风力发电机组塔架振动安全阈值分析

摘要

近年来，可再生能源中风能的利用越来越广泛。由于对化石能源的依赖，环境问题逐渐越来越紧迫，这使得人们对可再生能源的利用关注越来越迫切，这也就进一步加快风能转换系统的发展。随着风能的大规模应用，风力发电机组这一将机械能转换为电能的装置起着至关重要的作用。风力发电机组的控制系统和机械结构也变得越来越复杂，如何保证风力发电机组在运行环境中不发生损坏也变得更为困难，但它的能否稳定安全运行决定着风能利用的稳定安全。所以对风力发电机组的安全评估相关的参数安全阈值的探索性的研究有着重要的意义。本文的主要内容如下:
　　(1)首先建立风力发电机组数学模型，通过分析各部件模型建立了风力发电机组线性状态空间，重点建立了塔架模型的数学模型并分析其振动影响因素，分析计算风力发电机组极端载荷外推计算的方法原理，以得到风力发电机组安全运行的范围。
　　(2)介绍风力发电机组安全阈值的内容及意义，结合机组模型构建了李雅普诺夫V函数结构，确定安全阈值的分析方法，得到超越安全阈值。分别采用线性化模型降阶和系统辨识方法，完成构建适用于风力发电机组塔架振动分析的安全阈值的方法。
　　(3)以某风力发电机组模型为例，对其进行动力学模态进行分析，采用GLBladed及Matlab软件分析确定模型的安全阈值。并对两种方法得到的安全阈值范围进行分析，在湍流风下，以正常运行状态，正常停机状态为主要工况进行仿真验证对比，结果表明用系统辨识方法得到的安全阈值更加具有指导意义，通过实际风电场中的单台风力发电机组的数据分析进一步验证了安全阈值的有效性。并在急停状态进行分析，结果表明获得的安全阈值切实有效，能够起到对紧急停机设计提供参考依据的作用。
　　(4)计算验证了本论文采用的安全阈值设计方法，调整紧急停机控制参数，达到了在紧急停机工况时风力发电机组塔架运行轨迹在安全阈值范围之内的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．1．1 风力发电的发展与趋势

1．1．2 风力发电机组安全运行面临的挑战与要求

1．2 国内外研究现状

1．2．1 风力发电机组控制技术的发展情况

1．2．2 风力发电机组安全评估国内外发展现状

1．2．3 风力发电机组模型降阶研究现状

1．2．4 风力发电机组模型系统辨识研究现状

1．3 研究内容

第2章 风力发电机组模型搭建

2．1 引言

2．2 风力发电机组的能量转换过程

2．2．1 风力发电机组状态空间

2．2．2 风力发电机组塔架模型

2．3 极限载荷外推原理

2．4 本章小结

第3章 风力发电机组塔架振动安全阈值分析

3．1 引言

3．2 风力发电机组塔架振动安全阈值

3．2．1 安全阈值概念及意义

3．2．2 安全阈值设计方法

3．3 李雅普诺夫稳定性定理

3．3．1 自治系统的李雅普诺夫稳定性定理

3．3．2 非自治系统的李雅普诺夫稳定性定理

3．3．3 构建风力发电机组塔架振动安全阈值

3．4 模型降阶及系统辨识

3．4．1 模型降阶方法

3．4．2 模型系统辨识

3．5 本章小结

第4章 基于Bladed模型的安全阈值设计验证

4．1 引言

4．2 风力发电机组的正常运行分析

4．3 风力发电机组塔架动力学特性分析

4．4 风力发电机组极限载荷外推安全阈值范围

4．5 风力发电机组塔架振动安全阈值分析

4．5．1 风力发电机组模型降阶分析

4．5．2 安全阈值分析

4．6 风力发电机组塔架振动仿真研究

4．6．1 正常发电状态

4．6．2 正常停机状态

4．7 实际风电场测试数据验证

4．8 紧急停机安全链设计验证

4．8．1 紧急停机状态

4．8．2 安全链修正设计验证

4．9 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢