基于变论域模糊控制的风机叶片颤振抑制

针对时变、滞后、非线性的风力机叶片系统,基于变论域思想,设计出一种变论域最优模糊比例积分微分(proportion intergration differentiation, PID)控制器,解决叶片经典颤振断裂失效问题。叶片结构模型采用基于弹簧-质量-阻尼器的典型截面模型,结合经典颤振稳态气动力模型,得到叶片气动弹性方程。通过变论域最优模糊PID控制器给出变桨信号,同时二阶变桨激励器执行变桨动作,进行颤振抑制。根据时间乘绝对误差积分准则(ITAE)准则,通过寻优得到PID最优初始值。仿真结果表示,与增量式模糊PID相比,变论域最优模糊PID控制器可动态调整论域范围,收敛时间快、幅值更低且具有良好的通用性。     

基于RBF补偿滑模变桨控制的风力机叶片颤振抑制

针对风力机叶片经典颤振问题,采用RBF神经网络补偿滑模控制来控制风力机叶片的变桨运动。依据弹簧-质量-阻尼器的典型叶型截面模型以及变桨激励器的二阶模型,给出了系统的非线性气动弹性方程。滑模变桨控制通过控制叶片的变桨运动,达到抑制叶片颤振、保护叶片的目的,但是在系统到达滑模面后,滑模控制器会迫使系统沿滑模面做小幅度、高频率的运动,即出现抖振现象。RBF神经网络的自适应、自学习能力可以逼近非线性函数,采用神经网络对滑模控制器进行补偿。实验选取5组不同的基本结构参数进行模拟仿真,仿真结果表明:滑模控制器能够抑制颤振,但是在滑模控制器的输出端会出现剧烈抖振,RBF神经网络滑模控制能够保证系统的鲁棒性,不仅能够抑制颤振,而且能够降低抖振频率以及幅度。     

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.     

基于GDW理论的风力发电机整机性能分析

由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣,所以风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统,因此,整机性能分析是风力发电机系统设计的关键.引入了风力机的动态人流(GDW)理论,在Matlab中建立了600 kW失速型水平轴风力机的气动力,在Simulink传动系统的动力学仿真模型,模型中考虑了叶片的气弹耦合性,并在ADAMS中建立了包含柔性叶片和塔架的风力机整机虚拟样机模型,将三者联系起来建立了联合仿真模型.分析了风力机的功率系数、额定功率以及叶片与塔架的变形.与Bladed的分析计算结果相比较,结果证明了仿真方法及仿真模型的正确性.     

基于ONERA气动力模型的风力机叶片颤振时域分析

应用ONERA气动力模型对挥舞一摆动耦合风力机叶片进行颤振分析,数值分析采用NACA0012叶型的风力机叶片数据,根据数值积分得到叶片自激振动的时间响应曲线,由此容易判别在给定风速下,叶片的气动弹性稳定性。研究结果为动力失速状态下叶片稳定性的分析与判别提供了一个可选择的途径。     

风力机翼型非定常气动力分析(英文)

基于状态空间描述的Beddoes-Leishman动态失速模型,对风力机翼型进行非定常气动力分析.考虑到风力机翼型工作时的实际情况,在模型中忽略了可压缩性效应和起始于翼型前缘的流动分离.模型考虑了气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中两个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另两个用于描述后缘分离效应.采用模型对做简谐变桨运动的FFA-W3-241风力机专用翼型进行了非定常气动力分析.数值计算结果与实验值吻合良好,说明模型能较好地描述风力机翼型的非定常气动特性.将动态失速数值计算模块与已有的风力机气动与结构分析软件集成,利用软件对一台1.5MW变速变桨距风力机的发电工况进行了仿真.仿真结果表明,翼型的非定常气动特性对动态载荷计算结果影响很大,因此在风力机的设计过程中应该予以充分考虑.     

大攻角失速下翼型非线性颤振速度计算分析

基于ONERA失速气动力模型,建立二元大攻角失速翼型非线性颤振运动的状态方程,通过龙格库塔法进行数值积分,获得二元翼型的非线性颤振时域响应曲线,并通过二分法寻找到失速翼型的颤振临界速度。仿真预测了半弦长对失速翼型气动弹性的影响规律,计算发现,随着半弦长的值变大,颤振速度会发生突跃,当弦长为0.5 m时,颤振速度最大,发生颤振的难度最大。     

气动弹性系统本征正交分解降阶模型精度的参数影响研究

为了快速分析跨音速非线性气弹系统的颤振边界和响应特性,通过本征正交分解(POD)降阶方法建立了基于CFD的气动弹性降阶模型(ROM)。实现过程包括对非线性定常CFD流场的小扰动泰勒分解,建立基于CFD的全阶线性化模型;再通过POD方法得到流体ROM;耦合结构动力学方程构成基于CFD的气弹ROM。以国际气弹标模AGARD 445.6机翼为研究对象,系统研究了ROM建立过程中初始流场、响应时间步长和样本数据等重要参数对于模型精度的影响,并将ROM应用于颤振边界的预测。研究表明:作为线性化方程建立的定常流场,若收敛性不够,易导致线性化模型不稳定甚至发散;响应计算中,时间步长若选取过大将会导致数值振荡、发散;为捕捉更多的非线性流场特性,系统激励后POD样本的产生需保证足够的数据采集时间;所建立的ROM具有同原始非线性CFD/CSD系统同样的精度,是一个低维度状态空间数学模型,可直接用于系统特性分析和颤振抑制等设计。相比CFD/CSD耦合计算,ROM在计算效率上提高了3~6个量级。     

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。     

大型风力机柔性叶片在运行工况下的内力分析

为了准确地模拟柔性叶片在运行工况下叶片危险截面的内力,进行叶片的强度与刚度分析,并考察叶片的振动对气动载荷与气弹响应的反馈,以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5 MW近海风力机为研究对象,建立了包含气动模型和系统的动力响应模型两部分的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。采用计算多体系统动力学理论,基于Roberson-Wittenburg建模方法,结合叶素动量理论,建立了柔性叶片的气弹耦合方程,实现了叶片的气弹耦合时域响应分析。算例计算了NREL的5 MW近海风力机在紊流风速作用下,叶片各截面的挥舞、摆振和扭转方向内力矩的时域响应。研究成果对于叶片强度与刚度校核与优化设计有重要的应用价值。     

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%。     

基于速度反馈减小风机疲劳载荷的独立变桨控制

根据空气动力学原理,分析了桨叶转动过程中的振动受力情况,为了减小风力机对塔身产生的疲劳载荷,提出了一种基于振动速度补偿反馈的PID风机独立变桨控制方法,即在原独立变桨控制的基础上,提取三桨叶的振动速度信号作为各自的桨距角的补偿角,得到的新桨距角作为控制系统的输入.仿真结果表明:该方法在能够保正风力机稳定输出功率的基础上,有效地减小了桨叶的振动速度以及振动位移差,从而减小了桨叶对风力机塔身造成的疲劳载荷,提高了风力机运行的可靠性,延长了风力机的使用寿命.     

叶片失速延迟控制垂直轴风力机气动性能

以麦克马斯特大学H型垂直轴风力机为基础,在叶片上加设射流管,设计一种叶片失速延迟控制垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片失速延迟控制垂直轴风力机的功率,分析风场的涡强和风速分布特性。研究结果表明:在相同几何尺寸和工况下叶片失速延迟控制风力机的风能利用系数比麦克马斯特大学H型垂直轴风力机的高,在尖速比为1.3时,最大风能利用系数达到0.33。在叶片上加设射流管对于延迟层流分离具有显著作用。     

气动力和离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响

采用雷诺平均NS方程和标准k-ε湍流模型,在不同风速和转速下对某风力机叶片基于Workbench进行了单向流固耦合数值模拟,分别分析了气动力载荷和离心力载荷对风力机叶片功率及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:相对于气动力载荷,风力机叶片离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响较大。     

气动力和离心力载荷对风力机叶片结构特性影响

采用雷诺平均NS方程和标准k-ε湍流模型,在不同风速和转速下对某风力机叶片基于Workbench进行了单向流固耦合数值模拟,分别分析了气动力载荷和离心力载荷对风力机叶片功率及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:相对于气动力载荷,风力机叶片离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响较大。     

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.     

含间隙超音速二元弹翼非线性颤振与主动控制

研究含间隙超音速二元弹翼非线性颤振特性和主动控制问题．采用三阶活塞理论建立了含间隙二元弹翼非线性气动弹性动力学方程,利用Hopf分岔理论、谐波平衡法和数值方法,分析了系统的非线性颤振特性．应用基于微分几何法和二次型最优控制相结合的方法设计非线性系统控制器,推迟临界分岔速度．应用滑模变结构控制方法设计控制器,有效抑制非线性颤振,并讨论了控制参数对控制效果的影响．仿真结果表明,所设计的控制律可以有效地实现对含间隙超音速二元弹翼系统非线性颤振的控制．最后计算了在基础激励扰动下系统的动态响应,分别得到了周期运动、多周期运动、概周期运动以及混沌运动．     

PID控制与智能控制的融合

本文主要研究了与PID控制有关的多种智能控制方法,包括模糊PID控制、基于神经网络的PID控制、专家PID控制、基于遗传算法的PID控制。经过比较后认为PID控制结构简单、稳定性好、可靠性高,但在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,效果不是太好。而基于PID控制的智能控制则解决了那些传统方法难以解决的控制对象的参数大范围变化的问题。     

新型随动变桨距小型垂直轴风力机的流场分析

建立三叶片二维静态计算模型对新型随动变桨距小型垂直轴风力机进行数值计算,对比分析4种静态模型下压力场和速度场的分布情况,计算结果显示:理想状态下的新型随动变桨距小型垂直轴风力机,当流场稳定以后叶片处于各个位置的最大压力变化不大,风力机转动到各个位置的最大风速大致相等,表明此新型风力机在转动的过程中叶片产生的最大压力、速度相对稳定,这对其保持匀速转动很有帮助,并且对风力机整体结构所产生的颤振也相对较小。     

Fuzzy-PID控制在风力发电机上转速控制中的应用

介绍模糊PID参数自整定控制算法在变转速风力发电机转速控制中的应用,根据变转速风力机的非线性特性,将无需系统建模且在非线性系统控制中取得很好效果模糊控制和具有优良性能的传统PID控制方法相结合,应用到风力机转速的控制中。试验结果表明,这种简单、鲁棒性好、实用性强的控制器应用在变转速风轮机转速控制中,取得了良好的控制效果。