风力机模拟系统的研究与实现

发布时间：2017-08-19 19:26

  本文关键词：风力机模拟系统的研究与实现

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【摘要】：风能是一种无污染、可再生的新能源,风力机的相关研究越来越受到人们的重视。为了给风电齿轮箱故障诊断提供良好的试验环境,本文研究并设计实现了一套风力机模拟系统。本文基于马尔科夫链与实测风速数据建立了风速时间序列预测模型,基于G58-850kw风力机参数建立了风力机功率捕获模型,研究了风力机捕获最大功率的规律以及不同风速时风力机的控制策略,并考虑风剪切、塔影效应和叶轮惯量对风力机模型进行了修正,从风力机模型获得了叶轮的转速与转矩仿真数据,并对仿真数据进行了三次样条曲线插值,作为模拟系统电机的控制目标。建立了一套风力机模拟系统,机械系统按照风力机的功能要求与风电齿轮箱的结构形式进行设计,包括风速与叶轮模拟装置、低速主轴加载装置、齿轮箱增速装置、扭矩监测装置和发电模拟装置,研究了电气控制系统的需求并设计了合理的配置,软件系统包括风速与风力机模拟模块、数据采集模块、故障诊断模块、故障特征数据库和故障预测模块,对风力机模拟系统各组成部分进行了数学建模,为后续风电齿轮箱故障诊断分析组件受力、进行动力学仿真、振动模拟试验及电封闭控制技术研究提供了理论基础。分析了基于定子磁场的异步电机矢量变频技术,关键在于如何通过坐标变换将定子电流分解为转矩电流与励磁电流两部分分别加以控制,讨论了矢量变频技术的两种模式：转速控制模式和转矩控制模式,研究了基于变频器的异步电机静态辨识、旋转辨识和速度环优化技术,分析了基于主从控制的电机矢量控制策略,讨论了电封闭齿轮箱试验台的原理,设计了风力机模拟系统电气控制的通讯架构。为了测试异步电机矢量控制的效果,进行了多组实验：空载时转速测试、恒负载时转速测试、变负载时转速测试与负载突变恒转速测试,结果反映转速控制模式效果很好,转矩控制模式由于无反馈,会出现一定波动。建立了风力机模型仿真数据到模拟系统电机控制数据的等效换算关系,以换算后得到的数据为电机控制目标,进行了风力机工况模拟,结果较理想,验证了本文风力机模拟系统的实用性。
【关键词】：风力机 马尔科夫链 电机辨识 电封闭 矢量控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-24
• 1.1 风力发电发展现状与趋势13-15
• 1.2 风力机模拟系统研究现状15-18
• 1.2.1 风力机仿真模拟系统研究现状16
• 1.2.2 风力机试验台模拟系统研究现状16-18
• 1.3 风速时间序列模型研究现状18-22
• 1.3.1 四分量风速模型18-19
• 1.3.2 基于威布尔分布或瑞利分布的风速模型19-20
• 1.3.3 基于AR模型的风速模型20
• 1.3.4 基于功率谱的风速模型20-21
• 1.3.5 基于神经网络的风速模型21-22
• 1.3.6 其他风速模型22
• 1.4 本文主要研究内容22-24
• 2 虚拟风场的模拟和风力机功率捕获模型研究24-42
• 2.1 引言24
• 2.2 基于马尔科夫链的风速时间序列预测模型24-29
• 2.2.1 自然风特性概述24
• 2.2.2 马尔科夫链数学模型概述24-26
• 2.2.3 基于马尔科夫链的风速时间序列预测模型26-29
• 2.3 变风速工况下的风力机功率捕获模型研究29-40
• 2.3.1 变风速工况下的风力机功率捕获最优化研究29-33
• 2.3.2 基于G58-850kW风力机参数的功率捕获模型33-37
• 2.3.3 考虑多种风速效应与叶轮惯量的风力机模型修正37-40
• 2.3.4 风力机模型传动链简化40
• 2.4 风力机模型仿真数据三次样条曲线插值40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 3 风力机模拟系统的实现42-61
• 3.1 引言42
• 3.2 风力机模拟的机械系统实现42-48
• 3.2.1 风速与叶轮模拟装置43-45
• 3.2.2 风力机低速主轴加载装置45-46
• 3.2.3 风力机齿轮箱增速装置46-47
• 3.2.4 风力机扭矩监测装置47
• 3.2.5 风力机发电模拟装置47-48
• 3.3 风力机模拟的电气控制系统实现48-49
• 3.3.1 风力机模拟的电气控制系统需求分析48
• 3.3.2 风力机模拟的电气控制系统组件配置48-49
• 3.4 风力机模拟的软件系统实现49-54
• 3.4.1 风力机模拟的软件系统总体架构49-50
• 3.4.2 风速与风力机模拟模块50-51
• 3.4.3 风力机模拟的数据采集系统51-52
• 3.4.4 风电齿轮箱故障诊断模块52
• 3.4.5 风电齿轮箱故障特征数据库52-53
• 3.4.6 风电齿轮箱故障预测模块53-54
• 3.5 风力机模拟系统的数学模型54-60
• 3.5.1 三相异步感应电机的数学模型54-55
• 3.5.2 风力机模拟系统柔性传动轴模型55-56
• 3.5.3 风力机模拟系统齿轮传动模型56-58
• 3.5.4 三相异步感应发电机的数学模型58
• 3.5.5 直流母线与PWM整流/逆变单元的数学模型58-60
• 3.6 本章小结60-61
• 4 风力机模拟系统电封闭矢量控制技术研究61-78
• 4.1 引言61
• 4.2 异步电机矢量变频技术的控制原理61-66
• 4.2.1 基于定子磁场定向的异步电机矢量变频技术61-64
• 4.2.2 矢量变频技术转速控制模式64-65
• 4.2.3 矢量变频技术转矩控制模式65-66
• 4.3 基于变频器的异步电机辨识与速度环优化66-74
• 4.3.1 基于变频器的异步电机静态辨识66-69
• 4.3.2 基于变频器的异步电机旋转辨识69-70
• 4.3.3 基于变频器的异步电机速度环优化70-74
• 4.4 风力机模拟系统双电机电封闭矢量控制策略74-77
• 4.4.1 基于主从控制的电机矢量控制策略74
• 4.4.2 电封闭齿轮箱试验台概述74-75
• 4.4.3 风力机模拟系统电气控制通讯架构75-77
• 4.5 本章小结77-78
• 5 实验与结果分析78-87
• 5.1 引言78
• 5.2 异步电机矢量控制策略下的响应测试78-83
• 5.2.1 空载时匀加速匀减速速度曲线测试78-79
• 5.2.2 恒负载正弦速度曲线测试79-81
• 5.2.3 变负载恒转速测试81-82
• 5.2.4 负载突变恒转速测试82-83
• 5.3 基于风速模型和风力机模型的风力机工况模拟83-86
• 5.3.1 风力机模型仿真数据与电机控制数据的等效换算84-85
• 5.3.2 基于风速模型和风力机模型的风力机工况模拟实验85-86
• 5.4 本章小结86-87
• 6 总结与展望87-89
• 6.1 全文总结87-88
• 6.2 工作展望88-89
• 参考文献89-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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3 张琦玮;蔡旭;;基于直流电动机的风力机特性模拟[J];计算机仿真;2007年10期

4 黄小龙;姚文席;李忠刚;;基于机械传动试验台运动误差测试系统的设计[J];机械设计与制造;2008年01期

5 林勇刚,徐立,李伟,陈晓波;电液比例变桨距风力机半物理仿真试验台[J];中国机械工程;2005年08期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张康;异步电机矢量控制变频调速系统研究[D];兰州交通大学;2013年

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本文编号：702544