风力发电塔系统整体建模与模态分析研究
风力发电系统的建模与仿真研究
风力发电系统的建模与仿真研究随着能源需求的不断增长和环境保护的日益严峻，可再生能源成为了当今世界发展的方向。
风力发电作为最为成熟和广泛应用的可再生能源之一，在全球范围内得到了广泛的应用。
而风力发电系统对于其稳定性和可靠性的要求也越来越高。
风力发电系统的建模与仿真研究在保证系统稳定性、提高系统可靠性及经济性等方面具有重要意义。
本文将从风力机、风向传感器和风能变换器三个方面进行建模仿真的研究。
一、风力机的建模仿真研究风力机是风力发电系统的核心设备，而风力机的建模仿真研究是保证整个系统稳定性的重要前提。
针对风力机由于受到风速和风向等因素的影响，风机旋转的角度和转速常常不稳定，特别容易引起风力发电系统的不稳定，进而降低其发电效率的问题，对风力机的建模仿真研究显得尤为重要。
在建模仿真研究中，我们可以将风力机抽象成一个多输入多输出的系统，即将风机的变化量分为输入变量和输出变量。
输入变量包括控制信号和外部干扰信号，控制信号可以通过PID控制器等方式对风机进行控制，外部干扰信号则主要来源于风速和风向。
输出变量包括风机的转速、角度、机械功率等。
针对以上输入和输出变量的建模，可以利用Transfer Function进行数学描述。
定位到风力机的转速控制系统，通过建立传递函数模型，以此进行仿真计算。
例如，我们可以建立风速测量系统的传递函数模型，利用控制器对系统进行控制，进而实现对风力机转速的控制。
二、风向传感器的建模仿真研究风向传感器是风力机中至关重要的一部分，因为它是风力机控制系统得以获得风向参数的基础。
风向传感器的准确度也直接决定了控制系统对风力机的稳定控制能力。
因此，对风向传感器的建模仿真研究同样非常重要。
在建模仿真研究中，我们可以将风向传感器抽象为一个测量盒子，通过对其进行数学建模，从而实现对风向的控制。
同时，我们还需要考虑传感器的误差和干扰问题。
针对这些问题，可以通过噪声模型等方式对风向传感器的建模进行修正。
风力发电系统中的建模与控制研究
风力发电系统中的建模与控制研究在当今的清洁能源发展领域中，风力发电系统的应用越来越广泛。
然而，风力发电系统的性能受到很多因素的影响，如风速、方向、风机的角度等，因此需要对其进行建模和控制。
本文将对风力发电系统的建模和控制进行详细介绍。
一、风力发电系统的建模风力发电系统的建模是指对其进行数学模型的建立，以便于对其进行分析和优化。
通常，风力发电系统可以分为两类：水平轴式和垂直轴式，两者的建模方法略有不同。
1.水平轴式风力发电机的建模水平轴式风力发电机的建模通常涉及以下几个方面的内容：(1) 风速建模：风速是风力发电机发电的重要参数，其建模一般采用韦伯分布模型或雷诺分布模型等。
(2) 风机建模：风机在发电过程中的旋转角度、转速等参数的建模，可以采用PID控制器或模糊控制器进行建模。
(3) 发电机建模：发电机的建模包括稳定性、转矩特性等方面的内容，可以采用dq坐标转换进行建模。
2.垂直轴式风力发电机的建模垂直轴式风力发电机的建模通常涉及以下几个方面的内容：(1) 风车叶片建模：风车叶片的建模通常包括气动特性等方面的内容，可以采用贝塞尔曲线、叶片离散化等方法进行建模。
(2) 风机建模：风机的建模同水平轴式风力发电机相似，通常采用PID控制器或模糊控制器进行建模。
(3) 发电机建模：同水平轴式风力发电机相类似，发电机的建模也可以采用dq坐标转换进行建模。
二、风力发电系统的控制风力发电系统的控制是指在对其进行建模的基础上，对风力发电系统进行控制，以优化其性能、提高其效率。
1.PID控制器PID控制器是风力发电系统控制中最常用的控制器之一，其可调性强、稳定性好，在控制精度和速度上表现良好。
2.模糊控制器模糊控制器则是一种更为高级的控制器，其利用模糊数学理论，将模糊变量通过模糊推理引擎转换为控制信号，从而实现对风力发电系统的控制。
3.滑模控制器滑模控制器则是一种更为高级的控制方法，其可实现对风力发电系统的精准跟踪和控制，是当前控制水平较高的控制方法之一。
风电机组建模与分析研究
风电机组建模与分析研究随着全球能源需求的不断增长，新型能源技术的研究和开发已成为各国的重点任务。
在此背景下，风电作为一种无污染、可再生、资源广泛、有利于节能和减排的新型能源，得到了广泛关注和大力发展。
风电机组是风力发电系统的核心部件，其出力特性的预测和建模是风力发电系统运行效率提高的重要手段。
本文将从风电机组的建模和分析两个方面进行探讨。
一、风电机组建模1.建模目的风电机组最为重要的建模目的是预测其出力，以指导风力发电系统的运行和调度。
预测出力需要使用风速的历史数据、气象预报数据等参数，通过数学模型计算出具体的出力值，为风力发电系统提供科学的运行策略。
此外，风电机组建模还可以用于揭示其运行机理，对风电技术进行改进和完善，提高其效率和可靠性。
2.建模方法目前，常用的风电机组建模方法主要有基于统计学的方法和基于物理学的方法两种。
基于统计学的方法需要收集历史风速数据，并采用回归分析等方法建立数学模型，以预测风电机组的出力。
其适用范围广泛，建模精度较高，但对风速数据的质量和采集时间要求较高。
基于物理学的方法则考虑风电机组内部变量的相互作用，采用数学建模来模拟其内部运行机理。
其精度较高，可以用来优化风电机组的设计和控制策略，但建模时间和难度较高。
3.常见建模参数风电机组建模需要考虑的参数较多，主要包括：机组容量、切入风速、切出风速、最大出力和风速输出模型等。
（1）机组容量机组容量是指风电机组在标准工况下的额定输出功率。
在建模初期，需要明确机组容量，以确定模型建立的方向和方法。
（2）切入风速和切出风速切入风速是指风力发电机组开始转动的最小风速，而切出风速是指风力发电机组停止转动的最大风速。
在建模中，精确确定切入风速和切出风速是十分重要的，这将直接影响到风力发电系统的收益和安全运行。
（3）最大出力最大出力是指风力发电机组在额定工况下的最大输出功率。
建模时需要首先确定风力发电机组的最大输出功率，并将其作为模型设计的依据，以预测其出力。
风力发电机组系统建模与仿真研究
风力发电机组系统建模与仿真研究一、本文概述随着全球能源结构的转型和可再生能源的大力发展，风力发电作为清洁、可再生的能源形式，已在全球范围内得到了广泛的应用。
风力发电机组系统作为风力发电的核心设备，其性能优化与稳定运行对于提高风力发电效率、降低运营成本以及推动风力发电行业的可持续发展具有重要意义。
因此，对风力发电机组系统进行建模与仿真研究，不仅可以深入理解其运行机制和性能特性，还可以为风力发电机组的优化设计、故障诊断以及控制策略制定提供理论支持和决策依据。
本文旨在探讨风力发电机组系统的建模与仿真方法，分析现有建模技术的优缺点，并提出一种更加精确、高效的风力发电机组系统仿真模型。
文章首先介绍了风力发电机组系统的基本组成和工作原理，然后详细阐述了风力发电机组系统建模的基本框架和关键技术，包括风力机模型、传动链模型、发电机模型以及控制系统模型等。
在此基础上，文章重点分析了风力发电机组系统仿真研究的应用场景和实用价值，如性能评估、故障诊断、控制策略优化等。
通过本文的研究，期望能够为风力发电机组系统的建模与仿真提供一套完整的理论体系和实践方法，为风力发电行业的技术进步和可持续发展贡献力量。
也希望本文的研究成果能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、风力发电机组系统基础知识风力发电机组是一种利用风能转换为电能的装置，它主要由风力机（风轮）、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
风力发电机组的发电原理是利用风力机将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。
风力发电机组的核心部分是风力机和发电机，风力机负责捕获风能并转化为旋转动能，发电机则将这种旋转动能转化为电能。
风力发电机组的关键参数包括风轮直径、风轮转速、额定功率、切入风速、切出风速等。
其中，额定功率是指风力发电机组在标准风况下（一般为风速为12m/s）能够输出的最大功率。
切入风速和切出风速则分别定义了风力发电机组开始工作和停止工作的风速范围。
电力系统中的风能发电装置建模与仿真研究
电力系统中的风能发电装置建模与仿真研究随着全球对清洁能源的需求不断增长，风能作为一种可再生能源备受瞩目。
风能发电装置的建模和仿真研究对于设计高效可靠的风能发电系统具有重要意义。
本文将对电力系统中的风能发电装置进行建模与仿真研究，以探讨其工作原理、性能优化和系统集成等方面的问题。
一、风能发电装置的工作原理风能发电装置是将风能转换为电能的装置，其工作原理主要包括风能捕捉、转换和电能输出三个环节。
1.1 风能捕捉风能发电装置通常包括风轮、主轴和发电机等组成部分。
风轮作为捕捉风能的关键元件，通过叶片的转动将风能转换为机械能。
风轮的设计参数如叶片的形状、数量、长度等，会直接影响到风能的捕捉效率。
1.2 转换机构转换机构主要包括主轴和传动装置。
主轴将风轮的转动转化为高速旋转的轴转动，传动装置将高速轴转动转换为适合发电机工作的低速轴转动。
转换机构的设计参数如轴的直径、结构以及传动装置的传递效率等，会影响到整个装置的转换效率。
1.3 电能输出电能输出环节最主要的是发电机的工作。
发电机通过将机械能转化为电能，并在输出电路中产生恒定的电压和电流。
发电机的设计参数如线圈的匝数、气隙的大小等，会影响到发电机的转换效率和输出电能的质量。
二、风能发电装置的性能优化在建模和仿真研究的过程中，风能发电装置的性能优化是一个重要的研究方向。
主要包括改善风能捕捉效率、提高转换效率和优化电能输出质量等方面。
2.1 改善风能捕捉效率风能捕捉效率是风能发电装置性能的关键指标之一。
提高风能捕捉效率可以通过多种途径实现，例如优化叶片的形状和数量、改进风轮的结构等。
利用CFD（Computational Fluid Dynamics）等数值仿真工具，可以对不同叶片和风轮结构进行模拟和分析，以确定最佳设计方案。
2.2 提高转换效率转换效率是指将风能转换为电能的效率，主要与转换机构的设计密切相关。
可以通过优化主轴和传动装置的设计，减小传递过程中的能量损耗，提高转换效率。
基于solidworks和ansysworkbench软件的风电机组钢塔筒建模与模态分析
基于SolidWorks和ANSYS Workbench软件的风电机组钢塔筒建模与模态分析文 | 丁宇楠，石川，祝磊塔架是风力发电机组的主要承载部件，它将发电机组支撑到其所需要的高度，因此，塔架的稳定性和安全性是一台风电机组能否安全正常工作的关键。
常用的风电塔架有桁架型和圆筒形两种，其中钢制圆筒形塔架以其便捷的安装方式和相对低廉的造价成为现代风力发电机组最常用的塔架形式之一。
然而一个完整的塔架通常由几十节长度不等、直径不等的塔筒组合而成，由于数量繁多且尺寸不同，这些塔筒的精确几何建模往往费时费力。
大多数情况下，建模人员会将几十节塔筒简化为3至5节塔筒，每节塔筒厚度取等厚或简单线性变化，再利用壳单元或杆单元完成模型的建立，但使用该方法建立的模型比较粗糙，与塔筒的实际尺寸相比有较大出入。
本文借助SolidWorks 三维建模软件，通过软件自带的设计表功能快速建立塔筒的精确几何模型。
通过设计表的方式，大大减少建模的工作量，缩短建模时间。
再利用SolidWorks 软件与ANSYS Workbench 软件的接口功能，将几何模型顺利导入Workbench 中进行有限元分析，进而完成从建模到有限元计算的完整结构分析过程。
设计表建模SolidWorks 软件是一款基于Windows 系统开发的三维CAD 建模系统，拥有功能强大而操作简单的特点，是最容易学习掌握的三维建模软件之一。
SolidWorks 包含的设计表通过在嵌入的 Microsoft Excel 工作表中指定参数来建构多个不同配置的零件或装配体。
通过设计表功能，设计人员可以更加快速有效地建立具有相同基体形状但尺寸各异的一系列零件，从而避免了对每个零件分别建模的繁琐过程。
通过设计表，设计人员可以批量生成模型，而不必具备利用二次开发方法批量建模所需的编程能力。
一、建模流程概述要使用设计表功能，首先要绘出模型的基本设计草图，然后指定草图中的关键几何参数，生成单个模型，再插入设计表，最终得到一系列模型零件。
风力发电系统的建模与仿真研究
风力发电系统的建模与仿真研究近年来，由于对可再生能源的需求不断增加，风力发电成为了一种备受关注的清洁能源选择。
为了确保风力发电系统的高效性和可靠性，建立一个准确的模型并进行仿真研究非常重要。
本文将介绍风力发电系统的建模与仿真研究的背景、方法和结果。
背景风力发电是利用风能将风速转化为机械能的过程，然后通过发电机将机械能转化为电能。
风力发电系统由风机、发电机、变频器、电网等组成。
为了提高风力发电的效率和可靠性，我们需要建立一个准确的模型来研究系统的各个方面。
方法首先，我们需要获取风速数据，可以通过气象站或者其他可靠来源获取。
然后，利用获取的风速数据，我们可以确定系统的主要参数，如风机的切入风速、额定风速和切出风速等。
接下来，我们可以使用Matlab、Simulink或其他仿真软件来建立风力发电系统的数学模型。
在建立模型时，需要考虑以下几个因素：1. 风机特性：风机的性能曲线可以很好地描述风机在不同风速下的输出特性。
通过将风速作为输入，我们可以根据性能曲线确定风机的输出功率。
2. 发电机特性：发电机的特性包括额定功率、转速和效率等。
我们可以将风机输出的机械功率转化为发电机的输出电功率。
3. 变频器控制：为了确保风力发电系统的稳定运行，我们需要利用变频器对发电机的输出进行调节。
通过调整变频器的控制参数，我们可以使系统在不同的工况下都能够正常运行。
4. 电网连接：将风力发电系统与电网连接起来是非常重要的。
我们需要研究系统的接口特性，确保系统与电网的匹配，并进行功率平衡控制。
通过建立风力发电系统的数学模型，我们可以进行系统的仿真研究，验证系统设计的合理性，并优化系统的性能。
结果通过对风力发电系统的建模与仿真研究，我们可以得到以下结果：1. 系统效率：我们可以评估系统的效率，并找出影响系统效率的主要因素。
根据仿真结果，我们可以对系统进行优化，提高发电效率。
2. 系统稳定性：通过仿真，我们可以研究系统在不同工况下的稳定性。
风力发电系统的建模与性能分析
风力发电系统的建模与性能分析简介：随着对清洁能源的需求增加，风力发电作为一种可持续发展的能源形式受到了广泛关注。
风力发电系统的建模与性能分析对于优化系统运行、提高发电效率至关重要。
本文将探讨风力发电系统的建模方法和性能分析技术，以期对该领域的研究和应用有所启发。
一、风力发电系统的建模风力发电系统主要由风机、传动系统和发电机组成。
建立准确的系统模型对于系统设计和优化以及性能分析至关重要。
以下是风力发电系统的建模方法：1. 风机模型：风机通常采用叶片受力分析和机械转动建模，并考虑风速和风向的影响。
在建模过程中，需要考虑叶片的气动特性和动力学行为，以及风速的变化和风向的偏差对整个系统的影响。
2. 传动系统模型：传动系统将风机的机械能转化为发电机的电能。
传动系统的建模通常采用机械传动原理，考虑摩擦、转距和效率等因素。
此外，传动系统的惯性也需要纳入考虑，以评估系统的动态响应。
3. 发电机模型：发电机是将机械能转化为电能的核心组件。
发电机的模型通常基于电磁理论和电机设计原理，考虑磁场分布、线圈特性和转速等因素。
在建模过程中，需要考虑磁场饱和、铁磁损耗和电磁振荡等非线性特性。
二、风力发电系统的性能分析风力发电系统的性能分析旨在评估系统的电能产出和运行稳定性，以便优化发电系统的设计和运行策略。
以下是常见的性能分析技术：1. 功率曲线分析：通过绘制风速-发电功率曲线，可以评估发电机在不同风速下的响应。
该曲线可以帮助确定风速范围内的最佳转速，并为系统调度和运行策略提供依据。
2. 发电系统效率分析：发电系统效率是评估系统能量转化效率的重要指标。
通过分析传动损耗、发电机效率和整个系统的综合效率，可以确定系统的能量损失和改进潜力。
3. 风力资源评估：风力资源的评估对于风力发电系统的选址和系统容量的确定至关重要。
通过收集历史风速数据和进行统计分析，可以评估特定地点的风能潜力和风能密度。
4. 可靠性分析：可靠性分析旨在评估系统的可靠性和发电能力，以确定系统的可用性和维护需求。
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风 力发 电塔 系 统 整体 建 模 与 模 态 分 析 研 究
马 跃 强
（ 同济 大 学 土 木工 程 学 院 ， 海 上 ２ ０９ ） ０ ０ ２
摘 要 ： 了判 断风 力发 电塔 系统 是 否 能避 开共 振 ， 对 其进 行 模 态分 析 。提 出 了考 虑 “ 为 需 桨
叶一 轮 毂一 机 舱一 塔 筒 ” 合 的整 体建 模 的 方 法 ， 用 于 风 力发 电塔 系统 模 态的 计 算 。分 别 进 耦 可 行 了停机 阶段 、 行 阶段 和切 出阶段 的模 态分析 ， 比其 频 率和 固有振 型 。对 比结果 表 明 ： 个 运 对 三 阶段 的频率基 本 相 同 ， 须验 算停 机 状 态 下 的频 率 满 足 规 范 即 可 ； 筒 的振 动 形 式主 要 为 侧 向 只 塔 弯曲振 动 、 后 弯 曲振 动 和扭 转振 动 ； 前 桨叶在 前 十阶 的振 动 形 式 主要 为挥 舞 振 动 和摆 振 ， 三 桨 且 叶振 动存 在 一 定的规律 ； 对 于停机 阶段 ， 行 阶段 时振 型基 本相 同 ， 出阶段 时振 型有 较 大差 相 运 切
现桨 叶的旋 转效 应 ， 叶与塔筒 之 间相 互 作 用 的不 确 定 性 也 可 能带 来 经 济 上 的 浪 费或 者 安 全 上 的 隐 患 ， 桨 其 合理 性有 待进 一步 研究 。ＭＵ Ｔ Ｇ Ｒ Ａ Ｈ等 提 出 了一 种基 于 剪 力 传递 的桨 叶 和塔 筒 的耦 合 机制 ， 然 考 虑 虽
桨 叶旋 转效应 和 桨 ｎ／ ｆ 塔筒 耦合 机制 ， 用于 风力 发 电塔 系统模 态 的计算 。 可 风 力发 电塔 系统 的模态 与 风力 发 电机 运行 状 态 休戚 相 关 ， 与一 般 建 筑 结 构 不 同之 处 ， 进 行模 态 这 故
分 析时必 须 了解风 力发 电机 运行 全 过 程 的模 态 情 况 Ｊ 。对 内蒙 古京 能 乌 兰 伊利 更 项 目风 力 发 电 机进 行 了停 机 阶段 、 行 阶段 和切 出 阶段 的模 态分 析 ， 比了三个 阶段 风力 发 电塔 系 统 的频 率 和振 型 ， 到 一些 运 对 得
异。
关键 词 ： 力发 电塔 系统 ； 风 共振 ； 整体 建模 ； 态分析 模
中图分类 号 ：Ｕ ７ ． 文献 标 识码 ： Ｔ ２９ ７ Ａ 文章 编 号 ： ０ ５— ３ ３ ２ １ ）４— ０ １ ０ ２ ９ ０ ７ （０ ０ ０ ０ ２ — ５
随着 人们 对能 源 和环境 问题 的关 注 ， 风力 发 电技术 得 到迅 速 发 展 ， 国风 能 资源 丰 富 ， 巨大 发 展潜 我 有
有 益的结 论 。
１ 风 力 发 电塔 系统 的 整体 建模
１ １ 整体 建模 方案 ．
整 体建 模 时 ， 不仅 要 对风力 发 电塔 系 统进 行 一 些 简化 处 理 ， 要 考 虑 塔 顶 上 方 机 舱 和 轮毂 总 质 量 及 还 转动惯 量 、 叶的合 理化 建模 、 桨 构件 之 间 的耦 合方 法 以及单 元类 型 的选 择 。
力 。 目前 ， 瓦大 型风力 发 电机得 到 越来 越 广 泛 的应 用 ， 兆 大型 风 机 具 有 转 动 惯 量 大 ， 作 风 速 范 围广 泛 ， 工
桨 叶和塔 筒柔性 较 大等 特点 … ， 了风 力 发 电机 的安 全 性 ， 力 发 电机 就 需 要 具 有 良好 的动 态 特 性 。模 为 风 态分 析用 于分 析结 构 固有 特 性 ， 即确 定 频 率 和结 构 的 固有 振 型 。通 过 对 风 力 发 电塔 系 统进 行 模 态 分 析 ，
桨 叶和 塔筒 之 间的耦合 Ｊ但 忽 略 了两 者 之 问弯 矩 、 矩 和轴 力 的传 递 。依 据 风力 发 电塔 系统 主 要 构 件 ， 扭 的特点 ， 并在 已有 模 型的基 础上 ， 出 了考虑 “ 叶一轮 毂一 机舱 一 塔筒 ” 提 桨 耦合 的整 体建 模 的方法 ， 现 了 体
２卷 第４ ３ 期
石 家庄铁 道 大 学 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｖ ．３ ｏ 。２ ． １ Ｎ ４
２１年１月 ＪＵＮ Ｌ Ｆ Ｈ Ｉ Ｈ ＡＧＴ Ｄ ＯＵＩ ＲＩ ＮＴＲＬ Ｃ ＮＥ ０ ０ ２ Ｏ ＲＡ ＩＡ Ｕ Ｎ ＥＡ Ｎ Ｅ Ｓ Ｙ（ＡＵＡ Ｉ Ｃ ） Ｄｃ２１ Ｏ Ｓ ＪＺ Ｉ Ｖ Ｔ ＳＥ ｅ ０ ． ０
收稿 日期 ：００— ６—３ ２ １ ０ ２
作者 简介 ： 马跃强
男
１８ ９ ２年出生
博士研究生
２ ２
石家庄 铁道 大 学学报 （自然 科 学版 ）
第２ ３卷
（） １ 塔筒建 模 。大 中型水 平轴 风力 发 电机 塔 筒 主要 用 于支 撑 桨 叶 和机 舱 ， 为 圆筒 型 或 锥筒 型 的结 多
构 ， 略法 兰连接 ， 忽 可认 为塔 筒 是 连 续 的变 截 面 壳 体 。根 据 其 几 何 主 要 受 力 特 性 ， 采 用 板 单 元 或壳 单 可 元， 由于壳单 元 除 了弯 曲变 形还有 中面 变形 ， 而且 壳体 的弯 曲 内力 和 中面 内力相 互 联 系 、 互 影 响 ， 板 相 但 单 元 的变形 只为 弯 曲变 形 ， 因此 ， 塔筒 采用 壳单元 Ｓ Ｅ Ｌ ８ 为合理 。 Ｈ Ｌ １１最
以了解 它 的动态 特性 ， 而 可 以判断 风 力发 电塔 系 统 固有频 率 是否 避 开 了桨 叶旋 转频 率或 者 穿越 频 率一 从 定 的范 围 Ｊ 即是 否 能避 开共 振 ， ， 因此对 于风 力发 电塔 系 统模 态分 析 的研 究 件 有 桨叶 、 轮毂 、 舱和 塔筒 ， 们 之 间 的耦合 作 用 对塔 筒 的模 态 分 析有 很 大 机 它 的影 响 ， 虑耦合 能更 为 准确 的反 映 系统 的动态 特性 。但 目前 风力 发 电塔 系统 有 限元 模 型 多采 用将 桨 叶 考 和机舱 凝 聚成塔 顶 的质量 块 的简化 处 理 方 法 』此 方 法无 法 准 确 体 现桨 叶与 塔 筒 的耦 合 机 制 ， 无 法 体 ， 也