变速变桨距风力发电机传动系统动态外载荷计算

摘要

随着经济的发展，能源的需求量不断增大。但是传统的能源，如石油、煤、天然气等化石能源，属于不可再生资源，在地球上的储存量有限，并且由于能源的需求量不断增大，现在更加显得短缺。风能作为一种比较理想的可再生能源，越来越受到人们的青睐，世界各国政府都已纷纷地投入了大量的人力、物力进行风力发电的研究工作。
　　变速变桨距风力发电机能够更加有效地利用风场中风能，并且输出功率平稳，已经成为现代大型风力发电机的主流机型。风力发电机运行在复杂的自然环境中，而且随着风速的变化，风力发电机自动对其风轮转速和桨距角进行调节，这使得变速变桨距风力发电机传动系统的外载荷特性变得非常复杂。而传动系统的外载荷特性又严重地影响着风力发电机增速齿轮箱等关键部件的设计，因此本文对变速变桨距风力发电机传动系统的动态外载荷特性进行计算分析，论文的主要研究工作为以下几个方面：
　　①气动载荷是影响风力发电机传动系统外载荷的主要因素，本文对风轮的非定常气动载荷计算模型进行研究，模型中考虑了动态入流、动态失速和失速延迟等修正模型，从而使得气动载荷模型的计算结果更加符合实际运行中风力发电机所经历的气动状况；
　　②本文进一步建立了叶片、塔架和传动系统的结构动力响应模型、双馈发电机的动态响应模型、变速变桨距控制模型以及制动系统模型，将这些模型与非定常气动载荷模型结合起来，从而建立出更加完整和准确的风力发电机传动系统动态外载荷计算模型；
　　③为了获取合理的叶片气动外形参数和控制系统中各PI及PID控制器的控制参数，本文使用粒子群优化算法对这些参数计算进行了优化计算，并对优化结果进行分析，验证优化结果的合理性，从而为本文所建立的计算模型提供了合适基础数据；
　　④运用本文所建立的计算模型对风力发电机的运行特性进行计算分析，从而验证了本文所建立的计算模型的合理性，在此基础上，再对传动系统的外载荷进行计算分析，得出增速齿轮箱低速端输入载荷的变化规律及其影响因素，为增速齿轮箱的动力学和可靠性等研究奠定基础。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 风力发电的发展现状和展望

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容

2 非定常气动载荷计算模型

2.1 定常叶素动量理论模型

2.2 非定常叶素动量理论模型

2.3 翼型动态气动力系数

2.4 非定常气动载荷计算流程

2.5 本章小结

3 风力发电机主要部件动态响应模型

3.1 叶片和塔架结构动力响应模型

3.2 传动系统弹性动力学简化模型

3.3 双馈感应发电机模型

3.4 变速变桨距控制模型

3.5 制动系统模型

3.6 本章小结

4 模型参数优化计算及优化结果分析

4.1 模型参数优化计算

4.2 风轮气动外形参数优化结果分析

4.3 叶片和塔架结构特性分析

4.4 变速变桨距控制器参数优化结果分析

4.5 本章小结

5 风力发电机运行特性及传动系统外载荷计算分析

5.1 总体模型结构图

5.2 风速时程数据计算

5.3 风力发电机运行特性分析

5.4 不同工况下传动系统动态外载荷计算分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C 论文计算模型中的主要参数