风力机气动特性及其安全控制

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作为典型绿色能源的风能,对于缓解能源危机、实现碳减排可发挥巨大的作用,风力发电已成为新能源中发展最快、最具有发展前景的一种发电方式。风轮是风电机组的关键部件,其性能直接影响风电机组的效率,因此,风轮的设计工作受到越来越多的重视。控制技术亦是风电机组的核心技术之一,是保证机组高效安全运行的关键。然而,目前大多数风电控制系统将控制焦点集中于输出功率,没有将风力机的安全纳入控制目标中,造成风电场安全事故频繁发生。因此,本文以风力机气动特性的数值模拟作为纽带,将叶片的应力变形融入控制系统,设计风力机安全控制器。对设计的风力机进行气动特性数值模拟,一方面可以为建立风轮模型提供转矩特性数据,另一方面可以为分析叶片的应力变形提供有效的气动压力数据。本文根据上述思路,主要进行了以下研究:   1、为深入理解风力机基础理论、提供气动特性数值模拟的模型参数,根据叶素动量理论作初步的风轮设计,设计出风轮各参数以及周围风场的结构;   2、根据设计的风轮建立三维模型,并采用Fluent软件对风力机在典型工况下进行气动特性数值模拟,得到了风力机的转矩和叶片气动压力分布特性,获取了叶片周围风速和不同截面处的压力分布特性,分析了叶片表面的动态失速以及叶尖损失对风力机的影响;   3、利用建立的叶片模型,首先采用Ansys软件对叶片结构进行模态分析,验证静力学分析的可行性,在此基础之上,利用数值模拟得到的叶片气动压力数据对叶片结构进行静力学分析,获取叶片应力变形的分布特性;   4、根据数值模拟得到的风轮转矩特性数据,采用BP神经网络建立风轮模型,并结合机理分析建模的方法,对整个风力发电机组建立仿真模型。在此基础之上,针对变桨距部分,设计传统PID控制器和模糊控制器,仿真结果表明,模糊控制器具有更高的控制品质;   5、针对目前风电控制系统存在的缺陷,提出新的控制方案,控制输出功率达到目标的同时,降低叶片的应力变形,以保障风力机的安全。本文首次将风力机叶片的应力变形特性与控制系统的设计相融合,设计风力机安全控制器。仿真结果表明,该策略虽然牺牲了一部分输出功率,但同时也大大减小了控制过程中风力机叶片的应力变形,保障了叶片的安全。此外,为提升风力机安全控制器的品质,采用多目标遗传算法对控制器参数进行优化,仿真结果表明,经优化后,控制品质明显提升,达到了风力机安全控制的要求。
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