液壓傳動(dòng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、風(fēng)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(nèi)外風(fēng)電場運(yùn)行的機(jī)組主要包括兩種:水平軸式風(fēng)力機(jī)和垂直軸式風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要偏航裝置等優(yōu)點(diǎn)受到了很多人們的關(guān)注，但與水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較，垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)展則相對滯后，其空氣動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)構(gòu)造力學(xué)方面積累也相對不足，大型商用機(jī)型發(fā)展步伐緩慢。近年，世界各地的研究人員在垂直軸風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究領(lǐng)域做了很多貢獻(xiàn)，使得垂直軸

2、風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)以及風(fēng)能利用率得到了不斷的優(yōu)化與提高，總體來看，該機(jī)型還是具有很好的發(fā)展前景。
　　本文以垂直軸風(fēng)力機(jī)作為研究對象，在直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究基礎(chǔ)上對螺旋型垂直軸風(fēng)輪進(jìn)行了詳細(xì)的研究，同時(shí)對風(fēng)力機(jī)液壓傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了研究，風(fēng)力機(jī)的液壓傳動(dòng)技術(shù)是最近幾年新興的一個(gè)研究領(lǐng)域，它是將風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械傳動(dòng)替換為了液壓傳動(dòng)，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(gè)方面開展，分別是液壓傳動(dòng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)的基

3、礎(chǔ)理論研究、螺旋型垂直軸風(fēng)輪性能分析及與直葉片風(fēng)輪的對比、液壓傳動(dòng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)的仿真分析及控制策略的研究、液壓傳動(dòng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先本文以垂直軸風(fēng)輪為研究對象，分析了它的基本工作原理、與水平軸風(fēng)輪的不同運(yùn)行特點(diǎn)以及自身運(yùn)行的一些缺陷;利用流體力學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)的理論來分析推導(dǎo)了風(fēng)輪的雙盤面多流管模型，結(jié)合動(dòng)量理論、葉素理論建立了預(yù)測風(fēng)輪氣動(dòng)性能的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)針對該模型進(jìn)行了動(dòng)量理論修正、翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)修正及考慮風(fēng)

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

5、變化幅度較大，影響風(fēng)輪的運(yùn)行穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上本文對螺旋型風(fēng)輪進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)螺旋型風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中各項(xiàng)性能參數(shù)的波動(dòng)較直葉片風(fēng)輪得到了很大的改善，這說明這種螺旋型風(fēng)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(fēng)輪進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析，分析了在不同參數(shù)影響下的風(fēng)輪輸出特性，這其中包括葉片數(shù)量、風(fēng)輪實(shí)度、葉片旋轉(zhuǎn)變形程度等參數(shù)。
　　本文首次對多個(gè)對稱翼型及非對稱翼型對垂直軸風(fēng)輪性能的影響進(jìn)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(dòng)性能在正負(fù)攻角范圍內(nèi)不同，葉片處于下風(fēng)向時(shí)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(yīng)用在垂直軸風(fēng)輪中時(shí)其工作尖速比范圍較窄，在尖速比稍高點(diǎn)時(shí)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(chǔ)上，本文還利用遺傳算法開展了針對多個(gè)風(fēng)輪關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得到了在特定風(fēng)場中最優(yōu)的風(fēng)輪關(guān)鍵參數(shù)。
　　除了垂直軸風(fēng)輪，本文還對液壓傳動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究。文

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

8、根據(jù)仿真結(jié)果可以看到進(jìn)行優(yōu)化控制后機(jī)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(xiàng)資金項(xiàng)目的資助下，本文搭建了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺對液壓傳動(dòng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)臺中利用變頻電機(jī)模擬風(fēng)輪的機(jī)械能輸出情況來測試后端傳動(dòng)系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)的響應(yīng)特性，通過設(shè)計(jì)合理可靠的控制系統(tǒng)保證電動(dòng)機(jī)的模擬輸出與機(jī)組實(shí)際情況吻合，保證了傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)研究中搜集了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本傳動(dòng)特性