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[硕士论文] 陈功
电气工程 西南交通大学 2017(学位年度)
摘要:大型风机是火力发电机组的重要辅机设备,因此,对风机运行的可靠性、安全性要求都非常高。风机从早期的离心式发展到静叶可调轴流式,再发展到现在被广泛推广应用的动叶可调轴流式风机。通过对风机采用变频改造,能实现大量能耗节约,虽然离心风机和静叶可调轴流式风机的变频改造已经广泛使用,但针对动叶可调轴流式风机的变频改造应用仍然处于该领域的一个空白。本文从实际项目入手,针对大唐河北王滩火电厂600MW燃煤机组完成脱硫、脱销改造后,原有静叶可调轴流式风机增容后改配为动叶可调轴流式风机,风机运行效率低、经济性差的问题,开展燃煤机组动叶可调轴流式引风机变频改造控制技术和应用研究
  动叶可调轴流式风机最高效率理论研究。本文通过动叶可调轴流式风机的变频节能理论,借助其性能曲线、效率曲线及风机特性,提出一种全新的动叶可调轴流式风机变频节能计算方法。通过该方法可得到动叶可调轴流式风机各动叶安装角开度时对应的变频调速运行的压力-流量曲线、效率曲线,以及各负荷点对应的变频调速运行的动叶安装角开度值和转速值。以此数据为基础,通过动叶可调轴流式风机变频调速最高运行效率跟踪技术可实现风机变频调速运行的最佳动叶安装角开度值和转速值的匹配,使风机运行在最高效率、最佳经济状态,减少风机的能耗损失。
  动叶可调轴流式风机效率最佳控制工程应用。本文结合大唐河北王滩电厂动叶可调轴流式引风机变频改造项目,将所提出的效率最佳控制算法应用于本案例,对提出的动叶可调轴流式风机相关计变频节能算方法、优化控制方法进行验证。研究结果表明:动叶可调轴流式风机实施变频改造是可行的,可有效地改变现有动叶可调轴流式风机运行方式,实现最优的动叶安装角开度与风机转速组合,使动叶可调轴流式风机运行在此开度和转速下,既能满足机组在不同负荷下对流量及压力的要求,同时又提高风机运行效率。本文所提出的动叶可调风机变频改造最优效率控制理论应用于大唐王滩电厂动叶可调轴流式引风机节能工程的变频改造能提高效率,节约效果明显,有良好的推广前景。
[硕士论文] 王峰
动力工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:本文基于仿生原理,采用弯掠叶片技术设计低风速风力机叶片,利用Isight集成三维建模软件、流体仿真软件等,以直叶片为基础进行设计优化,获得低风速下最佳的弯掠外形。本文所使用的直叶片来自于中丹海上风电合作项目的海上风力机叶片,翼型为丹麦某大学开发的专用风力机翼型。以下是本文所做的主要工作:
  1.深入研究风力机叶片设计理论及风力机叶片设计优化方法。
  2.采用Isight优化平台集成三维建模软件、网格划分软件和流体仿真计算软件,在保证叶轮扫掠面积恒定的前提下对弯掠叶片的外形进行设计优化。首先使用自编的程序将叶片模型参数化,在每次的优化过程中Isight可以调用程序修改模型数据,并且确保能够进行三维建模,再通过ANSYS ICEM-CFD网格划分软件实现网格自动划分,最后使用Fluent里的jou脚本文件实现边界条件自动设置和数值计算。Isight的功能在于集成调用所有软件,修改优化变量,设置优化目标和约束条件。这样就可以实现风力机叶片全三维仿真优化的过程。
  3.对直叶片和弯掠叶片轴向入流工况的数值计算结果进行分析。从叶片的外特性(输出转矩、风能利用系数、受到的推力)、攻角变化、截面压力系数分布三个角度进行对比分析。分析结果表明,弯掠叶片的气动性能比直叶片更加出色。低风速工况弯掠叶片能够明显提升叶片的输出功率,提高风能利用系数。同时,弯掠叶片还能减小轴向推力,使风力机叶片受到的推力峰值明显降低,对叶片结构设计有一定的好处。
  4.对直叶片和弯掠叶片的偏航工况数值计算结果进行分析。弯掠外形能够降低风力机叶片受到的轴向载荷和切向载荷,减小叶片表面受到的载荷峰值。与直叶片相比,偏航工况弯掠叶片受到的载荷随方位角的变化波动幅度更小,弯掠叶片风力机在运行时更加稳定。
土木工程;岩土工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:The effort has been made in recent years to increase the generation of sustainable power energy,such as wind energy.The wind turbine industry expands quickly and wind turbines keep on growing in both size and numbers.Morover, new construction sites are incorporated as large areas are required in order to construct the wind turbine farms.This means that onshore area will not fulfill the requirement and offshore wind farms are being built increasingly farther from the coast and in deeper waters.The offshore wind turbines are often placed at water depths of 15m-30m.The most effectively and efficient offshore foundation for wind turbines are monopiles.These monopiles foundation often have an embedded length of 20-35 m and a diameter of 4m-8m.After a brief outline of the current state-of-the-art of the wind energy industry and an explanation about the significance of monopiles on offshore wind industry, the specificities of their geotechnical design, specifically the lateral-load design of these piles, is addressed.The interaction between the soil and pile is usually characterized by a load-displacement curve, to which several theories were established over the years and is the basis of current lateral-load design of offshore monopiles.The aim of this thesis is to evaluate and compared experimental results of laterally loaded large scale monopiles located in East China Sea with same parameter of finite element model (FEM) of Plaxis3D, which is characterized by its flexible behavior, used as foundations for offshore wind turbines in different layers of soil.In this thesis, a 3D analysis of nonlinear with an elastic plastic soil model, an elastic pile material and interface elements are used to model the pile and soil displacement.The study involves an investigation of the laterally loaded hollow steel monopile piles with 2.8 m outer diameter, with its displacements, followed by an interpretation and validation of the results with the existing theoretical principles of soil mechanics on this area of expertise.Furthermore, a three-dimensional investigation of fin monopile with different parameter,laterally loaded (at 45°and 90°fms) is presented.The behavior of fin piles is difficult to explain by using simple pile-soil theories or two dimensional numerical analyses because of the complicated geometry of the piles.The recent study and experimental data confirmed that the predicted behavior of a monopile was acceptable leading to a more detailed study of the impact of fins and its length upon the lateral resistance.The load-displacement relation of the fin piles are presented in this paper.By placing of fins in monopile, resultant the increase in lateral resistance of pile which is illustrated by plotting the lateral load against displacement of the pile head for various geometries of the pile.It shows, the efficiency of the fins in monopile which also compared with the monopile without fins.The efficiency of the piles increases as the changing in length and direction of the fins.
[硕士论文] 樊东东
电气工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会的快速发展,电力系统的发展呈现负荷持续增加、新能源接入占比扩大、调峰手段有限等方方面面问题,这些问题对我们的生活造成了非常大的隐患。各种要求比较高的电池储能系统已预算在电力系统建设中,电池储能系统在电力系统里的主要作用是削峰填谷进而缓解供电中用电负荷不稳定的矛盾、提高电网运行稳定性,安全性进而提高供电质量,有利于可再生能源的广泛应用。双向DC/DC变换器是整个电池储能系统的核心单元,双向DC/DC变换器的效果决定着着整个电池储能系统的质量。因此,对其进行研究有很重大的现实意义。
  本文以双极型储能系统中双向DC/DC变换器作为重点研究对象,查阅国内外文献,确定了储能系统设计的目标,选用非隔离型的双向半桥拓扑结构,详细介绍了BUCK,BOOST工作原理并利用状态空间平均法推导了其小信号模型为后面的控制器的设计作了铺垫。重点研究了蓄电池充放电的控制策略,利用电流环完成了对电池的恒流充放电模式的设计,利用外环电压环和内环电流环双闭环的设计实现了对电池的恒压充电,并设计了PI控制器的参数,最后利用MTALAB仿真软件搭建仿真模型进而验证了控制器参数设计的可行性。
  本文设计了系统中双向DC/DC变换器所需要的实际电路,包括主电路开关管的选型,储能电感和滤波电容参数值的设计,以及驱动电路和保护电路的设计方案。软件部分利用TMS320F28335数字信号处理器(DSP)设计主程序以及一些中断子程序,并设计了相关的程序流程图。
[硕士论文] 查浩
电气工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:太阳能作为绿色新型的能源,已经受到世界各国的关注。其中光伏发电是太阳能使用最为广泛的一种方式,具有非常良好的前景,成为目前研究的重点之一。独立光伏发电系统,作为光伏发电的一种方式,已经被很多人接受并使用。而在独立光伏发电系统中快速寻找到最大功率点并且能够保持稳定对整个系统的工作效率有很大影响;同时,储能设备作为独立光伏发电系统的重要组成部分,其使用时间的长短以及充电方式的合理性对系统的经济性、实用性也有很大影响。并且用户在搭建系统时,蓄电池和光伏阵列容量的合理匹配可以在很大程度减少经济成本,此外在对独立光伏发电系统的日常使用中,对其进行有效的防雷保护也可以很大程度上减少经济损失。因此对独立光伏发电中MPPT、储能设备的充电方式以及容量计算和系统防雷措施的研究具有十分重要的意义。
  本文首先介绍了国内外光伏发电以及储能技术的现状以及对独立光伏发电系统框架进行分析,并且对光伏电池特性进行分析研究,在根据其原理,利用仿真软件,搭建出仿真模型,通过输出波形证明其特性。再对几种经典的最大功率跟踪法进行分析比较,并且使用MATLAB仿真软件进行仿真验证,进行波形比较,分析其各自的优劣性。最后提出一种优化的MPPT算法,并仿真后得出波形与之前的算法波形进行分析比较,验证其优点。
  其次为提高独立光伏发电系统中蓄电池的使用寿命和充电效率,提出几种充电方式,并分析比较,在原有的三段式充电方式上进行优化,将MPPT最大功率跟踪法和阶段式充电法相结合使用,并在原有的三段式基础上,增加为四段式充电方式,并且提出一套充电策略。在MATLAB仿真软件上,进行仿真模型搭建,仿真结果证明其策略可以有效的提高蓄电池的充放电方式的效率。
  最后,本文就独立太阳能光伏发电系统提出一套工程设计,包括光伏阵列和蓄电池的容量设计方法、并在原有的基础上,提出一套容量优化设计方案,有效减少了搭建独立光伏系统的经济成本。同时,在设计防雷技术上时,在原本的外部防雷技术上增加法拉第笼,可以有效的抵御电磁脉冲作用,提高了防雷效果。并设计了三级内部防雷措施,以及对接地电阻的选择。
[硕士论文] 杨帆
动力工程 湘潭大学 2017(学位年度)
摘要:风能是一种可持续洁净能源,因此风力发电受到越来越广泛的重视,而叶片是风力机一个非常重要的部件,叶片的气动、结构性能是影响风力机是否正常运行的关键性因素。本文针对大型风力机在失速工况下叶片桨距角的调节问题,研究叶片桨距角调整值与运行风速之间的具体数值关系,为相关工程应用提供理论依据。本文主要研究工作如下:
  1.以最大相对厚度为约束条件,对翼型NACA63230进行了修型优化,得到翼型NACA63230-mod。采用Wilson法,以风能利用系数最大为求取目标,通过诱导因子的相互约束关系,利用Matlab软件得到叶片沿长度方向多个叶素的弦长、扭角值。结合NACA63230-mod、NACA63421、NACA64215三种翼型数据,利用SolidWorks建立了2MW风力机叶片及风轮模型。
  2.利用Fluent软件分析风力机叶片中三种翼型的失速气动性能,得到多种工况下的升、阻力系数和升阻比。并与Profili软件的计算结果进行比较,以此来检验Fluent仿真的准确性。基于翼型功率系数理论,编制相应Matlab程序,给出了风力机叶片桨距角与风速数值关系的推导方法。利用该方法,推导出5组高风速下的叶片桨距角调整值。
  3.基于ANSYS Workbench分析平台完成所设计叶片的流固耦合分析。本文选取5组风力机叶片模型,分别得到不同风速及桨距角下的风力机输出功率值,以验证桨距角与风速数值关系推导方法的可行性。探讨叶片的变形量及应力分布,分析叶片的强度性能,比较有风应力和单约束的前6阶模态振型、频率,查看叶片失速摆振变形情况。
  本文从翼型着手设计风力机叶片,建立了2MW叶片模型,给出桨距角-风速数值关系推导方法,并利用流固耦合方法验证其可行性,并分析叶片强度和摆振特性。本文工作可以为相关工程应用提供参考。
[硕士论文] 池志强
机械设计及理论 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:随着风力机技术的不断发展,单机大型化是风力机技术发展的必然趋势,然而单机大型化使得叶片柔性显著增加,在运转过程中柔性叶片会受到气动力、惯性力、弹性力等载荷的作用,多种载荷之间相互耦合,使叶片振动越来越剧烈,造成振动失稳,即所谓风力机的气弹失稳问题。目前,风力机叶片的气弹稳定性一直是风电技术领域研究备受关注的热点问题。其中,分析其在特定工况下的模态气动阻尼特性是目前的研究热点之一。本文在研究柔性叶片气弹时域响应特性的基础上,结合叶片模态参数识别方法,分别对大型风力机叶片在某稳态风速和随机紊流风况下的模态气动阻尼分析方法进行了研究。
  风力机叶片的阻尼包括结构阻尼和气动阻尼,即所谓的气弹阻尼。结构阻尼与叶片的结构与材料特性有关,而气动阻尼指气流作用于叶片并和叶片振动速率成正比,与振动速度相关的项。模态气动阻尼是指叶片各阶主振动模态对应的气动阻尼。在叶片运转过程中,如果模态气动阻尼为负值,意味着在振动过程中气动力对振动做正功,会加剧叶片的振动,进而造成叶片失稳。
  本文采用多体动力学理论和混合多体系统建模方法,并结合经过修正的叶素动量理论,建立柔性风力机叶片气弹耦合方程,并研究其数值求解方法。在求解气弹耦合方程得出叶片在某运行工况下的气弹响应基础上,结合柔性叶片振动模态参数包括模态频率、模态向量和模态质量等物理量的识别,对稳态风速模态气动阻尼采用振动能量损失法,即计算气动力在叶片振动周期内所做的功,导出了叶片模态气动阻尼比计算式,建立了叶片挥舞、摆振各阶模态气动阻尼比数值分析流程。对随机风速下的模态气动阻尼,通过对气动力进行泰勒展开,求解出气动力对速度的偏导数,从而得出随机风速下模态气动阻尼的分析过程和计算方法。
  以5MW风力机叶片模型作为研究对象,算例分析了5MW风力机模型叶片在多种工况下的一阶模态气动阻尼比,表明所建立模型和分析方法的有效性和可靠性,为大型风力机柔性叶片的气动阻尼特性和气弹稳定性分析提供有效手段。
[硕士论文] 艾永江
土木工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:风力发电是目前可再生能源利用较成熟的技术之一,我国风能资源丰富,自2010年起风电装机容量已位居世界首位,并计划2020年实现风力发电装机容量200GW。由于风机其工作环境相对恶劣,故发生在塔架连接段焊接接头处的疲劳断裂、塔架上的联结螺栓疲劳松动、塔架失稳倒塌等屡见不鲜,每年都导致了巨大的经济财产损失,制约着人们对风能的开发利用,风力发电塔架作为风电机组的支撑,一旦损坏会威胁整个风机、叶片等相关设备的安全。
  本文基于FLUENT(计算流体动力学软件,CFD)对某个1.5WM风力机组项目,开展风力发电机风荷载的数值模拟研究,进而用模拟得到的风荷载添加到风电发电机结构动力学有限元分析之中,通过ANSYS时程计算,用雨流计数法统计风电塔焊接处疲劳最危险点的损伤参量。最后使用调谐质量阻尼器(TMD)对风电塔进行减振研究,延长风电塔的疲劳寿命。主要的研究工作如下:
  1、基于S-A、K-Epsilon两种湍流模型对NRELPhaseⅥ风力机进行气动力数值模拟,计算了风速7m/s~25.1m/s共五个工况。风速7m/s与25.1m/s工况下,两种湍流模型计算得到的轴扭矩与实验误差不到10%;风速10m/s、13.0m/s与15.1m/s工况下,轴扭矩与实验误差不到20%。
  2、基于具体风电塔项目建立结构动力学有限元模型,根据GL2010认证规范,在瞬态分析中各段塔筒连接处满足极限强度要求。采用FAT112作为S-N曲线,利用雨流计数法提取临界损伤面上的应力循环,依据Miner线性损伤累积理论,得到塔筒的疲劳危险点处于第二段焊接节点处,塔筒疲劳寿命为18.14年,无法达到20~25年的使用寿命。
  3、利用ANSYS对不同频率比、质量比、阻尼比的TMD减振系统进行研究。使用不同减振评价指标时,减振设计参数的最优值有所不同。固定质量比为0.05,以位移、加速度分别为减振评价指标时,频率比最优值分别为0.80、0.95,阻尼比最优值分别为0.12、0.09;此参数下的位移减振率、加速度减振率为32.92%、29.34%,对结构最大响应的减振效果比较明显。
  4、TMD减振系统的减振对于塔筒疲劳寿命的延长有很大帮助,这归功于减振系统的工作能减小塔筒单元的应力幅值。在固定质量比为0.05时的最优延寿效果的减振参数下,塔筒的疲劳寿命为273.79年,寿命延长比15.09;这说明减振系统能使塔筒的疲劳寿命远大于20~25年的工作年限。TMD减振系统的质量比对减振效果影响较大,成正相关。如只需使塔筒的疲劳寿命大于20~25年,质量比为0.01即可,但因TMD行程的限制,需要采用阻尼比0.21以上的减振参数。
[硕士论文] 孙正路
机械工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:飞轮储能技术是一种具有储能密度大、连续性能好、能量转换效率高,使用寿命长以及环境友好性好等优点的新型储能技术。本文以飞轮储能技术研究与应用为背景,以600Wh样机为实验基础,对飞轮储能系统中的飞轮转子系统的结构以及其运动稳定性进行重点研究。
  根据飞轮储能系统中飞轮转子系统的结构特性与高速转子的运动特性,对其进行运动稳定性影响因素分析。将设计要求的动平衡量与飞轮转子系统的转速、偏心距与离心力的关系进行了分析,通过分析转子偏心产生的涡动现象与高速转子的陀螺效应现象,阐述两者对飞轮转子系统稳定性的影响。
  在飞轮储能系统中主动电磁轴承的支撑特性基础之上,建立了飞轮转子系统的刚性动力学模型与结构支撑力学模型,分析了主动电磁轴承的等效刚度、等效阻尼在交叉反馈控制方法中对陀螺效应的抑制作用。针对轴向电磁轴承与径向电磁轴承在对飞轮转子系统运动姿态控制上的联系,建立了耦合力学方程,通过仿真分析了轴向电磁轴承物理参数与飞轮转子系统结构参数对径向电磁轴承控制的影响,并根据耦合作用对飞轮转子系统运动稳定性的影响,对轴向电磁轴承进行了结构改进。
  研究了飞轮转子系统不同转速下的运动特性,对飞轮转子系统稳定转动的工作状态下轴、径向的振动进行对比,分析了影响飞轮转子系统轴、径向运动稳定性的主要因素,并对不同频段的干扰进行分类与比较,根据实验数据分析了不同干扰对飞轮转子系统稳定性影响的权重。
  通过对飞轮转子系统进行实验而得到的上径向主动电磁轴承处轴段运动不平衡响应较小,下径向主动电磁轴承处轴段运动不平衡响应较大的实验现象进行分析,考量转子陀螺效应的支撑点,对飞轮转子系统的推力盘—轴向电磁轴承系统位置进行改进,并对优化前后的飞轮转子模型的结构力学性能进行了仿真比较。
[硕士论文] 景坤瑶
动力工程 内蒙古工业大学 2017(学位年度)
摘要:基于城市环境中的风能利用的广阔前景,建筑风能一体化备受青睐。城市风环境由于大量建筑物的存在变得复杂,建筑物周围的风场分布独特,具有湍流程度加剧、风速降低和局部加速等特点。因此,为合理利用建筑环境中的风能,保障屋顶风力机的输出特性和安全可靠性,探究不同入流条件下建筑屋顶湍流特性及屋顶风力机功率特性的变化规律,以确定风力机最佳安装位置和高度及多台风力机的布置,对城市建筑风能利用和屋顶风力机的安装推广有重要意义,亦具有一定的理论和工程实践的价值。
  依据三种典型地形拟合对应的入流风剖面作为入流条件,从湍流强度和风加速因子等角度定性定量的分析不同入流条件下屋顶湍流特性及分布规律。研究发现:城市郊区对应的指数风剖面入流,分离区范围较大,其风加速效果最小,风力机应安装于高度大于0.3倍建筑高度的前沿点或近前沿点。建筑物密集但无高大建筑的城市市区对应的对数风剖面入流,同等高度下,产生的速度阻滞程度最小,风加速效果最为明显,但屋顶中后部存在高湍流区域,屋顶风力机应安装于高度大于0.2~0.34倍的建筑高度的前沿点或近前沿点。对于有高大建筑的城市市区对应的半对数风剖面入流,分离区范围最小,速度恢复较快,建筑风加速效果相对较大,且屋顶上方区域湍流程度较小,风力机应安装于高度大于0.15倍建筑高度的前沿点或近前沿点。
  基于上述屋顶流场的特殊性,引入“越顶气流高度”的概念,突出越顶气流内高湍流、低风速的特点,着重分析风速及建筑物尺寸对“越顶气流高度”的影响,为屋顶风力机的安装提供理论依据。结果表明:越顶气流高度随风速的增加逐渐减少,随建筑物高度的增加逐渐减少,随建筑物宽度的增加逐渐增加。因此,屋顶风力机的安装高度在考虑入流条件的基础上,还应考虑安装屋顶风力机的建筑的尺寸及其所在地区的年平均风速,以便获得较高的输出功率。
  综合前文对屋顶风力机安装高度的预测,选定特定位置安装风力机,着重分析屋顶风力机的流场特性及风轮功率变化与入流的关系。结果表明:三种入流情况下,风轮尾流中都出现了明显的轴向速度亏损区域,并且风轮尾流均有不同程度的偏斜,不同入流条件下的偏斜程度与产生分离区的范围和大小成正相关。三种入流条件下风轮功率均随尖速比的增大先增大后减小,在额定工况下达到最大。其中,因对数入流条件下建筑集风效果明显,风轮轮毂处的风速大于其他两种入流,因此其风轮输出功率明显增大。基于屋顶上湍流强度的大小与高度的关系,在屋顶风力机风轮半径范围内选择安装高度分别安装风力机,分析安装高度对风轮功率的影响。结果表明,风轮功率增长速率随着安装高度的增加逐渐减小。因此,屋顶风力机安装时,在安全性和安装成本允许范围内可适当增加安装高度,但增加幅度不宜过大,约为风轮半径(R=0.7m)即可。以上结果对建筑风能利用和屋顶风力机的推广安装有重要意义,亦具有一定的理论和工程实践的价值。
[硕士论文] 徐国建
电子与通信工程 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:随着物联网技术和集成电路技术的不断发展,各种低功耗传感节点的应用越来越多,对能源需求越来越大,因地制宜地采集环境中的物理能量来为传感网络节点供能不仅可以解决能源需求问题,而且可以变废为宝,实现能源供给多样化。本文基于压电材料研究压电能量采集系统来实现对自然界风能的采集,并研究了能量存储电路。主要研究工作如下:
  (1)研究了压电效应、压电材料、压电方程和基于压电复合材料的能量采集技术的理论。
  (2)基于ANSYS有限元分析软件对双晶压电悬臂梁结构进行了模态分析和谐响应分析,对双晶压电悬臂梁结构的谐振频率和振动特性做了详细分析;对压电悬臂梁结构进行了优化研究,包括结构长度、基板厚度和基板材料等特性参数,最后以此为依据制作了双晶压电悬臂梁压电振子实验件。
  (3)采用PVDF压电薄膜材料设计并制作了基于双晶压电振子的风杯式压电能量采集系统,通过实验研究了该能量采集系统的输出电压特性、输出电压与扇叶片重合距离之间的关系、输出功率特性、输出电压与风速的关系等。
  (4)设计了压电能量存储电路,该电路主要包括:倍压整流电路、开关电路、稳压电路和锂电池充电电路。利用Altium Designer软件对电路进行了分析和优化。最后基于锂电池对该电路进行了实验验证。
[硕士论文] 周帅
机械电子工程 汕头大学 2017(学位年度)
摘要:能源问题是全球性的问题,世界各国越来越多的关注新能源的开发。风资源由于其资源分布广泛,清洁无污染等优点,被大力开发。目前风力发电技术主要研究为以下两个方面:一是提高风力发电设备的使用寿命;而是提高风力发电的发电质量。频率是电能质量的重要指标,本文主要的研究重点为双馈风力发电机的惯性控制,以及风力机塔架侧向载荷振动分析,主要内容包括以下几点:
  首先,从空气动力学入手,介绍了双馈风力发电机的基本理论知识以及其数学模型,双馈风力发电机并网的矢量控制以及传统机侧和网侧变流器的控制策略,为后续工作做好理论铺垫。
  其次,对双馈风力发电机惯性控制响应过程进行了详细的分析。针对风轮释放动能提供有功补偿时,风机输出功率增加量与可持续时间,以及风轮转速最小值进行了探讨;在风轮转速恢复过程中,以发电量损失最小为目标,确定了不同工况下,风力机输出功率减少量取值的问题。
  再次,阐述了风机侧向气动载荷的计算,推导出风机侧向载荷,考虑风机侧向振动环节,推导出塔架侧向受力,通过 Bladed仿真与计算结果进行了对比。建立了塔架与传动轴扭转动力学方程,对风机运行过程中塔架载荷进行了相关分析,并通过仿真进行了对比。
  最后,概括总结了全文所做的研究工作和意义,指出了研究过程中存在的不足,并提出了下一步的研究工作展望。
[硕士论文] 安佰伟
机械工程 内蒙古工业大学 2017(学位年度)
摘要:塔筒作为风力机的重要组成部件,其动态响应特性及疲劳性能直接影响着风电机组的安全可靠运行。随着单机容量的不断增加,叶片尺寸和塔筒高度逐渐增大,对塔筒的振动、稳定性以及工作年限都提出了更高的要求。因此,本文以某2.0MW锥形塔筒为研究对象,对其进行了模态分析、屈曲稳定性分析和门洞焊缝多轴疲劳寿命预测。
  在阐述风力机塔筒模态分析、屈曲特性分析和门洞焊缝多轴疲劳强度方面国内外研究现状的基础上,提出了论文的主要研究内容。
  在ANSYS Workbench中建立了塔筒结构的有限元模型,分析了考虑顶部质量和不考虑顶部质量两种情况下塔筒的前十二阶自由模态以及基于流固耦合的塔筒预应力模态,结果表明塔筒顶端机舱和叶片质量对模态频率影响较大,塔筒自身物理属性及结构是影响其固有频率的主要因素,通过计算比较发现塔筒固有频率能避开风轮旋转频率的1P和2P倍,满足10%以上安全裕度要求,即风电机组不会发生共振。
  作为高度敏感缺陷型结构,塔筒底部门洞开口形状对其屈曲性能有较大影响,故计算模拟了在极限工况下矩形门洞与弧形门洞、无加强框和有加强框弧形门洞塔筒结构的屈曲性能,分析表明:弧形门洞较矩形门洞有更好的屈曲性能;加强门框可以提高塔筒结构的屈曲强度。
  在建立了塔筒门洞有限元模型的基础上,计算了各极限工况下塔筒门洞焊缝的应力分布,对其进行了静强度分析;在满足静强度要求前提下,采用临界平面法,结合GL2010规范的焊缝S-N曲线及Miner线性损伤准则,在疲劳分析软件Fe-safe中进行了塔筒门洞焊缝的多轴疲劳累积损伤计算,满足20年的设计寿命要求,门洞焊缝的最危险位置均处于焊缝焊趾处。
[硕士论文] 王农祥
农业工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:直线翼垂直轴风力机低风速下起动性差,组合型垂直轴风力机高尖速比下功率系数低的缺点是制约其发展的关键,为推动小型垂直轴风力机在小型离网型发电领域内的应用,保证其在牧区,海岛及农村能源领域内的易用性,该研究设计优化出一组椭圆叶片Savonius阻力风轮,并使其与直线翼垂直轴风力机结合,保证风力机在低风速时能自起动的前提下,使风力机能够获取更大的功率系数。
  为改善垂直轴风力机性能,该研究主要针对阻力风轮净重叠比,阻力风轮轮廓压缩比和阻力风轮与直线翼垂直轴风力机相对夹角这三个参数进行研究。该文所采用研究方法为数值模拟计算和风洞实验。
  该文首先对阻力风轮净重叠比进行数值计算,根据相关文献和前期实验结果,选取0,0.1,0.175,0.2,0.3这5种净重叠比进行计算,选取最优计算结果,在此基础上对阻力风轮轮廓压缩比进行计算,参数设置9组,在0.8~1.6之间进行。通过两次计算,确定阻力风轮模型参数,并将该阻力风轮与直线翼垂直轴风力机以不同夹角结合(0°,30°,60°,90°,120°,150°),探究相对夹角对组合型垂直轴风力机功率系数的影响关系。
  为探究阻力风轮对风力机输出功率特性的影响,该研究在6 m/s,8 m/s和10 m/s三种风速下,对组合型垂直轴风力机和直线翼垂直轴风力机进行数值计算,并对风力机流场进行了分析,同时对风力机模型进行风洞实验,验证数值计算的可靠性。
  为探究阻力风轮对直线翼垂直轴风力机转速特性的影响,该研究选取4~10 m/s范围内的7组风速,对组合型垂直轴风力机和直线翼垂直轴风力机转速进行了测量,探究阻力风轮对直线翼垂直轴风力机起动时间和稳定转速的影响。
  为探究阻力风轮对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响,该研究在10 m/s风速下对组合型垂直轴风力机和直线翼垂直轴风力机的静力矩系数进行了数值计算,并对风力机流场进行了分析,同时对风力机模型进行风洞实验,验证数值计算的可靠性。
  通过数值计算和风洞实验研究,该文主要研究结果如下:
  (1)合理改变Savonius风轮的主要结构参数,可以有效提高组合型垂直轴风力机的动态输出特性和静态起动特性。该研究较优组合型垂直轴风力机结构参数如下:净重叠比OLn为0.2,阻力风轮轮廓压缩比k为1.4,阻力风轮与直线翼垂直轴风力机的相对夹角θ为0。
  (2)具有较优阻力风轮结构参数的组合型垂直轴风力机功率输出特性得到改善,稳定转速高并且起动性好,其在风速4 m/s时即可以实现自起动。
  (3)具有较优阻力风轮结构参数的组合型垂直轴风力机起动性能好,其平均静力矩系数较直线翼垂直轴风力机提升了158.6%。
  该研究验证了合理设置阻力风轮参数对组合型垂直轴风力机性能提升的有效性,为今后研究组合型垂直轴风力机阻力风轮参数提供了一个新的思路。
[硕士论文] 马契
控制科学与工程;控制工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:风能受到风速变化的影响,具有很大的随机性、间歇性和不可控性,因此,研究风速分布的概率、选择合适的风速概率分布模型、准确估计模型参数对风资源的合理利用有重大意义。
  本文围绕风速的概率分布模型和模型参数的估计算法来展开研究。作为一种常用的风速概率分布模型,两参数威布尔分布在概率密度较低的风速带的估计精度不高,因此,本文提出将三参数威布尔分布作为一种风速概率分布的新模型;运用灰色估计法、极大似然估计法、线性回归估计法和矩估计法对三参数威布尔分布的模型参数进行估计,比较四种算法在不同样本下的优劣,确定合适的算法。针对云南两个风电场不同季度的风速数据,将三参数威布尔分布作为当地风速概率分布的模型,运用上述四种算法对模型的参数进行估计,绘制风速概率分布拟合图,计算模型的拟合优度;针对两个风电场的全年风速的实测数据,分别将两参数威布尔分布和三参数威布尔分布作为当地风速概率分布的模型,估计出两种模型的参数,比较两种模型在不同风速带的估计精度;通过对两个风电场实测风速数据的验证,本文得到以下结论:1、当采用灰色估计法和极大似然估计法时,三参数威布尔分布拟合实测风速概率分布是合理的;2、在概率较低的风速带,三参数威布尔分布比两参数威布尔分布的估计精度更高,能更好地反映当地的风资源分布情况。
[硕士论文] 李建业
农业工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:垂直轴风力机具有无需对风装置、结构简单、易于维护、运行噪声低和安全性高等优点。根据其叶片做功方式不同可以分为升力型和阻力型两种。阻力型垂直轴风力机具有起动力矩大、起动风速低的优点,但存在转速低和风能利用率低的问题,而升力型垂直轴风力机则具有转速高和风能利用系数高的优势,但存在低风速下起动性差的问题。升阻复合型垂直轴风力机正是将这两者进行结合的一种新型风力机,具有较好起动性和较高风能利用率的特点。目前,很多学者通过数值计算和风洞实验的方法对垂直轴风力机的性能(起动性、风能利用率)进行了深入的研究,取得了一定的研究成果。然而对垂直轴风力机结构的研究较少,要想让使垂直轴风力机在现实生活中得到广泛应用,发挥其价值,还需要对其整机结构进行迸一步的研究。
  该研究以3 KW升阻复合型垂直轴风力机为研究对象进行了以下三部分的研究:
  (1)风力机结构设计。根据风力机的结构组成,将风力机分为风轮、机舱、塔架三部分进行设计。风轮部分的设计首先通过风力机空气动力学理论分析,选取了NACA0018作为升力型叶片翼型,其次对升力型和阻力型叶片的弦长、翼展、回转半径进行了设计计算。基于风轮气动参数设计结果,最后对横梁的结构截面选择和尺寸参数进行了设计。机舱的结构设计部分根据所设计风力机的结构和气动特性,选择了盘式永磁无铁芯发电机和电磁制动器。接下来对主轴的结构进行了设计,并完成了轴承的选型。塔架的设计对风力机的安全运行起着重要的作用。通过对钢混、桁架、钢筒塔架优缺点的分析,选择钢筒结构塔架作为3KW升阻复合型垂直轴风力机塔架。
  (2)风力机主要结构静动力学分析。首先分别对叶片、横梁、主轴、塔架在额定工况下的载荷进行计算,应用ANSYS有限元软件对其应力和位移大小进行计算求解,在此基础上进行结构的强度、刚度校核和改进设计。在静力学分析基础上对结构进行模态分析,计算结构的低阶固有频率和振型,分析结果表明,叶片、主轴和塔架的固有频率均小于其一阶固有频率,不会发生共振现象。对风力机的主要结构静动力学分析保障了风机的安全可靠运行。
  (3)制作样机和野外运行测试。基于理论分析结果,对所设计的风力机进行加工图纸的绘制和零部件的制作,完成风力机安装和调试工作。通过观测风力机在野外工作环境下的空转运行情况,发现该风力机能够在2 m/s的低风速下顺利起动,起动性能较好。在13 m/s的风速下,风力机运行正常,各零部件没有发生明显的变形和振动现象。
  该研究基于解析计算和有限元分析相结合的设计方法,对升阻复合型垂直轴风力机进行了设计和制作。样机野外运行实验研究表明理论计算结果与实际实验结果相符,该设计方法满足风力机的设计要求,为同类型风力机的设计提供了参考。
[硕士论文] 孙丰
动力工程 内蒙古工业大学 2017(学位年度)
摘要:从重力调速型风力机限速机构侧偏及回位机理角度出发,以力矩动态平衡为条件,采用Matlab编程软件优化选取出最优倾角组合并通过搭建车载实验平台进行实验验证,研究分析斜铰轴后倾角β'及侧倾角β"的变化对整机侧偏性能的影响,也将会为今后限速机构参数的进一步优化设计提供宝贵的经验。
  应用空气动力学及叶素理论,将风轮侧偏过程中叶片上的阻力及升力进行分解,推导出风轮侧偏力矩MP。考虑到风轮尾流对尾翼受力的影响,引入气流相对于尾翼平面上的攻角α,得到尾翼气动力Fv相对于斜铰轴的气动力矩Msv和偏转轴的气动力矩Mzv及尾翼重力回位力矩Mb。指出限速机构侧偏的研究重点在于侧偏时力矩之间动态平衡的过程。
  在β'≤β"及β'>β"倾角结构中选择4组倾角组合作为结构倾角初选数据,利用Matlab编程软件绘制出力矩Mp及Mb随风轮侧偏角度改变的变化曲线图,引入φ临界的概念,从力矩曲线变化趋势上初步判定β'>β"结构是可取的,可以保证重力调速型风力机在较大的风轮侧偏角范围内稳定运行。
  提出限速机构参数的选取原则,给定风力机本体结构初始重要设计尺寸:风轮前伸距离f为0.12m、偏心距ε为0.045m。联立公式Mp及Mb,推导出风轮前伸距离f、偏心距ε、后倾角β'、侧倾角β"与φ临界之间的关系为tanφ临界=F/ε=sinβ′sinβ″,可以得到最优侧偏工况下φ临界为69.44°。
  在β'>β"结构中,1°≤β'≤12°及1°≤β"≤12°范围内,将66组(β',β")倾角组合分别代入Matlab编程软件中依次求解不同倾角组合下的φ临界值,计算结果表明在(12,5)及(8,3)组合下,φ临界为67.26°及69.39°,较为接近最优侧偏工况下φ临界69.44°,故在β'>β"结构中已优化选取出(12,5)及(8,3)两组合理的倾角组合。
  通过搭建车载实验平台进行实验验证,实验数据表明:β'≤β"结构下,限速机构出现提前或滞后侧偏的状况,易造成风力机出现顺桨或飞车现象;β'>β"结构下,找到一组倾角组合为(12,5)使得功率较为接近额定功率,间接证明从侧偏机理公式角度出发,以力矩动态平衡为条件,寻找出优化结果的途径及方法是可靠的。
  为了探寻单独改变后倾角β'及侧倾角β"情况下对风力机侧偏及回位性能的影响,调节后倾角值为4°、6°、8°、10°、12°,侧倾角值为1°、2°、3°、4°、5°进行车载实验分析,结果表明:单独改变后倾角β'情况下,存在一个临界后倾角,使得在一定区域内,发生侧偏时所对应风速的大小随着后倾角β'的增大而增大,当超过临界后倾角后,而是随着后倾角β'的增大而减小。单独改变侧倾角β"情况下,侧偏时所对应风速的大小随着侧倾角β"的增大而增大,呈正相关关系;风力机稳定侧偏时的输出功率随着侧倾角β"的增大而增大,这是重力调速型风力机工作运行过程中的主要特征。
[硕士论文] 刘健
雷电科学与技术 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:风力发电因其清洁无污染、可永续利用等优点在近数十年得到蓬勃发展,这种快速发展也伴随着日益严重的雷电灾害威胁。风电机组容量和规模的不断扩大增加了机组遭受雷击的风险,而风机叶片是最容易遭受雷击并发生损坏的部件。长度的增加、新型材料的使用更是为现代大型风机叶片的防雷保护提出诸多新的挑战。因此需要详细研究风机叶片的雷击特性,诸如叶片落雷点分布规律和雷击后暂态特性等为叶片接闪器布置、防雷分区和绝缘配合提供参考。
  文章分析了风机叶片遭受雷击后的损坏形式和损坏机理,讨论了现有叶片防雷措施及其不足之处;通过对现有风力发电机年预计雷击次数计算公式存在问题的分析,讨论提出改进计算方法;基于二维闪电先导随机模式,建立简化风机模型,对闪电先导与风机的连接过程进行了模拟。根据多次模拟结果分析闪电和风机连接过程形态,统计闪击距离和最后一条距离的区间分布,研究风机叶片落雷点分布规律。利用ATP-EMTP搭建风机叶片模型,分别计算叶片内嵌引下线、电缆线和采用碳纤维层压板时的暂态过电压和内部电场强度。研究得到的主要结论如下:
  叶片遭受雷击后产生破坏主要由于雷电流热效应和机械效应作用。风机叶片的旋转可能导致的回击雷和“Swept stroke”现象、对风机电晕放电可能产生影响、叶片表面污染导致的沿面闪络等进一步增加了叶片防雷的难度。
  现有IEC关于风机年雷击次数公式无法考虑风机转动过程中最高点的变化,也无法给出具体上下行雷击次数。本文提出的改进计算方法考虑风机转动最高点的周期性变化和上行雷击事件,计算结果与实际观测数据较为接近。当风机安装在山体上时,需要用风机等效高度替代其结构高度。
  二维闪电先导随机模式能够较好反映闪电发展和风机叶片接闪过程。闪电与风机的连接形态呈现多样性特点。闪击距离和最后一跳的距离区间分布跨度较大,除90°情况外,其余7种最后一跳距离主要集中区间一致,与雷电流幅值相关。风机叶片落雷点主要集中在距叶尖4m以内的范围,占所有雷击总数的98.50%,这也与实际观测数据相吻合。风机叶片旋转角度对落雷点分布存在一定影响,总的趋势是随着旋转角度的增大,落雷点越往叶尖部位集中。
  叶片遭受雷击后,引下线承受电位降可达MV量级;内部电缆线感应产生的电流幅值较小,但其与引下线间电位差沿叶片纵向衰减,二者间电场强度达几千kV/m,极易产生内部电弧;引下线和碳纤维层压板在叶片尖端和根部相连方式下电位差和电场强度远小于仅在叶片根部相连方式,电场强度减小至几kV/m。当叶片内部敷设电缆线时,需要尽可能拉大引下线和电缆线间距离;采用碳纤维层压板时可在叶片尖端和根部将其与引下线相连。
[硕士论文] 周统汉
电气工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:改善能源组成布局,是减轻环境恶化、建设绿色经济的重要措施之一。减小火电等高污染的发电规模,发展清洁能源势在必行。而风具有清洁、易获取、容量大的特点,使风力发电成为最具商业化潜力的清洁能源发电技术之一。近年来,风电虽然整体已经从补充能源形式逐步发展到替代能源阶段,但是风速与大气环境以及地形地貌呈高度相关性,并伴随着较强的间歇性和不确定性特征,给电网供电的安全性和可靠性,造成了不可忽视的负面作用。对风电场风资源特性的分析以及准确评估,是优化这一问题的行之有效的方案之一。建立有效可靠的风电评估模型,不仅可应用于风功率预测、发电计划修正,也适用于旋转备用估计。因此,对风电场风能资源特性分析与评估,为含风电的电网可靠安全运行,减小风电并网带来的波动,提供了有效的方法与思路。
  本文考虑大范围风电并网对电网的可靠安全运行的影响,基于不同时间尺度与空间尺度风资源的特性分析,对风功率波动特征、风场集群并网对电网的影响以及风场数据采集与特性分析系统平台的设计实现做了深入探究,主要内容如下:
  (1)对风力发电技术和风资源特性基础知识进行了深度的文献研究,围绕影响风功率的因素,建立了完善的风资源特性评估参数体系。并针对四川某复杂地理环境的风场实测数据,包括风场平均风速、平均风向、大气压强、温度、空气湿度等数据,根据评估需求进行修正、去伪、补充、整理,为验证模型准确性做数据支撑,并分析了复杂地形地貌对风资源特性的影响。
  (2)运用概率统计思想,基于实测风场风功率数据,先绘制出了风功率波动概率密度函数直方图,后给出了几种可能的单一先验分布模型,并建立评价模型准确度的指标体系,仿真分析了各个单一模型的拟合情况,计算了模型的各个指标值。
  (3)针对风功率波动特征,首先基于先验分布的参数估计方法,提出风功率波动混合Laplace分布分析模型,推导证明了模型的具体表达形式,然后建立了评估模型准确度的参数指标集,最后结合(1)中实测风场数据,分析复杂地理环境下,多个时空分辨率的风功率波动对电网冲击影响,并仿真拟合了多时空分辨率下的风功率的波动,验证了模型具有较好的适用性。
  (4)根据风功率波动模型以及风电的出力特性,对风场监控系统进行了方案设计。并通过可视化手段,编程实现风场数据采集与特性分析系统平台。
[硕士论文] 侯战华
机械工程 内蒙古工业大学 2017(学位年度)
摘要:叶片作为风力机捕风的关键部件,受力异常复杂,其结构刚强度及稳定性是决定风力机组正常运行的关键。铺层参数决定叶片的结构性能,并且相互之间存在耦合作用。论文采用响应面法研究了铺层参数对风力机叶片性能的耦合影响,以获得使叶片性能达到最优的铺层参数优化组合,并进行应用验证。
  在阐述叶片结构铺层优化设计国内外研究现状的基础上,确定了论文的主要研究内容和所采用的技术路线。
  以铺层角度、0°铺层厚度比例和铺层顺序为自变量,叶片强度指标—Tsai-wu失效因子和刚度指标—最大位移 U为响应变量。依据一阶响应曲面设计原理,采用Minitab中的田口设计法设计试验方案,分析了叶片静强度和刚度;经多元线性回归分析分别建立了铺层参数与Tsai-wu失效因子、最大位移U间的映射关系,并进行了回归方程、各因素回归系数的显著性检验;结果表明:铺层参数对叶片强度、刚度的显著性影响大小均为:0°铺层厚度比例>铺层角度>铺层顺序,并且随着铺层角度及0°铺层厚度比例的增大,强度、刚度均提高。通过直观分析、方差分析、坐标分析得出了叶片性能较优的初步铺层参数取值区域。
  依据一阶响应曲面设计所得铺层参数的取值范围,依据二阶响应曲面设计原理,重新构建了铺层参数各自不同水平方案。采用Design-Expert8.0中Box-Behnken试验设计方法进行试验设计,仿真分析了叶片静强度和刚度;经多元线性回归分析分别建立了铺层参数与Tsai-wu失效因子、最大位移U间的二阶耦合映射关系,并对数学模型及各铺层参数系数进行了显著性检验;分析了单一铺层参数和铺层参数两两交互作用对叶片结构性能的影响,获得了叶片性能优化的铺层参数取值。结果表明:铺层参数对叶片强度、刚度的影响显著大小均为:0°铺层厚度比例>铺层角度>铺层顺序,铺层角度与0°铺层厚度比例之间的交互作用对强度有显著性耦合影响,其余交互项均对强度刚度没有明显耦合影响。最终优化可知:铺层角度为46°、0°铺层厚度比例为28%和铺层顺序为C1,叶片静态结构强度最优;铺层角度为44°、0°铺层厚度比例为20%和铺层顺序为C3,叶片静态结构刚度最优。
  通过分析铺层参数对叶片结构性能的耦合影响,为解决如何设计和实现纤维铺层,使叶片性能达到最优的问题提供了必要的参考价值。
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