立轴风力机控制策略研究及仿真

发布时间：2020-05-20 07:38

【摘要】： 风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生资源。现有的风能转化系统大部分将风能通过风力机装置转化为机械能,然后通过电机转化为电能,通常风力机按风轮旋转轴在空间的方向,分为水平轴风力机(Horizontal Axis Wind Turbine简称为HAWT)和立轴风力机(Vertical Axis Wind Turbine简称为VAWT)两大类,达里厄型(Darrieus)风力机为立轴风力机的典型机型。立轴风力机由于其结构和气动性能的独特优势,越来越被人们重视。变速风力机可以在很大的风速范围内工作,而且能最大限度的捕获风能,提高风力发电机的效率,而成为当前该领域的研究热点。本文以大型变速立轴风力机为研究对象,风力机为典型的达里厄型风力机,直接驱动永磁同步电机发电。通过建立风力机气动性能评估模型、传动系统模型、电机以及控制系统的模型,并在MATLAB/SIMULINK进行仿真模拟,得到风力机在各种工况下的运行情况,并实现了最大风能追踪的算法。变速风力发电机提高了风能利用率,但增加了控制系统的难度,本文对最大风能追踪策略的理论进行分析研究。分析了达里厄型风力机的气动性能评估模型,该模型是基于叶素动量理论的双多流管模型,考虑了达里厄型风力机旋转时叶片对风轮下盘面流动干涉的特性,以及翼型动态失速、气动阻力的影响,对1MW达里厄型风力机进行计算分析,得到了该风力机的气动性能,如风力机在各风速下的气动转矩与转速的关系,以及在各风速下的气动功率与转速的关系,为仿真模拟提供基础。根据仿真的需要分别建立了风力机传动系统模型、永磁同步电机模型、最大功率跟踪算法等模型。永磁同步发电机在同步旋转轴下建立,并对同步电机的解耦控制做了分析,最大功率跟踪算法采用尖速比控制方法。最后在MATLAB/SIMULINK中且搭建了整个系统的仿真模型,对1MW达里厄型风力机低风速气动、高风速刹车、额定风速下变风速运行等工况进行了仿真模拟。通过模拟得到风力机在各种工况下的运行情况,实现了最大风能追踪的算法,采用尖速比的控制方法追踪最大风能的效果显著,为进一步立轴风力发电机控制系统的设计提供依据。
【图文】：

水平轴风力机,风轮,风向,旋转轴

风轮叶片数一般为2～3 叶，，叶片形状一般为翼形,该风轮启动力矩较大，风能利用系数高。图1.1 水平轴风力机Fig.1.1 Horizontal axis wind turbine立轴风力机的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行（如图1.2），立轴风力机叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。立轴风力机最典型的是由与萨窝纽斯同时代的法国人达里厄(G·J·Darrieus)首创的 Darrieus 型风力机根据风叶的形状，Darrieus 型风力机又有多种形式： Φ 型、H 型、△型、Y 型和◇形等，其中以 Φ 型风轮和 H 型风轮最为典

风力机,法国,兴趣集,风力机叶片

如果按风力机叶片吸收风能方式划分，又可以分为阻力型风力机和升力型风力机。图1.2 立轴风力机Fig.1.2 Vertical axis wind turbine现代立轴风力机的发明人是法国工程师 Georges J.M.Darrieus，他分别于 1925年在法国和 1937 年在美国获得立轴风力机的发明专利，但当时他的发明几乎没有得到人们的注意，以至于二十世纪六十年代两名加拿大籍研究者在并不知情Georges J.M.Darrieus 发明专利的情况下再一次地重复了 GeorgesJ.M.Darrieus 的工作，尽管如此，今天的立轴风力机依然以 Darrieus 形式得到闻名，并且由于受到Georges J.M.Darrieus 的启发，立轴风力机的新形式也层出不穷。上个世纪 70 年代美国国家重点实验室 Sandia 开始着手商业化风力机的研制工作，把主要的兴趣集中在立轴风力机上
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK83

【参考文献】