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垂直轴阻力型软翼风力发电机组电气出力规律的研究

  • 发布日期:2018-10-10
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本文是一篇硕士电气工程论文,电气工程与物理科学间的紧密联系与交叉仍然是今后电气工程学科的关键,并且将拓宽到生物系统、光子学、微机电系统(MEMS)。21世纪中的某些最重要的新装置、新系统和新技术将来自上述领域。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士电气工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究意义
随着全球现代化建设的高速发展,化石燃料燃烧带来了日益增多的环境污染问题。同时,能源的使用量与日俱增,但是能源供应量却有减无增。近年来,世界各国都在可再生能源的开发和利用方面投入大量研究,普遍采取提高能源利用效率和改善能源发展的结构等措施,使实现一定的可持续发展[2]近年来,我国可再生能源发电逐渐向分布式发电靠拢[3]。分布式发电系统是利用风能、太阳能、潮汐能等可再生能源和天然气等不可再生能源,将这些分散存在的能源作为分布式电源的形式布置在用户的周围[15]。分布式电源包括:风力发电系统、光伏发电系统等。分布式发电使可再生能源的能源利用效率得到最优化。同时,我国的风力资源丰富,可供利用的风能蕴藏量高,对风能资源的有效开发和利用也极为重视。因此,有必要充分利用我国地域风能资源,提高对不同风速地区风能资源的利用效率。目前,对风能的利用主要通过风力发电机完成风能到机械能,再到电能的转换过程。风力发电机主要分为水平轴风力发电机(HAWT)和垂直轴风力发电机(VAWT)。前者是目前国内外发展最成熟的一种风力发电机,但同时也存在起动风速要求较高,结构复杂,成本高,维护难等问题;垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比没有大规模地商业化,而是主要存在于中小型风力市场,主要结构特点使其在低风速环境下有着较多的优点,如受风多向性,结构简单,成本小,便于安装和维护等[6-8]。我国有大部分地区存在“大风很少,小风不断”的情况,如云南省等[54]。这些地区大多数平均风速低,属于少风区,这就意味着常规的水平轴风力发电机在当地难以起动。结合贝茨理论和现有研究数据,垂直轴风力发电机中,升力型的 Darrieus 风力发电机的风能利用率要高于阻力型的风力发电机,但是由于 Darrieus 风力发电机的启动风速较高与 Savonius 风力发电机组合启动也会有一定的配合难度和能量损耗,在实际低风速环境中,Darrieus 风力发电机往往不能自起动,因此阻力型风力发电机的在贫风区和城市建筑的适用性比升力型发电机更强[9-15]。因此,结合这些低风速地区风能资源的实际情况,研究能够在低风速下启动的垂直轴风力发电机,充分利用当地小规模且不如忽视的风力资源。提高垂直轴风力发电机对风能的利用率是目前研究的趋势之一[52]。
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1.2 风力发电机的现状
 
1.2.1 水平轴风力发电机
风力发电机是将风能转换为机械能,又将机械能转换为电能的装置。根据风向与风力发电机转轴的方向不同可将风力发电机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风机的转轴与风向平行,垂直轴风、机的转轴则与风向垂直[6]。水平轴风力发电机由于其制造技术和理论研究较为成熟,大规模存在于目前风力市场中。其中,水平轴风力发电机大致分为高速风力发电机和低速风力发电机两种。前者风力发电机叶片数较少,一般为 2 到 4 片,主要用于发电;后者风力发电机叶片数较多,一般为 12 到 24 片,主要用于农业提水灌溉等。按风力机叶片的工作原理分类,大致可分为两类,即升力型和阻力型水平轴风力机。目前在风力市场中,升力型水平轴风力机占大多数[14-18]。用于发电的水平轴风力发电机中,螺旋桨式风力发电机的应用普遍,是风力发电系统中最主要的机型。该种风力发电机的叶片数量普遍为 2 到 3 片,叶片形状呈翼型。螺旋桨式风力发电机的风轮分为上风式和下风式。
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2 软翼风力发电机系统结构和工作原理
 
2.1 系统总体结构
本文的软翼垂直轴风力发电系统为小型风力发电系统。由于风能大小和方向变化随机,使与软翼垂直轴风力机转轴带动的永磁发电机输出的电能不稳定,为能给负载提供稳定的电能,本文利用三相整流器进行整流,再利用 DC/DC 变化器和控制电路,对整流后的直流电进行输出控制,实现对软翼风机发电系统的最大功率跟踪。其中,将软翼垂直轴风机的性能作为重点,进行数值仿真和实验两方面对比分析,通过仿真和实验结果再对软翼垂直轴风力机的结构设计进行优化。
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2.2 软翼阻力型垂直轴风力机模型
 
2.2.1 软翼阻力型垂直轴风力机模型
软翼结构阻力型垂直轴风力机是基于阻力型垂直轴风力机叶片做功原理的基础上,设计的一种新型阻力型垂直轴风力机,该软翼垂直轴风力机由带柔性辅助叶片的轻质叶片的风轮,转轴等主要结构组成[33]。4 个叶片之间互成 90°夹角布置在软翼风力机的转轴上[33]。叶片由轻质的网架和若干个呈等腰梯形状的柔性辅助软叶片组成,柔性辅助软叶片都以一定的方向安装在叶片的轻质网架上的其中一面[33]。风吹向软翼垂直轴风力机时,风机上的叶片的表面因来流风向,而可自动划分为上风面和下风面两个面,在软翼风机叶片上风面上的柔性辅助叶片受风力的推动,因而受力贴在轻质网架上,使得整个叶片受到风力而由旋转的趋势;在叶片下风面上的柔性辅助叶片受风作用,使得柔性辅助叶片远离网架,而不对所在的轻质网架表面产生作用力[33]。在 0 度到 90 度内,风机每个叶片所受力的状态随着迎风角度变化而变化[33]。其中,当迎风角度范围为 0 度后到 45 度时,软翼风机有两个叶片受力,两个叶片不受力;当迎风角度范围为 45 度到 90 度前时,软翼风机只有 1 个叶片受力。
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3 软翼阻力型垂直轴风力机的建模仿真............ 19
3.1 CFD 理论基础 .......... 19
3.1.1 计算流体学概述 ............ 19
3.1.2 湍流理论概述 .............. 19
3.2 风机结构参数设计 ...... 21
3.3 软翼风力机气动特性数值模拟研究 ..... 22
3.4 求解结果及分析 ........ 29
3.5 本章小结 .............. 36
4 软翼垂直轴风力机发电性能的实验研究.......... 37
4.1 实验目的 .............. 37
4.2 实验设备及原理 ........ 37
4.3 软翼风力机性能实验 .... 42
4.4 本章小结 .............. 45
5 软翼风力发电系统最大功率跟踪算法设计........ 47
5.1 风力发电系统的最大功率跟踪策略 ..... 47
5.2 软翼风力发电系统的建模和仿真 ....... 50
5.3 软翼风力发电系统的最大功率跟踪控制的仿真 ........ 54
5.4 本章小结 .............. 58
 
5 软翼风力发电系统最大功率跟踪算法设计
 
在一套好的风力发电系统中,既要追求风力机有好的风能利用率,又要追求风力机输出功率的大小。最大功率跟踪算法是利用一套控制器和功率转换装置来达到在不同的风速条件下,力求使风力机所捕获的风能能够在最大程度上转换为输出的电能。本章主要介绍风力发电系统中几种常用的最大功率跟踪控制算法,通过对几种算法进行综合分析和比较,选择模糊 PI 控制法对软翼风力发电机系统实现最大功率跟踪。
 
5.1 风力发电系统的最大功率跟踪策略
 
5.1.1 叶尖速比算法
叶尖速比控制法的基本思想是基于最佳叶尖速比的概念,即风力机在每个风速下都有对应的一个最好的叶尖速比,对应风力机的最佳的旋转角速度,使风力机在此风速下的转矩最大,从而使风力机的输出功率最大。当风速变化时,系统能保持最优的叶尖速比,使发电系统输出功率最大。不同的风力机其固有的最佳叶尖速比不同[53-56]。最佳叶尖速比法的原理图如图 5.1 所示,将实际测得的风速与最优风速的误差作为控制系统的反馈信号来实现最大功率跟踪。功率信号反馈法的是将测得的风力机的实际输出功率与该风力机的最优功率曲线进行比较,对发电机进行功率调节,使得风力发电机工作在其固有的功率最优曲线上。该方法需要测量风力机的转速和对最大功率进行测量且无需测量风速。对于最大功率的测量,不同的风力机需要通过实验和仿真对其进行测定,增大实验中控制的难度和应用的成本。
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总结
 
随着新能源中风力发电的迅速发展以及风能市场对微风风能发电的需求,风力发电市场中的小型垂直轴风力发电机在低风速下的起动和发电能力就成为研究中重要的一环。传统的垂直轴风力发电机在低风速下,在某些迎风角度存在起动困难且在周期内转矩波动大,对风力机的转轴稳定性及寿命产生了一定的影响。针对以上情况,本文设计了一种叶片上带柔性辅助叶片的阻力型软翼垂直轴风力机,通过 CFD 数值模拟计算和实验测试对这种软翼垂直轴风力机的主要结构参数对其在低风速环境下的静态起动能力和动态输出进行了研究,其中包括柔性辅助叶片的数量、安装位置等。同时,针对这种软翼垂直轴风力机在低风速环境下的输出功率,提出了适合这种软翼垂直轴风力机输出规律的一种模糊 PI 控制的最大功率跟踪策略。具体的工作和成果如下:本文首先从国内外风电市场的发展现状和能源需求,阐述了垂直轴风力发电机在小型风力发电系统中的发展潜力、重要性以及在低风速环境时垂直轴风力机有待改善的起动性能问题,提出了一种阻力型软翼垂直轴风力机,介绍了其基本结构和工作原理,并针对软翼垂直轴风力机的主要结构参数对其在低风速下的静态起动性能,动态气动性能的影响采用仿真和实验对比的方法,进行重点研究。本文主要的研究工作如下:
1) 分析比较了目前国内外风力发电市场中,水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机的结构特点以及应用市场范围,揭示了开发垂直轴风力发电机在低风速地区以及小型风力发电系统发电有着积极的意义。
2) 建立阻力型软翼垂直轴风力机发电机的数学模型,对其主要组成部分包括软翼风力机、永磁同步发电机和整流器等原理进行介绍,分析了风机叶片上柔性辅助叶片的基本工作原理。利用 ANSYS Workbench 作为风力机数值仿真的协同平台,在 Geometry 中进行软翼风机的二维建模,接着在 Meshing 中对软翼风机所在流场进行网格划分和在 Fluent 中设置风机在低风速下的数值仿真方案,利用静态网格对不同结构参数的软翼风机在低风速下的静态起动性能进行静态仿真,利用滑移网格对软翼风机在低风速下的动态输出性能进行动态仿真,得到仿真结果包括静态力矩,动态转矩和流场特征图等。
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