海上风电机组数字化设计分析关键技术的研究.pdf

Study on Key Technologies of Design and Analysis for Offshore Wind Turbine A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Doctor ’s Degree of Engineering By Yang XianGang Supervised by Prof. He Yulin Specailty: Mechanical Engineering College of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China Oct, 2013 中文摘要 摘 要 海上风电得益于海面上更强劲、更稳定的风能资源，相对于陆上风电可以产 生更多的电能，因此正成为许多国家可持续发展的重要组成部分。但是，海上风 电机组安装、运行和维护的环境比陆上更加恶劣、严酷，需要时刻接受潮湿、海 浪、狂风以及盐雾的考验，承受风、海浪、浮冰等多场载荷耦合作用，还有我国 南方海域夏秋季的台风，北方海域冬季海面的浮冰等极端工况也将给风电机组的 安全构成很大威胁，所以对海上风电机组的安全性和可靠性有更高的要求。另一 方面，海上风电机组的基础建在海床上，受海浪冲击、浸泡和海床地质结构变化 直接影响到风电机组的稳定性，故基础建设要求高，建设成本要远远高于陆上风 电，成为制约海上风电大规模发展的瓶颈。 如何提高海上风电机组的安全性和可靠性，怎样降低基础建设的成本是开发 海上风电必须突破的重大科学技术问题。该论文就是从这一需求出发，针对海上 风电最具潜力的漂浮式基础和海上风电机组的数字化设计进行了系统深入的研 究，重点解决系统动力学建模与仿真、系统控制策略、变型设计、知识共享与积 累等关键技术，力图探索满足海上风电机组安全性和可靠性要求的设计理论和方 法。 主要研究内容和成果如下： ① 研究建立半潜漂浮式风电机组的系统动力学模型方法，并通过系统动力学 仿真分析进行实验验证。首先对与风力发电机组动力学建模与仿真相关的两类载 荷，即气动载荷和波浪载荷进行了研究。对于气动载荷，研究了叶素动量理论。 对于波浪载荷，从线性波浪入手，研究了波浪的描述方法和各种常见的波浪理论。 最后研究了与波浪相关的两类波浪载荷的计算方法，即用Morison 方程计算波浪载 荷的方法和以势流理论为基础的波浪载荷计算方法。在此基础上，以NREL （美国 可再生能源国家实验室）提供的5MW 半潜漂浮式风力发电机组为应用对象，构建 了由该风电机组的结构动力学模型，空气动力模型和水动力学模型组成的系统动 力学模型。在多种风场和波浪场耦合作用下对该动力学模型进行了仿真实验。实 验结果验证了系统模型，证明了建模方法的可行性，提出了湍流风和不规则波的 共同作用会造成该漂浮式风电机组较严重的载荷波动，设计制造时要严格控制机 组各个部分的频率范围，不仅避开风的固有频率，还要避开海浪、水流的频率， 同时加强风电机组的振动控制。 ② 针对在湍流风作用下容易激起风力发电机组传动链的扭转振动问题，研究 了风电机组的控制策略，并进行了仿真分析。在额定风速以上的控制阶段，提出 I 重庆大学博士学位论文 了对PI 转速控制+恒转矩控制的控制策略和PI 转速控制+LQR 转矩控制的控制策 略，并按两种控制策略设计了控制程序，分别进行了控制仿真实验。仿真结果表 明：后一种策略在增加传动链的动态阻尼的同时降低了风力发电机组关键零部件 的载荷。 ③ 针对不同的风场特点需要对风电机组进行变型设计或适应性设计的需要， 研究了风电机组变型设计。从特征、事物特性表、特征造型