极端阵风条件下大型风力机叶片极限载荷研究

基于修正叶素动量理论,考虑经验修正、动态失速、动态入流等因素,结合叶片气动弹性响应问题,对大型风力机叶片在极端阵风条件下的极限载荷进行研究。以某MW级水平轴风力机叶片为例,研究动态失速、阵风上升时间、变桨速率等因素对叶片极限载荷的影响。结果表明,随着叶片大型化的发展,极端阵风条件下的极限载荷问题对风电机组的整机性能有较大影响。     

垂直轴风力机流场主动控制方法研究

针对垂直轴风力机叶片攻角连续性变化导致的非稳定流动,提出一种改善叶片攻角的主动变桨控制方法。首先通过实验验证数值模拟方法的可行性及有效性,其次对变桨控制前后风力机流场进行二维数值模拟,得到风力机在不同变桨条件下的气动特性及流场结构,计算结果表明:变桨控制可使叶片在不同方位角下处于更合适的攻角,进而获得较优的气动性能,变桨控制后的风能利用系数有所增加。随着最大变桨角度的增加,风能利用系数先增大后减小,最大可提高33.2%,同时主动变桨可抑制叶片尾缘流动分离,使得叶片尾涡耗散轨迹更贴合风轮旋转圆周。从而降低转矩系数波动幅值,提高风力机运行寿命。     

切出风速下风力机变桨故障叶片气动特性及准静态结构响应分析

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片的气动特性及准静态结构响应,基于计算流体力学方法对NREL 5 MW风力机变桨故障/成功叶片气动侧状态进行分析,并利用双向弱流固耦合及曲屈分析对典型方位角下变桨故障叶片展开研究。结果显示：切出风速下变桨故障叶片挥舞力矩平均值为变桨成功叶片的13.8倍,且前者的流场尾迹更为明显。此外,180°方位角变桨故障叶片较之0°方位角变桨故障叶片应力及叶尖位移分别减小29.8%和32.7%,一阶屈曲因子增加20.2%。     

变速变桨风力机叶片载荷控制策略

针对变速变桨风力机叶片受力特点,提出叶片载荷控制策略。将叶片载荷分为静态和动态两部分。静态部分采取单神经元PID控制器对桨距角和电机转矩进行控制;动态部分采取多叶片坐标转换理论将变量从旋转坐标系转换到固定坐标系,再将力矩转换为桨距角,然后通过多叶片坐标逆变换将控制得到的参数转换为旋转坐标系中的参数。最后将动态部分的参数值和静态部分的单神经元PID控制器的输出桨距角相加,一起构成风力机变桨所需的控制值。采用风力机专业软件Bladed开发外部控制器,并对控制策略进行仿真研究。将外部控制器和内置控制器的控制性能进行了仿真对比,仿真结果表明:外部控制器能够有效降低叶片根部的倾斜力矩和叶片拍打力矩,外部控制器的控制性能更优,验证了所采用的叶片载荷控制策略的正确性。     

大型风电机组独立变桨控制技术研究

通过对风力机简化模型的分析,推导出风力机的运动方程和输出方程;通过卡尔曼坐标变换将塔架前后运动方程和载荷输出方程所代表的线性时变系统解耦为线性时不变系统,在此基础上提出带3个独立控制环的独立变桨控制策略;利用"GH Bladed"软件对独立变桨控制策略进行仿真试验研究,仿真试验结果表明,采用独立变桨控制技术不但能实现转速控制功能,还能有效减小叶片根部挥舞力矩、轮毂倾翻力矩、偏航力矩的波动,从而能有效降低变桨轴承、主轴、轮毂、偏航轴承、塔架上的疲劳载荷。     

新型随动变桨垂直轴风力机气动性能的数值分析

文中研究目的是开发一种使垂直轴风力机自启动能力强、风能利用率高的随动变桨技术,此变桨技术的原理是在不需添加任何外加动力的情况下,利用风力机主轴旋转的同时带动风力机叶片的旋转,且保持主轴的旋转角速度是叶片旋转角速度的2倍。通过运用数值模拟的方法,得到了该新型随动变桨垂直轴风力机的气动参数值及特点;并分别将其与传统垂直轴风力机、理想直叶片垂直轴风力机的气动参数进行了对比分析,分析结果表明:新型随动变桨垂直轴风力机的气动性能优于其它两种类型风力机。     

基于激光雷达的风力机分离测风独立变桨控制策略

在基于叶片根部载荷的PID独立变桨控制的基础上,引入激光雷达并提出优化的独立变桨控制方法.利用激光雷达可重建风力机前方风场信息的特点,对风力机前方风速进行提前测量.提出并使用统一风演化模型对所测数据进行二次处理,得到更贴近实际的叶轮中心风速,进一步使用所提出的分离测风方法对叶根载荷进行提前计算,根据载荷的计算值进行独立...     

水平轴风力机风轮气动性能数值模拟

以某上风向定桨水平轴风力机风轮为研究对象进行数值模拟,采用不可压N—S方程和κ -ω SSTN方程湍流模型,数值模拟了不同风速下风力机风轮的流动特性。结果表明：随着风速的增大,靠近叶片中部截面最先发生失速。在此基础上,分析了叶片整体的压力与速度分布。     

独立变桨控制下的风力机齿轮箱动力学仿真分析

针对大型风电机组齿轮箱动态载荷问题,以多体动力学理论为基础建立风力机齿轮箱动力学模型,研究系统的独立变桨控制技术,提出线性二次高斯控制(LQG)独立变桨控制策略,建立LQG控制器,利用SIMPACK软件与Matlab/Simulink进行联合仿真,计算在仿真风速下的风力机齿轮箱载荷变化情况,计算并比较在不同风速、不同控制方式下风力机齿轮箱齿轮和轴承所受的动态载荷。计算结果表明,相对于统一变桨,独立变桨控制能更好地降低齿轮箱内部载荷波动,从而降低风力机齿轮箱齿轮和轴承的疲劳载荷。     

仿鸮翼非光滑前缘对风力机叶片气动性能的影响

经过数百万年的进化,鸮形目鸟类在其飞行行为上显现出许多优异的特征。文章选取鸮翼的非光滑前缘作为仿生对象,设计出一种仿生风力机叶片,并分析非光滑前缘结构对风力机叶片气动性能的影响。采用S-A湍流模型,对低雷诺数下原型风力机叶片和仿生风力机叶片进行绕流流场模拟。模拟结果表明,在大攻角下,仿生风力机叶片的前缘凸起能够改变气流在叶片表面的流向分布,使气流在吸力面仍保持附着流动,进而减少叶片吸力面的失速区,有效延缓叶片失速现象的发生,从而使得仿生风力机叶片的失速角比原型风力机叶片的失速角推迟了10°左右,改善了风力机叶片的气动性能。     

水平轴失速型风力机主动非线性控制

讨论了大型主动失速型风力机在额定工况以上时的主动非线性控制问题。直接利用所推导的仿射性非线性模型．采用微分几何精确线性化理论,实现恒速风力机全局精确线性化控制,给出了反馈控制算法,并对闭环系统进行了数字仿真。     

垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。     

新型变桨风力机结构设计与性能分析

为满足分布式电网发展要求,提高小型风力机风能利用率,防止大风条件损坏风力发电设备,文章设计了一种应用于小型风力机的新型主动统一变桨调节装置。文章介绍了装置的基本构造与工作原理,利用熔融沉积3D打印技术制作小比例模型验证了变桨装置的可行性,并通过数值模拟方法对功率输出性能及风轮载荷进行了模拟分析。模拟结果表明:通过适当调节桨距角大小,可有效控制风力机输出功率保持在额定功率值附近,且高转速条件下增大桨距角对功率输出性能有较强抑制作用;叶片应力集中区域主要在叶根及叶片中部靠近前缘部位,在功率调控过程中,随着桨距角与风速的增加,应力集中区域由叶中向叶根转移,最大应力值总体呈下降趋势。     

百千瓦中型变速变桨风电机组叶片设计研究

百千瓦级叶片一般采用定桨方式运行,依靠叶片失速进行功率控制,机组运行过程中无法维持较高的效率。基于100 kW变速变桨机组的运行特征,提出了一种100 kW级中型叶片的设计方法。气动设计采用了BEM方法,利用Harp_opt中的优化算法获得较高的气动性能;结构及载荷设计参考IEC标准进行,采用Focus进行铺层设计及结构特性分析。所设计叶片的长度为10.029 m左右,极限及疲劳载荷特性满足GL IIA类风场的运行要求。     

吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。     

大型风力发电机组独立桨叶控制系统

设计出独立桨叶控制系统的机构方案，依据空气动力学分析，提出模糊控制结合以桨叶空间方位角作为主体因素的加权系数的控制策略，建立了系统模型，仿真结果表明，在风速高于额定风速时，作用在桨叶上的负载波动大为减小，输出功率维持在额定功率附近。     

Effect of platform disturbance on the performance of offshore wind turbine under pitch control

The aerodynamic performance of offshore floating wind turbines (OFWTs) is more complicated than onshore wind turbines due to 6‐degree of freedom (DOF) motion of the floating platform. In the current study, the aerodynamic analysis of a horizontal‐axis floating offshore wind turbine is performed with the aim of studying the effects of floating platform movement on the aerodynamic characteristics of the turbine in the presence of a pitch angle control system. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) 5‐MW offshore wind turbine is selected as the baseline wind turbine. For this sake, the unsteady blade element momentum method with dynamic stall and dynamic inflow models have been employed to obtain the unsteady aerodynamic loads. The baseline pitch angle control system is assumed to be coupled with the aerodynamic model to maintain the rated condition of the wind turbine and also to approach a closer model of wind turbine. In case of pitching motion input, the reduction of mean power coefficient for tip speed ratios (TSRs) less that 7 is expected by an amount of 16% to 20% at pitch amplitude of 2° and frequency of 0.1 Hz. For high TSRs, the trend is reverse with respect to fixed‐platform case. The mean thrust coefficient is reduced for almost all range of TSRs with maximum loss of 37%. Moreover, the mean control pitch angle that is an index of control system effort is increased. The results also represent the importance of considering the pitch control system for aerodynamic analysis of disturbed OFWT.     

变速风力机变桨距系统建模与仿真

变速风力发电机组一般采用变桨距控制来稳定输出功率,但是桨距角的改变会引起攻角的改变,从而引起叶片气动性能的改变,所以在变桨距控制过程中,必须保证合适的攻角,以确保风力机具有良好的气动性能。采用统一变桨距控制方法,在matlab/simulink环境下,通过预测攻角仿真研究了变速风力发电机组的变桨距控制过程,结果表明,该控制模型能正确模拟各种风速下风力发电机组变桨距的动态过程,为进一步研究变速风力发电机的功率控制奠定了基础。     

Multivariable control strategy for variable speed, variable pitch wind turbines

Reliable and powerful control strategies are needed for wind energy conversion systems to achieve maximum performance. A new control strategy for a variable speed, variable pitch wind turbine is proposed in this paper for the above-rated power operating condition. This multivariable control strategy is realized by combining a nonlinear dynamic state feedback torque control strategy with a linear control strategy for blade pitch angle. A comparison with existing strategies, PID and LQG controllers, is performed. The proposed approach results in better power regulation. The new control strategy has been validated using an aeroelastic wind turbine simulator developed by NREL for a high turbulence wind condition.