,以甘肃玉门风电场的Gamesa公司生产的G80-2.0MW型风力发电机组为依据,阐述了大型风力发电机组的基本理论,并根据理论分析及建模方法对机组的传动系统进行了系统分析及简化处理,从而建立了刚性和柔性传动系统的数学建模,再利用MATLAB/SIMULINK工具箱对刚性和柔性传动系统在考虑甘肃的气候条件和风况要求的基础上进行了动态仿真,然后对仿真结果进行分析和比较。本课题的研究可以为适应于我国风资源特征的风力机状态监测与反馈控制系统提供理论参数和控制方法,这对提高我国大型风力发电机组的设计质量,获得更可靠的控制策略,促进对国外先进技术的消化吸收有着重要的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外风力发电的现状
• 1.1.1 国外风力发电发展现状
• 1.1.2 我国风力发电发展现状（我国新能源战略）
• 1.2 风力发电相关技术研究
• 1.2.1 风力发电技术总体趋势
• 1.2.2 风力发电关键技术研究
• 1.2.3 大型风机机械部件技术情况
• 1.2.4 我国大型风机技术发展形势
• 1.3 本课题的研究背景和意义
• 第2章 风力发电的相关基本理论
• 2.1 风力发电机组的分类及各自特点
• 2.2 贝兹（Betz）理论
• 2.3 风的基本概念
• 2.4 风速变化特性
• 2.4.1 平均风特性
• 2.4.2 脉动风特性
• 2.4.3 风速年变化
• 2.4.4 风速日变化
• 2.4.5 风速随高度变化
• 2.5 风力发电控制技术及特点
• 2.6 本章小结
• 第3章 风力发电机组动力特性
• 3.1 风力发电机组动力学设计
• 3.2 风力机的空气动力特性
• 3.2.1 桨叶的几何参数和空气动力特性
• 3.2.2 风轮叶片在转动中所受力及风轮轴受力分析
• 3.3 风力发电机组的动态特性
• 3.3.1 风力机结构动力特性
• 3.3.2 风轮扭矩气动特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 水平轴风力发电机组传动系统建模
• 4.1 风力特性分析
• 4.1.1 风能的计算
• 4.1.2 韦布尔（Weibull）分布中参数K，C的估算
• 4.1.3 总的平均风能功率密度E（p）
• 4.1.4 平均可用功率密度Eu（P）
• 4.2 风速数学模型
• 4.3 风轮空气动力学分析模型
• 4.4 风力机传动系统建模
• 4.4.1 发电机的动态过程描述
• 4.4.2 传动系统动力学模型建立
• 4.5 基于MATLAB/SIMULINK的仿真框图
• 4.5.1 风力发电机组总体参数
• 4.5.2 仿真框图建立
• 4.6 本章小结
• 第5章 模型仿真与分析
• 5.1 刚性模型仿真分析
• 5.2 刚性、柔性模型仿真结果比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的论文