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[硕士论文] 袁一平
流体机械及工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:风力机实际运行时多处于湍流之中,湍流的存在将对风力机气动性能产生显著影响。风力机叶片是由无数翼型截面组合而成的,因此对湍流中风力机翼型气动特性的研究具有十分重要的意义。
  本文采用Fluent计算软件,选择大涡模拟(LES)计算方法对同济大学6×5×05型格栅流场进行数值计算,将计算结果与试验数据进行对比,验证计算方法可行性。结果毒明,格栅湍流场的湍流强度分布情况吻合较好,该计算方法适用于对格栅湍流场的预测。基于该方法对扬州大学4×8×03型格栅流场进行预测,计算结果表明,在距离格栅1~2m位置处可以获得大约8%~10%的湍流强度,符合湍流工况翼型试验要求。
  在风洞中采用热线风速仪对五种不同形式的格栅流场进行试验研究。结果表明,风速对格栅流场湍流强度和积分尺度的影响很小,流场中湍流强度是随距离的增大而变小,湍流积分尺度变化趋势与之相反;当格栅栅条间距变化时湍流强度变化较小,栅条宽度变宽时会使湍流强度和积分尺度显著增加,加装横向栅条会使湍流强度增大积分尺度减小。从湍流功率谱密度角度对典型格栅流场进行分析发现,风洞实测功率谱与Karman谱吻合较好,湍流功率谱密度随着格栅距离的增加而变小,随着湍流强度和来流风速的增大而变大,不同方向脉动风功率谱特性变化规律相同。
  在风洞中对DTU-LN221翼型进行不同湍流工况的气动特性试验研究。研究结果表明,湍流强度小于0.5%时,雷诺数从5.0×105变化到1.4×106,升力系数变化很小,阻力系数逐渐减小,导致最大升阻比随着雷诺数增大而增大;在湍流强度大于9%时,雷诺数对翼型气动性能影响很小。对比不同湍流工况翼型气动特性发现,在湍流强度大于9%时翼型的失速攻角从12.4°推迟至17.4°,升力系数有明显提升,在湍流强度为19%时最大升力系数高达1.953;阻力系数也随着湍流强度的增大而增大,力矩系数与之相反,升阻比在主要攻角区随着湍流强度的增大而显著下降。通过对湍流强度相近,湍流积分尺度相差较大的工况比较发现,来流湍流的积分尺度越大,最大升力系数越大,阻力系数也变大,而升阻比变小。翼型升力系数的脉动随攻角的增大而增大,在失速区最为明显。综合而言,翼型气动性能会在高湍流强度大积分尺度来流工况显著降低。从翼型表面压力系数分布来看,湍流对翼型气动特性的影响主要归因于湍流改变了翼型表面的流动状态,推迟了流动分离的发生。
[硕士论文] 杨宏宇
动力工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:风能是因空气流做功而提供给人类的一种可再生能源,取之不尽,用之不竭,而且绿色无污染。化石能源的枯竭以及环保意识的提高使得大力发展风电被写入了中国十三五规划当中。虽然目前水平轴风力机的研究更为普遍,但垂直轴风力机以其独特的优势,如:噪音低,结构简单,任意风向发电等引起了学者关注。提高垂直轴风力机的风能利用率成为研究的重点。
  本文采用CFD技术,以螺旋型垂直轴风轮为研究对象,分析增加叶尖小翼对气动性能的影响,得出小翼提高风能利用率的特性。本文首先对风力机的基本理论和空气动力学理论进行研究,为后续数值模拟计算奠定理论基础。构建叶尖小翼和螺旋型风力机的三维模型,分别在不同工况下对有无小翼风轮进行对比,研究其风能利用率和压力场的变化趋势;在单因素试验研究基础上,对带不同参数小翼的风轮进行对比,确定小翼的最优参数。
  本文为研究添加叶尖小翼对螺旋型垂直轴风力机气动性能的影响提供了有效的参考方法,所得结果对于带小翼风力机叶片的设计和叶尖小翼实际应用研究具有重要的参考价值和实际工程意义。
[硕士论文] 王珂
机械工程 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:风力机轴承故障信号通常含有多种组分,如噪声、谐波、冲击、调制等,影响着轴承的故障特征提取效果。压缩感知理论能够利用信号的稀疏性,通过控制稀疏度来实现信号的不完全重构,从而降低噪声及无关信息的影响。基于此,本文提出了一种基于压缩感知的故障特征提取方法,并针对其产生的问题对算法结构进行了优化,最后将该优化算法扩展到了多通道领域。围绕所提出的方法及其在风力机故障诊断中的应用研究,本论文的主要研究内容及取得的成果如下:
  (1)首先研究了压缩感知的基础理论,并将其与包络解调技术结合,提出了基于压缩感知的故障特征提取方法。该方法通过对原信号的包络信号以稀疏度K=2进行不完全重构,来直接提取故障特征信息。最后将该方法应用于仿真信号和实测的风力机轴承信号的故障诊断,验证了所提方法的有效性。
  (2)针对上述方法受滤波频率设置影响较大的问题,提出了结构优化的子空间追踪(Structurally Optimized Subspace Pursuit,SOSP)算法。该算法通过引用自适应过完备字典,加强了对信号主要信息的稀疏表示。同时,用相关分析代替内积运算实现结构优化,提高了算法的重构精度。综合以上优势,所提优化算法在滤波频率设置精度不高的情况下,也能成功提取故障特征。最后通过对实测信号的应用研究,证明了优化算法的可行性。
  (3)在多传感信息融合技术迅猛发展的背景下,为了能充分利用多通道信号间的共同特征,以增强故障诊断结果的可靠性,提出了多元优化子空间追踪(Multivariate Optimized Subspace Pursuit,MOSP)算法。该算法将多元相关分析模型引入到多元压缩感知理论中,通过搜寻与所有信号相关度最高的原子,实现多通道信号的整体重构,来增加故障特征提取的成功率。最后,以仿真信号和实测的风力机轴承信号作为处理对象,将MOSP算法与传统的同步正交匹配追踪算法进行对比,验证了MOSP算法的有效性和优越性。
[硕士论文] 白文彬
动力工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:随着世界性能源危机日益加剧,环境污染日益严重,可再生能源的开发和利用将成为未来各国的大力发展对象。风能作为一种清洁可再生能源,虽然已有长久的发展,但势头依旧强劲。风力机经常工作在不稳定的大气环境中,变化的载荷和柔性结构会产生强烈的耦合作用,叶片和塔架不可避免的会产生变形与振动,可能会出现变形过大,振动失稳甚至疲劳破坏。而且现实的来流会受到大气边界层和塔架的作用,使得风力机的气动性能偏离原有的设计点,导致功率下降,载荷剧变等不利情况,对风力机正常安全运行产生影响。因此,采用流固耦合的方法对风力机整机在风切变条件下的气动性能,变形应力情况以及模态进行研究是十分具有现实意义的。
  本文以NREL5MW风力机为研究对象,计算了不同网格,不同风速下风力机的气动性能,并与文献中的设计值对比,验证了流场模型的正确性。又通过对比模拟出的自由模态和文献中的振型、振频,验证了结构建模的可行性。对风力机进行了额定风速下的单向流固耦合计算,结果表明随着叶片展向高度的增加,压力面和吸力面的压差逐渐增大,整个风力机变形明显,最高叶尖处位移最大。塔架中下段,叶片展向三分之二处均为应力集中区,应注意这些部分的材料强度问题。
  为了研究风切变和塔影效应对风力机工作的影响,使用UDF编写了入口的风切变边界条件,对均匀来流风轮模型,均匀来流整机模型,切变来流风轮模型,切变来流整机模型进行了对比研究。发现风切变会降低风力机平均推力和功率,分别为3.2%和2.8%,塔影效应会使风力机在一个旋转周期出现3次明显压力脉冲,激励振动。二者相互影响,使风力机平均功率更低,但风切变对塔影效应产生的压力脉冲在一定程度上有着缓解作用。风切变条件下风力机各部位由于变形产生的位移以及受到的最大应力均小于均匀来流,说明风切变不会增加风力机的载荷负担。又通过对静止无风、旋转无风、旋转均匀来流、旋转切变来流四种条件下风力机的模态分析发现,添加来流载荷后风力机振动频率较不添加载荷时要小,其中均匀来流减小程度较大,但都不明显。风轮的旋转会增大结构刚度,使得振频增大。以上4种模型的低阶模态振频均避开了共振区,故不会发生共振现象。
[硕士论文] 侯志波
建筑与土木工程 西安工业大学 2018(学位年度)
摘要:21世纪以来,随着社会不断地进步发展,传统的非可再生能源污染十分严重以及过度的消耗,使得能源问题成为了当今社会发展不可忽略的问题之一。风能作为一种清洁、可再生的能源又出现在人们面前,而且在我国的西北地区以及沿海区域有着十分丰富的风能资源。利用风能发电的同时,风力机叶片遭受到风荷载的严重威胁,例如,汕尾风电场、红海湾风电场、苍南风电场等,如何有效避免叶片破坏和延长风力机的使用寿命成为了关键问题。故而,减少叶片的振动成为了研究的重要课题。传统的被动控制技术对于风力机叶片来说,虽然利用起来简单方便但是控制效果并不是很好,存在着一定的缺点。主动控制技术可以起到很好的控制效果,但需要很大的外部输入能量和实时的控制。故此,在主动控制技术基础上又提出了半主动控制策略,仅仅需要少部分得外部输入能量,也兼得被动控制技术的优势性,就可以起到近似于主动控制技术的控制效果。采用新型电磁惯性质量阻尼器(EIMD)作为半主动控制器,其优势在于简单便捷、体积小、输出控制力大等。随着控制技术的快速发展,如何保证控制系统取得良好的稳定性又提出了进一步的要求,滑模变结构在结构控制中得到了广泛的应用和发展,但这种方法的抖动问题也十分严重。然而为了解决这个问题,在此方法的基础上采用了控制器设计来解决这类问题。
  本文以NREL-5MW风力机组为算例,通过仿真试验验证了本文所提出的控制方法的有效性,完成的主要工作和成果如下:
  1)针对EIMD阻尼器的进行了参数选取,也详细介绍了该阻尼器的力学性能,得到了终端阻尼值与阻尼力的相关关系;
  2)利用Pro/E软件和ANSYS分析软件分别进行三维叶片结构模型和振型分析,仿真结果表明平面内和平面外振动是主要的振动形式,故本文主要对平面内振动进行研究分析;
  3)在风荷载Davenport和Kaimal作用下,对风力机叶片通过MATLAB语言编程软件进行未受控制、LQR主动控制和半主动控制策略时程响应分析,仿真结果表明,叶片在LQR主动控制下位移时程响应峰值比未受控制有较大的降低,在半主动控制下位移时程响应峰值是接近于LQR主动控制的效果,体现出了LQR主动控制有较好的控制效果以及半主动控制策略的有效性和可行性;
  4)由于风力机叶片结构参数的不确定性因素,采用了准滑模控制技术,其是基于含饱和函数的指数趋近控制器设计的滑模变结构,也提出了相应的半主动控制策略,仿真结果表明,准滑模控制技术的控制效果对比未受控制有明显的位移时程响应峰值的降低,在半主动控制下位移时程响应峰值也是接近于准滑模控制的效果。选择降低叶片结构刚度为原来的80%,来验证准滑模控制算法的鲁棒性,仿真结果表明,该控制方法控制效果与原结构控制效果很接近,体现出该控制方法有较强的鲁棒性。
[硕士论文] 白玥
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:海上风资源丰富、利用小时数高,已经成为了未来风电发展的主导方向。叶片是风力机的核心部件,叶片外形设计对改善风力机的发电效率起着决定性作用,叶片外形设计涉及到空气动力学、结构动力学以及多参数优化等多个学科。对于海上漂浮式风力机,波浪将导致浮式风力机基础平台运动,并引起风轮的相对风速发生变化,相应地风轮的气动性能也发生变化;另一方面,安装于不同海域的海上浮式风力机,其叶片的设计需要考虑站址的海况。因此,研究适合于不同海况的风轮叶片及其设计方法具有重要的理论和实际意义。
  首先,介绍了海上风力机发展现状,着重介绍了海上漂浮式风力机系统技术和海上风力机流体动力理论研究现状;简要概述了风力机气动力基础理论、风轮几何参数、风力机性能参数、叶素动量理论和波浪理论。
  其次,引入美国国家能源实验室开发的风力机仿真计算软件FAST,以NREL5MW_OC3Hywind作为漂浮式风力机的优化设计母型,给出了漂浮式海上风力机性能计算的主要输入参数,基于FAST软件建立了风力机-浮式基础-锚泊系统的时域计算模型。
  然后,在阐述粒子群算法的原理及实现过程的基础上,基于粒子群算法编写了风力机叶片优化程序;为了实现风力机叶片优化程序与FAST软件之间的交互,对FAST软件进行二次开发,利用FAST的Matlab Simulation接口,把FAST嵌入到风力机叶片优化程序中,以发电机输出功率最大为优化目标,实现对风力机叶片气动外形的自动寻优。为了验证优化设计程序的可行性,以固定式风力机NREL5MW作为优化母型,选取低风速(6m/s)和额定风速(11.4m/s)两种工况进行计算,结果表明,在低风速(6m/s)情况下,经过优化后风力机的功率提高1.5%。
  最后,对SPAR型漂浮式风力机在波浪作用下摇晃运动引起的气动性能变化进行研究,通过研究归纳计算结果得到了流波浪对于风力机气动性能的影响规律。以NREL5MW_OC3Hywind作为母型,选取3种典型海况,进行适应于该海况条件下的风力机叶片优化设计,取得了叶片的扭角分布和弦长分布,结果表明:输出功率比母型提高约1%-2%,优化结果令人满意,同时验证了本文给出的海上风力机叶片优化方法和程序的有效性性。本文的研究结果为今后开展海上漂浮式风力机叶片设计提供了一定经验。
[硕士论文] 白雪剑
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) 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着风力发电技术的发展,为了更大程度获取风能,风力机的单机功率和叶片尺寸不断增加。然而,风力机的这种大型化发展加剧了风力机的疲劳载荷和极限载荷,这不仅增加了风力机的制造成本和后期维护费用,而且增大了风力机的控制难度。本文主要着眼于带尾缘襟翼的智能叶片风力机建模及控制研究,论文的主要工作和研究成果概括为以下三个方面:
  (1)尾缘襟翼结构参数不同会对风力机的气动性能产生很大的影响,因此,在进行智能叶片风力机前,首先需要确定最优的尾缘襟翼结构参数。针对这一问题,本文以NREL5MW参考风力机为研究对象,对FAST代码进行二次开发,在Matlab/Simulink搭建了带尾缘襟翼的FAST气弹仿真平台。然后,在11.4m/s稳定风下,综合考虑尾缘襟翼长度、占弦比以及位置等结构参数对风力机载荷抑制以及功率捕获的影响,提出了基于正交设计的大型智能叶片风力机尾缘襟翼结构参数优化方法,得到一组最优的尾缘襟翼结构参数。通过点估计和区间估计,验证了最优组合尾缘襟翼结构参数满足仿真实验优化目标。
  (2)目前关于传统风力机的建模研究已经比较成熟,但是对于带尾缘襟翼的智能叶片风力机建模尚没有详细的研究,因此,本文在上述最优组合尾缘襟翼结构参数的基础上,对NREL5MW参考风力机的每个叶片上增加两段独立的尾缘襟翼,并在Matlab/Simulink上建立了智能叶片风力机模型,模型主要包括:气动模型、传动链模型、双馈感应发电机模型以及尾缘襟翼执行机构模型等。使用FAST气弹仿真平台,分别在4~24m/s的阶跃变化稳定风况、平均风速为11.4m/s的湍流风况以及15m/s的稳定风况对所建模型进行验证。结果表明:与FAST相比,智能叶片风力机模型的各项参数偏差均小于10%,且整体变化趋势吻合。
  (3)针对多个尾缘襟翼同时对风力机载荷和功率的控制问题,本文在所建模型的基础上,设计了多目标尾缘襟翼控制策略,通过控制智能叶片风力机三个叶片上六个独立的尾缘襟翼,同时实现载荷抑制控制和功率平滑控制。结果表明,风力机的叶根挥舞弯矩在1P频率处的功率谱密度减少了89.73%,发电机功率标准偏差减少了75.07%。
[硕士论文] 周强
动力工程及工程热物理;热能工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:能源问题是人类社会发展的关键问题,如何有效地利用能源是世界各个国家需要解决的核心问题。可再生能源逐渐受到全球各国的重视,特别是风能,发展十分迅速。由于对能源的需求越来越大,随着风能利用技术的发展,风力机大型化趋势明显,偏航工况是水平轴风力机运行中存在的一种典型动态工况。深入研究大型风力机在偏航工况下风轮的气动性能,对提高风力机功率的预测精度以及风力机的安全运行至关重要。本文具体研究内容如下:
  本文首先介绍了偏航、动态失速、流动控制与涡发生器的基本知识,阐述数值方法的基本原理。在分析问题之前,先验证了数值方法的有效性,保证了后续分析的可信性。
  通过对Tjaereborg2MW风力机以及NREL5MW风力机风轮在不同偏航角下的气动特性进行分析,与轴流工况相比,偏航时功率平均值并非以cos3β的规律下降,风轮推力基本以cosβ的规律下降。偏航运行时,风轮特性(如功率,推力)在旋转周期内呈现3P波动特性,偏航角越大,波动幅值越大。偏航来流在风轮平面的速度分量产生的二次流动会影响叶片主流流动,与偏航角大小和方位角有关。偏航角越大,影响越明显。二次流动在不同方位角下引起气动性能动态变化。
  风力机根部翼型攻角较大,偏航工况下攻角处于动态变化过程中,容易出现动态失速现象。研究发现,由于钝尾缘后的分离涡与分离区的分离涡掺混,使得基础翼型攻角减小的过程中,翼型的气动参数不随攻角减小而单调减小,而是呈现一定波动性和周期性,通过涡发生器这种被动控制方法,可以提升翼型的动态气动性能,在攻角减小的过程中可以有效控制流动分离,气动参数不再波动。
[硕士论文] 杨思铭
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:海上风能相对陆上风能具有发电时间长、风资源质量高等优点,是目前风能开发的热点。但近海风资源相比于深远海而言,能量相对较小且受到航线规划等各方面因素限制,所以面向深远海的海上浮式风力机相关技术成为目前海上风能的主要研究方向。海上浮式风力机受到风浪流的联合作用,产生复杂的六自由度耦合运动,对风力机、浮式基础与锚泊系统具有重要的影响。因此,如何计算浮式风力机系统的耦合运动成为人们关注的重点。本文以TLP型海上浮式风力机系统作为研究对象,利用FAST代码与AQWA软件,对在复杂环境载荷条件下浮式风力机系统的运动与系泊受力展开研究。该研究对TLP浮式风力机系统上部风力机与浮式基础的优化设计具有重要的意义。
  气动载荷方面,基于非定常的叶素动量理论,利用FAST代码对风力机的气动载荷进行计算。水动力载荷方面,基于三维势流理论,利用AQWA软件对浮式风机基础的波浪载荷进行计算;流载荷采用经验模型进行计算。利用FORTRAN语言对FAST代码进行修改,编写接口使其能够调用AQWA软件的计算结果对浮式风机整体运动进行计算。以NREL5WM风力机与DeepC-Semi半潜式平台组成的浮式风力机作为算例,将计算结果与试验数据对比来验证计算方法可行性与准确性。最后对TLP型海上浮式风力机在不同工况下的运动与锚泊系统受力进行分析。
  研究结果表明:使用FAST-AQWA计算方法得出的计算结果与试验数据吻合良好。对于TLP平台,在工作工况下,流载荷几乎对系统的运动和锚泊系统没有影响。系统的纵荡和垂荡主要由低频风载荷影响,系统的纵摇由波浪载荷主导;风载荷与波浪载荷同时影响锚泊系统受力。在极限工况下,波浪载荷主导系统的纵荡和垂荡,波频与和频波浪影响系统的纵摇;锚泊系统由波频与和频波浪影响。本文的研究成果为浮式风力机的结构优化设计提供了一定的指导作用。
[硕士论文] 宁明月
控制科学与工程;控制理论与控制工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:随机干扰几乎无处不在,对系统的影响也是无法避免的。以往的设计方法仅用均值和方差描述系统特性,并且假设干扰服从高斯分布,但在实际工业过程中,干扰不一定服从高斯分布,对于非线性非高斯系统,原有设计方法不能描述系统的全部统计特性,而随机分布控制理论(SDC)能够描述系统的高阶矩信息,具有更广泛的意义。
  本文首先建立了风能转换系统中各个子系统的数学模型,将各个子系统连接起来就可以得到风能转换系统的整体模型。然后根据不同风速下系统运行在不同区域,分别建立了低风速和高风速下风能转换系统的整体模型,同时给出了一种便于仿真分析的组合风速模型。
  其次,针对低风速下风能转换系统模型,由于随机风速的存在,考虑在随机框架内,提出了基于生存信息势(SIP)的控制器来控制风轮转速,以实现低风速下的最大风能捕获,并将此方法与PID控制算法进行对比。由于PID控制效果不佳,本文还提出了基于RBF神经网络的PID自校正控制算法,考虑到非高斯扰动的影响,采用SIP作为辨识和控制器设计的性能指标,仿真结果表明该算法能够有效改善PID控制效果。
  最后,本文针对受噪声干扰的非高斯系统,利用互熵描述系统的不确定性,基于最大互熵准则设计了互熵滤波器,并且提出基于互熵滤波器的传感器两级故障诊断方法,即通过滤波器产生残差从而判断传感器是否发生故障,然后利用概率神经网络(PNN)进行故障定位。最后将此方法应用于含有随机风速干扰和测量噪声的高风速下风能转换系统中,仿真结果表明该方法能够有效地诊断出传感器故障。
电气工程;电力系统及其自动化 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:泵和风机是工业系统中常见机械负载,也是供暖、通风和空调(HVAC)系统的组成部分,提高此类电机系统运行效率具有重要意义。变频技术(VFDS)可通过降低系统运行频率和转速,使得电机输出与负载完全匹配,进一步达到降低电机输入功率的目的,由于其具有良好的调速特性,广泛应用于泵和风机系统,用以提高系统运行能效水平。论文的主要工作如下
  1)建立了基于感应电机T型等效电路的能耗分析模型,可用于分析不同供电模式下的电机系统能耗水平,并对不同运行频率下的电机系统能耗特性进行了系统仿真分析。
  2)针对实际应用中,变频器调节过程中如何选择合理压频比的问题,通过VFDS控制,将电压和频率进行统一调节,研究了驱动风机和水泵感应电动机的变频调速系统的最优电压频率比区间,并利用等效电路对电机的效率进行仿真,然后设计实验对结果进行验证,进一步提出了如何设置最优压频比的方法。
  3)提出了一种基于规则和数据的混合FDD方法,该方法基于相似定律和水头流量的基本关系,用于确定系统的最佳节能运行状态,进一步通过改变标定参数,简化了现有虚拟流量计的计算过程。
[硕士论文] 钱力扬
船舶与海洋工程 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:在各种可再生能源之中,风能储量大分布广,成为了绿色能源发展的一块重要领域。然而,大型风力机的可靠性一直是一个困扰人们的问题。风力机在运行过程中难免会发生故障。这些故障发生在风力机的不同部位或者子系统中。风力机的故障或轻或重,对于严重的故障,风力机需要立即关停检修,以免造成更大的损失。对于轻微的故障,在没有及时处理的情况下也会愈演愈烈,逐渐发展为严重故障。这给风力机的健康运行带来了很大负面影响,也加大了风力机的运维成本。人们希望能够监测风力机的各种信号参数变化,及时诊断其是否发生了故障,故障的严重程度如何。如今,风力机的故障检测成为了风力机领域的一个研究热点。
  风力机的故障检测方法,按照原理可分为模型方法与数据方法两种。模型方法依赖于系统建模,它的检测精度高,但是鲁棒性较差。数据方法只依赖数据,因此鲁棒性较好,但检测精度往往不够高。本课题选择研究基于数据驱动的故障检测方法,主要是考虑到该方法在不同类型风力机上部署时具有较好的鲁棒性。同时,本课题设计一种基于机器学习的故障检测算法,来提高数据方法的检测精度。本课题的最终目标,是设计一种既具有高检测精度又具有鲁棒性的风力机故障检测方法。
  为完成这个目标,本课题的工作主要有两点:1.为了训练和验证基于数据的故障检测方法,需要基于开源软件FAST搭建风力机故障检测仿真平台。该仿真平台可以按照需求改变风力机外部载荷环境以及风力机自身的各项参数。以此来验证本课题所设计的故障检测方法,在不同外部条件下、不同类型的大型风力机上的表现。此外,为了得到与故障密切相关的特征信号,在该仿真平台内,研究者可根据风机系统知识构建新的特征信号、抑或是选择不同的滤波器去处理得到的特征信号。2.在得到故障检测仿真平台后,设计一种基于数据驱动的、组合随机森林与XGBoost的故障检测方法。该方法在检测故障时及时、准确。同时,该方法在不同类型的风力机模型上进行仿真实验时,都需要具有良好的表现。该方法在面对多维的特征信号输入时,有抗干扰的能力。它能够在多维输入中,选出与故障最为相关的特征信号。此外,基于支持向量机的故障检测方法在本课题中,会被设置为参照组,与本课题设计的组合方法进行对比。
  在大型风力机故障检测仿真平台上,使用本课题所设计的组合方法进行仿真实验后,能得出以下几点结论:1.该组合方法具有较强的鲁棒性。在陆上风力机、单桩式海上风力机以及半潜漂浮式风力机模型上进行部署时,组合方法都拥有优秀的表现。2.本课题使用随机森林方法对大型风力机仿真平台产生的特征信号进行了重要性排名。仿真结果表明,特征筛选对故障检测的准确率有明显的提升。而作为对照,基于支持向量机的检测方法在处理多维特征向量时,因为过拟合而存在着准确率较低的现象。因此,基于随机森林的特征筛选是提高本课题故障检测方法表现的重要环节。3.在使用随机森林进行特征降维后,本课题使用XGBoost进行模型训练。而仿真实验结果表明,XGBoost能够让模型的预测能力进一步提高。4.将本课题所设计的组合方法与其他研究团队的检测方法进行对比后,可以发现,与其他优秀的数据方法相对比,本课题所设计的数据方法在检测精度上有了明显的提高。但是相较于优秀的模型方法,本课题在检测的及时性和稳定性上还尚有改进的空间。
[硕士论文] 刘传辉
机械工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:叶片是风洞风机的重要组成构件之一,因风洞常常被广泛用于研究空气动力学的基本规律,并直接或间接地为研制各种飞行器、地面交通工具服务,叶片设计和制造方法的研究一直是机械工程领域研究的热点之一,本文对碳纤维复合材料叶片进行了结构设计、有限元强度分析及力学性能实验。
  本文以某风洞风机叶片为例,所做工作内容如下:
  1.论述了风洞风机叶片的基本原理,重点叙述叶片的基本理论知识、叶片的基本概念和叶片基本计算公式等,对叶片进行了结构设计与分析,分析了叶片的基本结构形式、叶片所受载荷情况、材料选择、铺层设计等内容。
  2.以国内风洞风机叶片为例,采用UG NX4三维设计软件进行叶片结构设计,然后在CAD软件CATIA建立叶片有限元实体模型并将模型导入有限元软件ANSYS中,建立有限元模型,进行了叶片结构静强度的有限元分析,给出了不同工况下位移、应力及应变情况,计算了叶片的六阶频率,保证叶片在工作转速内不发生共振,为叶片的安全使用提供理论依据,以此检验叶片结构设计及铺层设计是否满足强度设计指标。
  3.介绍了几种风洞风机叶片成型工艺方法,总结了几种成型工艺方法之间的优缺点,重点以预浸料模压成型工艺为例,制作加工了用于力学实验的样件,针对样件进行力学拉伸实验,在实验结果的基础上对比有限元计算结果,论证设计及分析的有效性。
  通过以上所做工作内容,其目的是寻找一种研究风洞风机叶片可靠的方法,为以后的风洞风机叶片设计与分析提供一种新的参考和途径。
[硕士论文] 谭滔
动力工程 长沙理工大学 2017(学位年度)
摘要:海上风力发电机由于长期面对海上恶劣的自然环境以及机组内部相互之间的影响,机组在运行的过程中容易出风轮叶片、齿轮箱、发电机以及偏航系统等部件的一些故障,引起叶片产生剧烈振动,如果不及时对其进行有效在线监测,会导致叶片功能提前失效。
  本文采用理论和实验研究相结合的方法,对风力机叶片振动特性进行研究分析,并开发一套基于LabVIEW软件平台风力发电机叶片在线监测故障预警系统。首先,通过对叶片的故障机理进行研究,以叶片的振动参数作为特征量,分别提取叶片正常、叶片裂纹、叶片质量偏心、叶根螺栓松动四种情况下的特征参数,利用BP神经网络建立起叶片故障类型识别模型;其次,以叶片每三天最大平均振动幅值量为特征参数,建立起叶片健康状态预测模型。最后,通过利用LabVIEW软件平台结合花生壳动态域名解析软件,解决用户不能通过外网远程访问监测系统的问题。
  本文以1.5m长风力机叶片为试验对象,建立叶片状态监测实验台,并根据实验台的布置情况及选定的测量方法,选择并搭建相应的信号采集的硬件系统。接下来通过实验,分别进行叶片的故障识别以及叶片固有频率提取实验,最后对所开发的系统与江苏东华软件实验结果进行比较,两者结果偏差在5%以内,从而表明本文所开发的系统能够有效地反映出叶片的状态特征。
[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。
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