预应力混凝土-钢组合风电塔架结构优化研究

摘要

随着全球环境不断恶化和全球化石能源储量的不断减少，风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到全世界各国政府和研究机构的重视。目前，随着风力发电机的单机装机容量不断增大，塔架的高度不断增高，风力发电塔塔架的底部直径也在不断增大。然而，在风电建设的过程中，塔段运输困难、经济性差等问题日益突出。预应力混凝土—钢组合风力发电塔架作为一种可以有效的解决这些问题的新型塔架形式。为了使钢与混凝土两种材料的特点可以得到充分的发挥并且降低塔架造价，对组合塔架的结构选型和设计优化及受力分析研究相当重要。针对传统全钢制风电塔架存在的问题，本论文提出一种预应力混凝土—钢组合风力发电塔架的优化方案，在利用MATLAB软件编程对其进行受力性能分析基于粒子群优化算法，对预应力混凝土—钢组合风力发电塔架尺寸进行优化，为我国风电行业塔架建设提供参考。本文包括以下主要内容:
　　(1)对各种优化算法进行详细介绍，并对粒子群优化算法进行研究。
　　(2)以某风场的2MW风力发电机为研究对象，对四种不同工况下的风机荷载及塔架荷载进行计算并根据国内外相关规范确定其分项系数。
　　(3)对预应力混凝土—钢组合风力发电塔架进行建模，确定了优化设计中的优化变量，说明塔架在优化过程中的约束条件，并确定以塔架造价作为塔架优化的目标函数。
　　(4)结合湖南郴州某风场为工程实例，利用粒子群算法对预应力混凝土—钢组合风力发电塔架进行优化并对其进行了验算。根据验算结果可以得出优化后的塔架沿高度方向上的应力变化趋势。优化结果表明，粒子群优化算法可以有效降低预应力混凝土-钢组合塔架的造价。当钢筒段长度占塔架全长的约30％时塔架造价最低，其造价降低了约27％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 格构式风力发电塔架

1．1．2 钢制锥筒形塔架

1．1．3 圆筒形钢塔架

1．1．4 预应力混凝土-钢组合塔架

1．2 风力发电机塔架的研究现状

1．2．1 国外风力发电机塔架的研究现状

1．2．2 国内风力发电机塔架的研究现状

1．3 研究意义和研究内容

1．4 设计思路

第2章 优化设计方法

2．1 优化问题

2．2 智能优化算法

2．3 粒子群算法

2．3．1 粒子群算法的基本形式

2．3．2 粒子群算法的基本流程

2．3．3 标准粒子群算法

2．3．4 粒子群优化算法的控制参数

2．4 本文优化方法

2．4．1 基本粒子群算法的缺陷

2．4．2 改进的粒子群算法

2．5 MATLAB介绍

2．6 粒子群算法的实现

2．7 本章小结

第3章 风电塔架荷载计算

3．1 风机基本数据

3．2 风机荷载计算

3．2．1 年平均风速工况下

3．2．2 额定风速工况下

3．2．3 切出风速工况下

3．2．4 极限风速工况下

3．2．5 叶轮和风机附加弯矩

3．2．6 叶轮俯仰力矩

3．2．7 偏转力矩

3．3 塔架风荷载计算

3．4 风机塔架地震作用计算

3．4．1 动力特征计算

3．4．2 地震作用及内力计算

3．4．3 地震作用计算算例

3．5 荷载组合

3．6 本章小结

第4章 风电塔架优化模型和约束条件

4．1 风电塔架模型

4．1．1 边界条件和材料参数

4．1．2 塔架各截面参数

4．2 风电塔架约束条件

4．2．1 钢塔段约束条件

4．2．2 预应力混凝土塔段约束条件

4．3 其他约束条件

4．3．1 自振频率

4．2．2 塔筒顶部最大位移及转角

4．4 目标函数计算过程

4．5 本章小结

第5章 组合风电塔架优化设计分析实例

5．1 工程概况

5．1．1 场地选择

5．1．2 风机选择

5．2 某风电四段钢塔架原设计方案

5．3 组合塔架主要参数

5．4 塔架优化设计

5．4．1 改进的粒子群优化算法参数确定

5．4．2 塔架优化设计

5．5 优化结果与分析

5．6 本章小结

结论与展望

本文主要结论

对研究的展望

参考文献

致谢

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附录