直驱式风力发电机组传动系的动力学仿真分析与研究

论文摘要

大型变速恒频风力发电机组已经是市场的主流机组,随着机组向大型化的发展,人们对机组质量轻型、结构柔性、控制精准和运行可靠性等方面的要求提得更高。由于风力发电机组叶片更长、塔架更高,使大型风力发电机组结构动力问题更加突出,更加容易发生振动和不平稳运行现象,甚至导致某些零部件易于失效。而机组传动系的动力学问题是风力发电机组动力学问题中最为复杂的部分之一直接驱动变速恒频风力发电机组,采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式,免去了齿轮箱,使得机组结构简单、故障率低、维护方便,但传动系动态特性也发生了变化,表现为在某些工况下机组运行时容易发生振动。本文以某直驱式风力发电机组传动系为研究对象,以风作为机组传动系研究的激励,分析直驱式风力发电机组传动系动力学问题。首先对风力发电机组传动系动力学研究现状进行了综述,然后围绕某直驱式风力发电机组传动系动力学响应问题,建立了湍流风模型和阵风模型,对叶片自由振动、传动系建模等问题进行了重点研究,具体内容如下：首先,本文在应用逆离散傅里叶变换理论仿真计算空间某一点风的基础上,仿真了参考高度为70m,平均风速为11 m／s,湍流因子为0.18条件下的三维湍流风。其次,本文建立了叶片有限元模型,对叶片进行了自由振动分析,分别得到了叶片挥舞方向和摆振方向前六阶的固有频率和固有振型,并建立了传动系模型和发电机的转速转矩控制模型。最后,本文对建立的直驱式风力发电机组模型加载不同的风模型,分析在不同风模型作用下直驱式风力发电机组传动系的动力学响应,分析了变桨运动对传动系的影响。获取了直驱式风力发电机组传动系各部件的时间响应历程。本文得到了离叶尖越近,激起叶片振动的频率区域越宽的结论和在叶片摆阵方向前两阶固有频率附近转轴振幅较大的结论。通过本文的研究,对直驱式风力发电机组动力学响应问题有了进一步的剖析。所分析的结果,对机组进行振动分析和直驱风力发电机组的控制策略的形成和控制器的设计具有实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究直驱机组传动系动力学特性的目的和意义
• 1.3 直驱风力发电机组传动系统动力学研究现状
• 1.4 本文研究方法及技术关键
• 第2章 直驱风力发电机组传动系动力学建模基础
• 2.1 引言
• 2.2 风的模拟
• 2.3 动力学仿真程序说明
• 第3章 直驱式风力发电机组传动系动力学建模
• 3.1 引言
• 3.2 叶片模型
• 3.3 传动系模型
• 3.4 发电机控制模型和变桨控制策略
• 第4章 直驱式风力发电机组传动系动力学仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 Kaimal谱湍流模型风激励的响应
• 4.3 NWTCUP谱湍流模型风激励的响应
• 4.4 方向变化的极端持续阵风激励的响应
• 4.5 极端运行阵风激励的响应
• 第5章 结论与展望
• 5.1 本文的主要工作与结论
• 5.2 今后研究的展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介