液壓傳動型垂直軸風力機的仿真與實驗研究.pdf

1、風力發(fā)電作為目前最成熟、最具規(guī)模化開發(fā)的可再生能源利用形式，在世界各地得到了飛速的發(fā)展。目前在國內外風電場運行的機組主要包括兩種:水平軸式風力機和垂直軸式風力機，垂直軸風力機由于具有結構簡單，不需要偏航裝置等優(yōu)點受到了很多人們的關注，但與水平軸式風力發(fā)電機比較，垂直軸風力機發(fā)展則相對滯后，其空氣動力學及結構構造力學方面積累也相對不足，大型商用機型發(fā)展步伐緩慢。近年，世界各地的研究人員在垂直軸風力發(fā)電技術的研究領域做了很多貢獻，使得垂直軸

2、風力機的風輪結構以及風能利用率得到了不斷的優(yōu)化與提高，總體來看，該機型還是具有很好的發(fā)展前景。
　　本文以垂直軸風力機作為研究對象，在直葉片垂直軸風力機的研究基礎上對螺旋型垂直軸風輪進行了詳細的研究，同時對風力機液壓傳動技術進行了研究，風力機的液壓傳動技術是最近幾年新興的一個研究領域，它是將風力機與發(fā)電機之間的機械傳動替換為了液壓傳動，該方式具有較好的可控性和抗沖擊特性。論文工作主要從四個方面開展，分別是液壓傳動型垂直軸風力機的基

3、礎理論研究、螺旋型垂直軸風輪性能分析及與直葉片風輪的對比、液壓傳動型垂直軸風力機的仿真分析及控制策略的研究、液壓傳動型垂直軸風力機的實驗研究。
　　首先本文以垂直軸風輪為研究對象，分析了它的基本工作原理、與水平軸風輪的不同運行特點以及自身運行的一些缺陷;利用流體力學及空氣動力學的理論來分析推導了風輪的雙盤面多流管模型，結合動量理論、葉素理論建立了預測風輪氣動性能的數(shù)學模型，同時針對該模型進行了動量理論修正、翼型氣動數(shù)據(jù)修正及考慮風

4、剪切對風輪性能的影響，介紹了利用Matlab對建立的風輪模型進行求解的過程及計算技巧，利用該模型可開展風輪的氣動性能進行分析。除了風輪部分的理論研究，本文還對風力機液壓傳動系統(tǒng)的原理及構成進行了介紹，分別對風速模型、風輪模型、傳動模型、液壓傳動系統(tǒng)及發(fā)電機進行了建模，為后續(xù)的機組仿真分析奠定基礎。
　　利用建立的垂直軸風輪氣動分析模型，本文分析了直葉片垂直軸風輪的氣動特性，發(fā)現(xiàn)風輪的主要性能參數(shù)受葉片方位角影響，在旋轉一周的過程中

5、變化幅度較大，影響風輪的運行穩(wěn)定性。在此基礎上本文對螺旋型風輪進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)螺旋型風輪在旋轉過程中各項性能參數(shù)的波動較直葉片風輪得到了很大的改善，這說明這種螺旋型風輪的受力情況及能量輸出性能要更穩(wěn)定，之后本文對該螺旋型風輪進行了詳細的仿真分析，分析了在不同參數(shù)影響下的風輪輸出特性，這其中包括葉片數(shù)量、風輪實度、葉片旋轉變形程度等參數(shù)。
　　本文首次對多個對稱翼型及非對稱翼型對垂直軸風輪性能的影響進行了分析，包括4種對稱翼型及

6、2種非對稱翼型，通過分析發(fā)現(xiàn)非對稱翼型由于其氣動性能在正負攻角范圍內不同，葉片處于下風向時受影響程度比對稱翼型要大，另外，DU35和DU21的翼型本身較優(yōu)秀，但應用在垂直軸風輪中時其工作尖速比范圍較窄，在尖速比稍高點時性能不如對稱翼型的表現(xiàn)。在前期理論及仿真分析的基礎上，本文還利用遺傳算法開展了針對多個風輪關鍵參數(shù)的優(yōu)化設計，并得到了在特定風場中最優(yōu)的風輪關鍵參數(shù)。
　　除了垂直軸風輪，本文還對液壓傳動式風力發(fā)電技術進行了研究。文

7、中利用AMEsim和Matlab軟件聯(lián)合建立了液壓傳動型風力發(fā)電機組的仿真模型，并進行了仿真分析，包括不同風輪轉速下液壓系統(tǒng)的不同響應特性和在湍流風作用下機組的輸出特性;對液壓傳動系統(tǒng)中的馬達轉速控制策略進行了研究，研究使用了兩種不同的控制方法進行了對比;對垂直軸風力發(fā)電機組的功率控制策略進行了研究，根據(jù)不同工況對機組的功率最優(yōu)化控制進行了分析，結合控制策略對機組的運行控制進行了仿真分析，另外對使用不同翼型的風輪最優(yōu)化控制結果對比分析，

8、根據(jù)仿真結果可以看到進行優(yōu)化控制后機組的功率輸出性能得到了提升。
　　除了基本的理論及仿真分析，在海洋可再生能源專項資金項目的資助下，本文搭建了室內實驗臺對液壓傳動型垂直軸風力機進行了實驗研究，實驗臺中利用變頻電機模擬風輪的機械能輸出情況來測試后端傳動系統(tǒng)及發(fā)電機的響應特性，通過設計合理可靠的控制系統(tǒng)保證電動機的模擬輸出與機組實際情況吻合，保證了傳動系統(tǒng)實驗結果的可靠性。實驗研究中搜集了大量的實驗數(shù)據(jù)，對液壓傳動系統(tǒng)的基本傳動特性