水平轴海流能发电机组载荷分析与控制技术研究

【摘要】：海流能作为海洋能的一种,在过去的十几年中取得了显著的技术进展。研究者通过各种新型装置收集海流能,其中水平轴海流能发电装置被认为最具技术性、竞技性和商业化可能性的海流能发电技术,目前国内外已经有多台示范性或商业化运行机组。由于水平轴海流能发电机组工作在海水中,面对的是复杂多变的海洋环境,商业化机组要求机组的运行寿命在20年以上,因此,对机组的载荷计算以及载荷计算基础上的机组零部件设计提出了挑战。本论文首先对水平轴海流能发电机组在海流作用下的载荷分析方法进行了研究和改进,并将改进的设计方法集成到设计软件中。制定了机组全工况载荷表,对机组进行全工况载荷分析,分析机组的非对称载荷来源,并提出了载荷控制方法。通过理论建模分析、有限元仿真分析、计算机仿真分析以及试验研究对机组的载荷分析及控制方法进行验证。本论文的主要内容如下：(1)利用一维动量定量及叶素理论(BEM)分别从宏观的能量变化角度及微观的叶片受力角度分析了水平轴潮流能透平装置的能量捕获原理,给出了轴向和切向诱导因子的求解方法,从而可计算出各种工况下的水平轴叶轮的局部载荷及整体载荷。在此基础上分别采用BEM方法和CFD方法,对同一机组进行载荷计算建模及对比研究,通过弦长修正及三维流场中的升阻力系数修正,对BEM方法进行改进,并通过数字仿真验证了改进方法的准确性。(2)为了便于上述载荷分析方法的应用,同时为了海流发电机组后续标准化及产业化的需要,编写了基于上述载荷分析方法的海流发电机组设计的软件,可以帮助研究者完成叶片、轮毂、主轴和传动链等关键零部件的设计及校核。并通过此开发软件设计了60kW海流能发电机组,通过厂内拖动实验及海上实地试验的长期稳定运行,验证了设计方法及所编写开发软件的可靠性及准确性。(3)制定海流发电机组设计工况表,针对海流中存在的湍流作用、波浪作用、剪切作用以及机组本身安装过程中可能出现的偏航角度误差,建立了相应的流速模型。并通过基于雨流计数法的疲劳载荷分析方法,定量分析了这些作用对机组疲劳载荷和寿命的影响。劳载荷,在机组的结构设计过程中必须予以考虑。根据设计工况表,以120kW机组为例,进行机组的全工况载荷计算分析。(4)针对海流发电机组模型的非线性和不可知性,采用基于Fuzzy PID参数自整定的独立变桨载荷控制策略以降低机组的非对称载荷。通过Coleman坐标变换,实现海流发电机组叶轮俯仰力矩和偏航力矩的解耦,在Matlab/Simulink中进行了海流发电机组系统建模,对控制系统进行数字仿真研究,仿真结果表明,基于独立变桨距的载荷控制方法可以有效地降低机组的非对称性载荷。(5)针对海流流速随涨潮落潮周期性变化的可预测性,提出了基于流速预测的载荷控制技术以避免海流流速波动引起的连续变桨。在Matlab/Simulink中建立了相应的仿真模型,通过仿真分析表明,基于流速预测的载荷控制方法,不会降低机组的发电功率,虽然牺牲了一定的功率稳定性,但可以将连续频繁的变桨动作转化为间歇的阶跃式变桨动作,可以大大减小在一个流速周期内的累计变桨行程,降低叶根密封结构的磨损,延长密封结构寿命。(6)海流发电机组的功率控制和载荷控制系统都要用到变桨距机构,针对海流发电机机组变桨空间小、负载力矩大等特点设计了独立变桨距系统的齿轮齿条执行机构和液压系统,通过AMESim模型仿真及厂内试验对变桨系统的动态性能进行研究,验证了液压独立变桨距方案的可行性。(7)归纳总结全文的主要研究工作,阐述本课题的研究结论和研究的创新性,并对后续工作进行展望。劳载荷,在机组的结构设计过程中必须予以考虑。根据设计工况表,以120kW机组为例,进行机组的全工况载荷计算分析。(4)针对海流发电机组模型的非线性和不可知性,采用基于Fuzzy PID参数自整定的独立变桨载荷控制策略以降低机组的非对称载荷。通过Coleman坐标变换,实现海流发电机组叶轮俯仰力矩和偏航力矩的解耦,在Matlab/Simulink中进行了海流发电机组系统建模,对控制系统进行数字仿真研究,仿真结果表明,基于独立变桨距的载荷控制方法可以有效地降低机组的非对称性载荷。(5)针对海流流速随涨潮落潮周期性变化的可预测性,提出了基于流速预测的载荷控制技术以避免海流流速波动引起的连续变桨。在Matlab/Simulink中建立了相应的仿真模型,通过仿真分析表明,基于流速预测的载荷控制方法,不会降低机组的发电功率,虽然牺牲了一定的功率稳定性,但可以将连续频繁的变桨动作转化为间歇的阶跃式变桨动作,可以大大减小在一个流速周期内的累计变桨行程,降低叶根密封结构的磨损,延长密封结构寿命。(6)海流发电机组的功率控制和载荷控制系统都要用到变桨距机构,针对海流发电机机组变桨空间小、负载力矩大等特点设计了独立变桨距系统的齿轮齿条执行机构和液压系统,通过AMESim模型仿真及厂内试验对变桨系统的动态性能进行研究,验证了液压独立变桨距方案的可行性。(7)归纳总结全文的主要研究工作,阐述本课题的研究结论和研究的创新性,并对后续工作进行展望。通过研究分析发现,上述海流作用均会增大机组关键零部件处的当量疲劳载荷,但波浪作用引起的疲劳载荷并没有其他作用引起的明显,只有在波浪频率或波浪高度比较大的情况下才需要考虑。而湍流作用、剪切作用和偏航角度误差则会显著增加机组关键零部件的疲

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