小型独立风力发电系统的研究

论文摘要

随着环境问题的日益突出,能源供应的渐趋紧张,对可再生能源的开发利用,尤其是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视。风力发电清洁无污染,施工周期短,投资灵活,占地少,具有较好的经济效益和社会效益。目前,我国风力发电领域的理论和应用研究与发达国家存在很大差距,国内对风电机组系统设计技术的研究十分薄弱。因此,深入研究风力发电机组系统设计技术对于持久开发风能和实现风电机组国产化具有重要理论意义和工程应用价值。本文主要从以下几方面对风力发电系统进行了研究:1.论述了风力发电的优势及风力发电产业在中国的发展及现状。2.运用了空气动力学理论和方法,对风力机组进行建模。空气动力学理论是风力发电机组建模和分析的关键,目前风力发电机组常用的空气动力学计算理论是叶素动量理论。本文运用Matlab软件建立了风力机的模型图,并对风力机的桨叶进行受力分析,建立了基于空气动力学和基于叶素动量理论的风力机模型。3.设计了风力机电动变桨距系统方案,变桨距机构采用89C51单片机控制,并搭建好电动变桨距风力机的试验样机。通过对3KW的风力样机做测试,以5s为采样间隔显示了风力机测量性能,得出风力机组在一个小时内的一些重要数据。并通过Matlab＼simulink软件分别在风速低于额定风速和在额定风速左右两种情况下进行仿真,最终结果表明按所提出的控制规律进行的变桨距调节能满足风力机的功率控制要求,为后续研究做好铺垫工作。4.利用Profili气动分析软件,研究了翼型NACA4415边界层的分离流动特性和绕流特性,得出了翼型的特性曲线,分析了翼型厚度、弯度等参数对翼型升阻特性的影响。再利用Pro/E软件对叶片进行三维建模,然后采用ANSYS有限元计算软件对3kw风机叶片模型进行振动模态分析,通过计算叶片的固有频率和分析叶片的各模态振型图,为避免叶片发生共振、提高叶片使用寿命提供了分析方法。5.分析了小型独立风力发电机组电力控制部分的整流器、斩波器、逆变器及蓄电池的一些特点及性能。对单相逆变器和三相逆变器进行分析,建模,分析了蓄电池的工作环境和特点。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学等多学科的综合性高技术系统工程。本文侧重于对桨叶的模态分析,为后续结构强度、叶片的力学特性计算提供基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及其意义
• 1.2 小型风力发电系统发展现状
• 1.3 小型风力发电系统发展趋势
• 1.4 论文的主要工作及章节安排
• 第二章 3KW小型独立风力发电系统模型
• 2.1 概述
• 2.2 空气动力学系统
• 2.2.1 风能特性
• 2.2.2 风速模型
• 2.2.3 风能系数
• 2.2.4 风机特性
• 2.2.5 基于空气动力学风机模型
• 2.2.6 风力机桨叶受力分析
• 2.2.7 叶素动量理论
• 2.2.8 基于叶素理论的风力机建模
• 2.3 传动系统模型
• 2.4 发电机模型
• 2.5 变桨距执行系统
• 2.6 本章小结
• 第三章 风力变桨距控制理论研究
• 3.1 概述
• 3.2 变桨距控制过程研究
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 风速低于额定风速
• 3.2.3 风速高于额定风速
• 3.3 变桨距控制设计
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 小型独立风力发电机组电动变桨距机构的设计
• 3.3.3 3KW风力机统一变桨距控制方案
• 3.3.4 3KW风力机组的实验和讨论
• 3.3.5 统一变桨距控制仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 风机叶片的分析
• 4.1 概述
• 4.2 风力机叶片参数的设计
• 0'>4.2.1 尖速比λ₀
• 4.2.2 叶片数B
• 4.2.3 风轮直径D
• 4.2.4 桨叶选取
• 4.2.5 叶片翼型流场数值模拟
• 4.3 风力机叶片三维模型的建立
• 4.3.1 叶片截面空间坐标
• 4.3.2 叶片曲面造型
• 4.4 叶片的有限元分析
• 4.4.1 有限元法的介绍
• 4.4.2 叶片有限元分析
• 4.5 叶片的模态分析
• 4.5.1 叶片的动力学模型
• 4.5.2 叶片的模态分析结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 小型独立风力机组电力控制技术
• 5.1 独立风力发电系统组成
• 5.2 整流器
• 5.2.1 可控型整流器
• 5.2.2 不可控型整流器
• 5.3 变换器
• 5.4 逆变器
• 5.4.1 概述
• 5.4.2 单相逆变器模型
• 5.4.3 三相逆变器模型
• 5.5 蓄电池
• 5.5.1 传统控制器的充放电控制模式对蓄电池的影响
• 5.5.2 蓄电池的充电控制方法
• 5.5.3 蓄电池的放电控制方法
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 步进电机控制程序
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文