分布式发电用小型垂直轴风力发电机的研究

摘要

风能是一种清洁、可再生能源，是未来新能源发展的重要组成部分。在风力机将风能转换为机械能的过程中，风轮是主要的部件，并分为水平轴风力机和垂直轴风力机。垂直轴风力机具有启动转速低，不受风向限制，运行范围宽等优点，因此受到各国广泛关注。
　　本文主要研究一种新型垂直轴风力发电机，风力发电系统主要包括三个部分:垂直轴风力机、两自由度永磁同步发电机和控制部分。风能经风轮转换为机械能，进而传送给发电机，最后通过与控制部分相结合进行风力发电。具体工作内容归纳如下:
　　1)本文提出一种新型垂直轴风力机系统结构，采用ANSYS WORKBENCH流体力学分析软件建立风力机的三维模型，计算风力机在不同转速下产生的机械转矩。通过改变参数，包括风轮的结构，两侧风轮互错的角度和风速方向，重新仿真计算出转矩系数和风能利用系数等结果，与本文模型结果相比较，体现了新型垂直轴风力机的结构优势，最后建立风轮数学模型;
　　2)发电机使用专门设计的偏转式永磁同步发电机，可以通过控制使其进入电动状态运行，实现两自由度旋转。发电机具有分布式绕组和集中式绕组，分别用于实现发电和电动状态。采用ANSOFT MAXWELL电磁场分析软件建立两自由度发电机的三维模型，并对发电机在发电状态下的电流、电压等输出特性进行了分析;
　　3)分析风机实现最大功率跟踪的几种方法，结合本文风力机的特点，最终采用最佳尖速比控制法与矢量控制相结合，建立风机控制系统模型;
　　4)在MATLAB/SIMULINK软件下，搭建了风速模型、风轮模型和永磁同步发电机模型，使用上述模型，建立风力发电机系统的仿真模型，对风机系统进行发电特性仿真分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 风电的研究与发展

1．2．1 风能

1．2．2 风能的发展优势与市场现状

1．3．1 国外风电发展与现状

1．3．2 国内风电发展与现状

1．4 本文的主要研究内容

第2章 垂直轴风力机及其相关概念

2．1 垂直轴风力机的分类

2．2 垂直轴风机的优点

2．3 空气动力学基本知识

2．3．1 翼型升力与阻力

2．3．2 贝茨理论

2．4 垂直轴风机的参数

2．4．1 风能利用系数与转矩系数

2．4．2 叶尖速比

2．5 本章小结

第3章 垂直轴风力机叶片的模拟与仿真

3．1 新型垂直轴风机的结构

3．2 计算流体力学介绍

3．3 仿真计算软件概述

3．3．1 CFX软件介绍及其特点

3．3．2 FLUENT软件介绍

3．4．1 仿真过程

3．4．2 流体基本控制方程

3．5 风机流场条件设置

3．6．1 三维稳态仿真分析

3．6．2 三维瞬态仿真分析

3．6．3 改变风轮叶片结构对比

3．6．4 改变两侧风轮互错角度对比

3．6．5 改变风速方向对比

3．7 本章小结

第4章 永磁同步发电机的相关介绍及电磁分析

4．1 永磁同步电机简介

4．2．1 电机结构

4．2．2 基本参数设置

4．3 有限元法介绍

4．3．1 有限元软件Ansoft Maxwell简介

4．3．2 麦克斯韦方程组

4．3．3 网格划分

4．4 偏转式永磁同步发电机电磁分析

4．4．1 前处理过程

4．4．2 瞬态仿真分析

4．5 本章小结

第5章 风力发电系统仿真与研究

5．1 风力机的控制方法

5．1．1 最佳尖速比控制法

5．1．2 最佳功率曲线控制法

5．1．3 爬山搜索法

5．2．1 坐标变换

5．2．2 基于ABC坐标系的电机建模

5．2．3 基于d-q坐标系的电机建模

5．2．4 永磁同步电机的矢量控制

5．3．1 组合风速模型

5．3．2 风力机风轮模型

5．3．3 永磁同步发电机模型

5．4 风力发电系统仿真分析

5．4．1 最大功率跟踪控制系统建模

5．4．2 最大功率跟踪系统仿真结果

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢