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.     

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.     

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%。     

考虑叶片偏航和干扰效应大型风力机体系风振响应与稳定性分析

叶片偏航和干扰会显著改变大型风力机表面气动力分布模式,进而影响风力机体系的风振响应和稳定性能.以某5 MW大型风力机为研究对象,首先采用大涡模拟(LES)方法进行了最不利叶片位置下考虑6个偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)影响的风力机体系流场和气动力模拟,并与规范及国内外实测结果进行对比验证了大涡模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法系统分析了不同偏航角下风力机塔架-叶片耦合模型的动力特性、风振响应和稳定性能.结果表明:不同偏航角下塔架径向位移均值和均方差的最大值均出现在塔架环向0°和180°处,最大塔底弯矩均出现在环向20°处.0°偏航时各叶片顺风向位移响应极值均大于2.7 m,随着偏航角的增大,塔架顶部径向位移、叶片顺风向位移和叶片根部内力的均值及均方差均逐渐减小,而临界风速则呈现先减后增再减小的趋势.综合表明:0°偏航角下风力机体系气动性能和风振响应均最为不利,45°偏航角下风力机体系的稳定性能最为不利.     

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。     

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.     

并网风力机中基于变桨距角的神经网络控制方法

针对并网风力机的运行特性,在其传动系统和发电机的动态模型基础上设计控制器.当外界风速较大,提出采用基于神经网络的风力机叶片桨距角控制器抑制多余的风能进入发电系统,维持风力发电机馈送到电网的功率稳定;当风速较低时,风力机转速需要跟随风速变化,调整叶片桨距角处于捕捉最大风能位置处,保证风力机的风能转换效率最优,提高其运行效率.仿真结果验证了该控制方法的有效性.     

双馈感应发电机调速风力机

研究了低成本宽范围双馈感应电机调速风力机，根据数学模型导出矢量控制系统，讨论了三种四象限功率变换器，该风力机在低风速时桨距角不变，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在高风速时储存或释放部分能量，桨距角仅完成限制最大输出功率，减少机械应力，风能储存在风力机机械惯性中，减少力矩冲击。     

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%。     

风电机组电动变桨距控制系统的研究

文章针对风力机的强非线性设计了模糊PID电动变桨距控制器,以此实现风电机组在不同风速段下的功率控制策略,即在低于额定风速阶段,系统能跟踪最大功率点;在高于额定风速阶段,通过变桨距控制器调节桨距角,将功率限制在额定功率附近。理论分析和仿真结果表明,该电动变桨距控制系统的桨距角控制策略达到了设计的预期目标,为其在实际风场中的应用奠定了基础。     

大型风电长叶片气动外形的高效低载三维设计

海上风力机等大型风电设备叶片较长，所承受气动载荷较大，易产生变形，影响气动性能和运行稳定性。针对这一问题，以美国NREL实验室的5 MW大型风电叶片为例，对其进行以各截面翼型形线、安装角及额定功率下桨距角为设计变量的高效低载三维优化。优化基于动量叶素理论和多岛遗传算法，以叶根弯矩最低和风能利用率最大为优化目标，并将优化叶片与原始叶片于变桨、变风况下的气动性能进行对比。结果表明：在设计工况下，相较于原始叶片，优化叶片在保证高气动效率的同时叶根弯矩降低了5%；变风况条件下，变桨前优化叶片的风能利用率平均提升了1%，叶根弯矩平均降低了5.8%，变桨后优化叶片的叶根弯矩平均降低了4%。     

不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。     

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。     

风电机组叶片流固耦合的数值模拟方法

 以某5 MW 风电机组叶片模型为对象,研究一种适用于风电机组叶片流固耦合数值模拟的风轮旋转模拟方法。以风切变形式模拟风轮旋转及来流风速的综合效应,对叶片各截面翼型的扭角进行修正,建立风电机组叶片的风轮旋转模拟模型,利用有限元法模拟风电机组叶片的风洞流场实验,仿真模拟旋转效应下风电机组叶片的周围气压、绕流分布、表面压力及结构位移,并进行数据交叉迭代求解,得到风电机组叶片的流固耦合结果。与额定风速均匀来流条件下的初始模型计算结果和文献实验结果进行对比分析,验证了风轮旋转模拟方法的可行性。     

杭州湾跨海大桥风荷载响应

对杭州湾大桥进行了全桥气弹模型风洞试验,实测了不同风攻角、偏角和施工阶段的静风和抖振位移响应,同时布设动态应变片,直接测量了桥塔根部的风载内力.探讨了斜拉桥静风响应和非线性抖振时域分析的计算方法,计算结果与风洞试验值进行了对比,吻合情况较好.分析结果表明:斜拉索的风荷载计算模式对静风响应有较大影响;气动导纳采用Sears函数,可能会得到偏危险的结果;塔根抖振内力基本上随着风偏角的增大而减小,但主梁跨中抖振位移响应不符合这一规律;最大双悬臂状态为抗风最不利状态,施工时务必采取抗风措施.     

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。     

考虑流固耦合作用的气膜建筑力学性能分析

本文以气承式半圆柱形气膜结构为研究对象,通过数值计算分析的手段,研究了气膜结构在风场流固耦合作用下的影响。其中,选用基于雷诺平均法的RNG k-ε 两方程涡粘模型进行风场模拟,采用弱流固耦合分析方法模拟流固耦合风荷载效应。根据0°和30°两种风向角度,在风荷载对结构的静力工况和考虑流固耦合作用工况下,讨论研究对象处于12m/s、15m/s、18m/s不同外界风速及200Pa、230Pa、260Pa不同空气内压条件下的应力值和位移值,分析气膜结构的流固耦合效应的作用机制和影响系数。结果表明,考虑流固耦合时,气膜的位移和应力最大值要高于静力工况,得到结构流固耦合作用相比于静力工况对气膜位移、应力数值的放大系数;且流固耦合作用对气膜位移的影响系数均随内压和风速呈负相关性,而0°风向角时,应力影响系数随气膜内压与风速呈正相关性,30°风向角时,与之相反。     

升阻互补型垂直轴风轮的结构动态分析

为了避免风力发电机系统的共振而导致的系统损坏和噪音污染,并提高风力发电机叶片的耐用性与经济性,借助有限元计算方法,通过系统动态特性分析,得到了升阻互补型垂直轴风轮的动态特性及叶片的受力特性.结果显示,横梁是叶片支撑上容易出现危险的区域,其结构强度和抗疲劳度要求较高.在更换6根横梁的材料和尺寸之后,增加了其最大许用应力值,提高了风力发电机的安全系数,避免了风轮叶片支撑在低速旋转时频率游走于风轮第1,2阶固有频率之间的问题.升力型叶片受到近似于正弦函数的交变荷载,叶片表面主要受到拉应力的作用并且容易产生疲劳破坏.叶片在铺层时,增加0°纤维层的厚度可以使叶片抵抗更大的拉应力.     

一种基于改进自抗扰控制器的风电机组变桨距控制策略

为了改善风电机组的恒功率输出区域的动态性能,提出了一种基于改进自抗扰控制器的变桨控制策略。当风速高于额定风速时,通过调节桨距角改变风机气动转矩,保证风机输出功率的稳定性。设计了一个改进的连续光滑的非线性函数,可有效提高系统的抗扰动能力。基于该非线性函数对传统自抗扰控制器做出了改进。仿真结果证明,改进自抗扰控制器的变桨距控制系统能够对桨距角进行精确调整并将输出功率快速稳定到额定值附近,具有较快的响应速度及较好的抗扰动能力。