水平轴风力机变桨载荷分析与计算

针对风力机变桨载荷常规计算时忽略很多细节从而导致数值不精确的问题,文中以大型水平轴风力机为研究对象,通过数值计算软件Matlab/Simulink,在建立风电机组非线性模型基础上,对风力机桨叶外形参数和空气动力数据进行分析和计算,得到风力机桨叶轴向诱导因子、周向诱导因子、入流角、攻角、相对风速、桨距角等参数对应不同风速的值,最终根据这些参数,综合分析计算,得到了风力机变桨载荷的数值.计算结果为风力机变桨控制系统分析和设计提供了更为可靠的基础性数据.     

基于权系数法的功率和载荷协同控制策略

针对大型风机在高风速区由风剪切效应引起的输出功率波动和叶轮不平衡载荷,从功率和载荷两个维度出发,以NREL公司的5MW陆基风机为对象,提出一种基于权系数法的功率和载荷双目标协同的独立变桨控制策略。首先,以遗传算法优化的PID作为主控制器,通过风轮转速反馈得到统一变桨距角;其次,根据方位角反馈得到各桨叶的动态权系数,以此调整各桨叶的桨距角;最后,将叶根挥舞力矩反馈给模糊PID控制器得到载荷影响下的桨距角微调量,并对桨距角进行修正。通过FAST和Matlab/Simulink平台联合仿真,将所提控制策略与统一变桨距控制和独立变桨PI控制对比分析。结果表明,所提控制策略能有效地将输出功率稳定在额定功率附近,并且对于降低风轮不平衡载荷具有显著效果。     

模糊控制在变桨距恒速恒频风力发电机中的应用

根据变桨距恒速恒频风力发电机的桨距控制原理,采用模糊推理策略,提出了对风力机的桨叶节距角进行控制,使其在高风速时始终保持额定转速,从而获得稳定的输出功率的方法.     

减小风剪、塔影和湍流效应的独立变桨控制研究

针对现阶段兆瓦级风力发电机组(简称风力机组)运行在高风速时,由于风剪、塔影、湍流等因素影响,传统的PI统一变桨控制不能很好控制叶轮的不平衡载荷问题,提出了基于叶根载荷反馈的独立变桨控制策略。首先使用Bladed平台计算翼型的气动参数,再将各叶片的叶根载荷通过d-q坐标变换送入PI控制器中计算出各叶片最佳增益;其结果经过d-q坐标逆变换,获得各叶片附加桨距角,在统一变桨的基础上实现对各叶片独立变桨的控制。通过对叶根载荷和叶片挥舞弯矩仿真分析,验证了建立的独立变桨控制策略的优越性。     

小型H型垂直轴风力机变桨机构的优化设计与试验

为解决现有垂直轴风力机风能利用率较低的问题,以获得风轮最大切向力为目标,分别获得了风轮上风区和下风区叶片的最佳理论攻角为8°和-8°,计算出了叶片一周桨距角调节策略。在此基础上,采用随机方向法对双曲柄变桨机构进行了优化设计,得到了不同叶尖速比下变桨机构的参数组合。为验证垂直轴风轮变桨机构的合理性,以叶尖速比2为例,利用ADAMS软件对变桨机构模型进行了运动学特性仿真,并采用旋转测角法对叶片桨距角变化曲线进行了数据拟合,计算结果显示:实际桨距角变化曲线与理想变桨曲线的贴合程度较高。风洞试验进一步证明:所设计的变桨距垂直轴风力机具有更好的自启动性能,且在现有风速下比定桨距垂直轴风力机的发电效率至少提高了7.86%。     

基于独立变桨距控制的风轮减载策略

为减小风切变、塔影效应以及湍流风等因素引起的风轮不平衡载荷,在分析风切变、塔影效应以及湍流风模型的基础上,提出了一种基于方位角和载荷联合反馈的独立变桨距控制策略。结合方位角权系数分配环节和叶根挥舞载荷反馈PID控制环节,分别调节每支叶片的桨距角,实现风轮减载控制。基于GH Bladed平台的仿真结果表明,与统一变桨距控制相比,所提独立变桨距控制策略可有效减小风轮不平衡载荷,不仅适用于风切变和塔影效应引起的载荷波动,在湍流风影响时也能起到较好的抑制作用。     

垂直轴风力机主动式变桨距控制规律

针对定桨距垂直轴风力机启动能力差与风能利用率较低的问题,对主动式变桨距控制方法和规律进行研究,以达到提高风能利用率的目的.以双盘面多流管理论为基础,分析叶片的局部流场,建立风力机的数学模型,并以最大瞬时功率为目标函数设计桨距角优化程序,通过分析获得不同尖速比下的桨距角控制规律.根据CFD模型,对定桨距风力机进行数值模拟,分析不同桨距角下的气动性能;对优化后的控制规律在CFD中进行仿真研究,分析风力机的力学行为和风能利用率.研究结果表明:外偏置桨距角可以提高上盘面的气动性能且在桨距角为-4°时获得最大的风能利用率;变桨距控制下的有效力矩区相比定桨距风力机增加了1倍,最大风能利用率也高达39.12％,主动式变桨距控制规律可以明显提高风力机的整体性能.     

浅谈风力发电厂风机变桨电池的维护

变桨系统是风力发电机组的重要组成部分,变桨系统通过控制桨距角使输出功率平稳、减小转矩振荡、减小机舱振荡,不但优化了输出功率,而且有效地降低的噪声,稳定发电机的输出功率,改善桨叶和整机的受力状况。变桨系统还是风力发电机组的主刹车系统,在风机组失压情况下能否安全可靠停机,取决于变桨电池是否安全稳定。因此变桨电池得到及时维护是保证其工作状态稳定且在机组事故停机时不发生飞车的重要措施。     

H型垂直轴风力机变桨机理研究进展

从动量模型、数值计算和测试试验等3方面介绍目前H型垂直轴风力机的变桨距研究方法,给出各类分析方法的优点和不足。着重围绕机械传动变桨和液压传动变桨2方面阐述垂直轴风力机的变桨距实现方案,指出现有中小型垂直轴风力机在整体响应时间、1周实时变桨、下风区流场计算及动态失速下可靠变桨等方面存在的难点。最后对未来变桨距垂直轴风力机的发展趋势进行展望。     

动态失速下H型垂直轴风力机实时变桨控制规律

针对垂直轴风力机风能利用率低、自启动能力弱的问题,以1 kW H型垂直轴风力机为研究对象,通过对比美国Sandia国家实验室动态失速下测得的风力机实验结果与风洞静态实验结果,分析动态失速对桨距角调节的影响规律;以风轮的最大切向力为目标,得到垂直轴风力机在上风区和下风区的最佳理论攻角分别为14.8°和-14.8°。为使风轮在旋转过程中维持在最佳攻角附近,基于双致动盘多流管理论进行Matlab编程计算,建立风轮工作状态下的受力模型,获得垂直轴风力机在各个方位的桨距角。通过对0°和180°方位角下的桨距角进行修正,给出垂直轴风力机1周变桨距规律。最后,利用双致动盘多流管理论对提出的变桨控制规律进行理论验证。研究结果表明:利用该变桨距规律得到的风能利用率可以由34.6%提高到42.8%。     

瞬变工况风力机气动性能预测

摘要：
用非线性非定常涡格法计算了风力机在瞬态的非定常性能.该方法由于风力机尾迹未知,故采用时间步进历程确定.以NREL Phase VI 风力机作为 模型,进一步计算了该风力机在瞬态变桨距角时尾迹、功率输出、载荷等变化历程,并与实验值进行对比.结果表明,该模型可以较好地反映尾迹 对叶片的诱导速度变化,载荷的快速变化以及变化至稳态结果的过程. 关键词：
风力机; 动态入流; 气动性能 中图分类号： TK 83
文献标志码： A     

兆瓦级风力发电机独立变桨控制策略分析

实际运行环境中,由于风剪、塔影等因素的影响,风轮平面内产生不平衡载荷,导致较大的叶尖变形,增加了叶片疲劳载荷,而统一变桨控制不能有效解决载荷不均匀问题。文中提出基于线性二次型调节和干扰自适应控制技术的独立变桨控制策略。采用风力机仿真分析软件对提出的控制策略进行仿真分析并与统一变桨比较。结果表明,该控制策略降低了风剪条件下风力发电机主要部件所受的载荷,提高了机组运行寿命。     

小型水平轴风力机在不同桨距下发电性能的实验研究

本文对一小型水平轴风力发电机的发电性能和叶片流场进行了实验研究.基于三种桨距,测出在不同的来流风速和不同负载下的电流和发电功率,分析得到随着负载的增大电流强度减小,而功率随着风速的增大先增大后减小,存在着峰值功率;结果也表明桨距对叶片风能利用率影响较大.基于桨距A=60°、来流速度3m/s和负载5Ω,采用粒子图像测速仪(PIV)技术对垂直于桨叶旋转平面的截面进行了流场测量,结果显示桨尖涡在风力机叶片流场中起主导作用.     

风电机组叶片模型变桨距载荷实验

以1.5MW变桨距风电机组叶片为原型,设计并制作叶片模型,分析叶片载荷特性,并通过电测法对叶片模型变桨距载荷进行测试分析.结果表明,在风速为4m/s时叶片拉应力随桨距角增大而增大的趋势,但不明显;随着风速的增大,叶片拉应力随桨距角的增大而减小,趋势明显.剪应力载荷随桨距角增大而呈现一致减小的趋势,各个截面变化规律相同.     

考虑耦合效应的水平轴风力机有限元建模与变形行为分析

为实现对风力机结构变形的实时求解、分析风力机控制过程对结构的影响,构建了考虑风力机气弹耦合效应的有限元模型.模型充分考虑了风力机诸如主轴倾角、风轮预装锥角以及变桨和偏航机构的结构特点.本文分析了离心软化,应力刚化以及风力机控制过程对风力机结构的影响,并对风力机结构问题的求解方法进行了对比研究.结果表明:应使用LDLt方法求解由风力机塔根与叶尖刚度巨大差异所引起的病态问题;应力刚化效应对风力机叶尖变形量及拍打模态的频率有较大影响;本文模型很好地模拟了风力机受阶跃载荷时的旋转动态非线性变形,并模拟了变桨过程引起的风力机叶片拍打方向的刚度增大.     

大型风电机组关键承载部件主动阻尼降载优化控制

为降低大型风电机组关键承载部件的载荷和疲劳损伤,通过施加主动阻尼控制来进行降载,从而延长机组关键承载部件寿命。首先从理论上分析主动阻尼控制的基本原理与其关键控制参数,并应用FAST与MATLAB的联合仿真平台分别对叶片、塔架、传动链施加主动阻尼控制进行仿真,根据仿真结果分析了5 MW风电机组关键承载部件主动阻尼控制的有效性。然后设计在现有变桨功率控制环上加入主动阻尼控制环的独立变桨控制策略,同时建立一种适用于载荷控制效果评估的疲劳损伤计算方法,利用遗传算法以风机关键承载部件疲劳经济损失最小为目标进行各主动阻尼控制器与独立变桨控制器参数的联合优化。最后对算例机组进行了独立变桨载荷控制仿真,仿真结果表明,所设计的独立主动阻尼控制策略与参数优化方法在不影响功率控制的同时能够降低关键部位的疲劳载荷,并且能够取得最优化控制效果。     

独立变桨控制对大功率风力发电机受载的影响

以大功率风力发电机组为研究对象,采用线性叶素动量理论将叶片拍打方向的相对风速变化转换为叶片所受的力和力矩(叶根拍打方向和挥舞方向的力矩)的变化。通过Coleman变换进行转换,建立系统状态空间方程。对其进行独立变桨控制设计理论研究,采用MATLAB/SIMULINK实现控制器的编程,分析结果与统一变桨比较表明：独立变桨距控制比统一变桨距控制具有更好的减载效果,更适合大型风力发电机组。通过独立变桨,可以降低风力发电机的载荷,减少维护费用,延长风机的使用寿命。     

变风速条件下风力发电机输入载荷及其影响因素分析

建立了基于自回归(AR)方法的风场风速模型,求解得到了风速的变化时程;用Glauert方法求得了变风速下风力发电机的输入载荷——推力和扭矩随风速的变化时程;通过对载荷的统计分析得到了风力发电机的设计载荷谱和载荷雨流计数直方图;分析了变风速下风轮叶片主要参数对风力发电机输入载荷的影响规律:推力和扭矩载荷的均值随桨距角变化的响应明显,并随桨距角的增大而变小;推力的波动幅值随桨距角的增大先是增大然后减小,而扭矩的波动幅值则随桨距角的增大而单调减小;推力随叶片扭转角和攻角的变化响应明显而扭矩随扭转角和攻角变化的响应不明显。     

基于Simulink的风力机变桨距机构的设计与仿真

采用叶素动量理论确定工作条件的改变对应桨距角的变化,从理论上提高桨距角的控制精度,进行了风力机变浆距机构设计。通过仿真验证了设计的正确性,同时得到了桨距角匀速转动时液压缸驱动活塞的位移、速度、加速度的变化规律。     

基于遗传粒子群算法风电机组变速与变桨系统PI控制器设计

为了提升风电机组的控制精度并降低关键承载部件的载荷情况,通过遗传粒子群方法研究了变速与变桨系统PI控制器的设计。首先,采用泰勒级数将风电机组线性化展开为状态空间方程。然后通过提取输入、输出和平衡点分别构建变速与变桨系统的数学模型。其次,分别采用Routh法和最小二乘法将变速与变桨系统辨识为低阶惯性系统和惯性时延系统。然后分别基于时间加权绝对误差积分准则和Chien-Hrones-Reswick法整定变速与变桨系统PI控制参数。最后,采用帕累托方法分配控制目标的权重关系并基于遗传粒子群算法优化变速与变桨系统PI控制参数,进而采用最小二乘法将其分别与风速和桨距角拟合构建自适应PI控制。结果表明：在变速控制中能够有效提升输出功率并抑制塔架顶部侧向振动;在变桨控制中能够有效平抑输出功率和发电机转速波动并降低叶片根部载荷情况。可见通过遗传粒子群方法设计的变速与变桨系统PI控制器具有良好的有效性和适用性。