不同叶片数的风力机绕流场的非定常流数值模拟

该文基于OpenFOAM自由软件包,采用任意网格界面元方法(Arbitrary Mesh Interface Method)对两叶片和三叶片风力机风轮周围流场进行了非定常数值模拟和分析。计算采用非结构化网格和k-?SST湍流模型,分析了多种工况下两叶片和三叶片风力机风轮的气动性能的特点和差异,并计算风力机的轴向推力、扭转力矩、叶片表面压力分布和尾涡等气动力性能参数。该文计算得到的结果可为风力机叶片进行结构有限元分析时,提供重要的风载荷数据,为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供详细技术参数。     

适用于独立变桨控制方式的风机气动模型和风模型的研究

建立了一种新的基于叶素理论的适用于独立变桨方式的风机气动模型,并与传统基于风能利用系数经验公式的风机气动模型进行了比较分析.同时基于风剪塔影理论建立了风模型,同新气动模型联合仿真,通过新气动模型的输出仿真结果验证了风剪塔影造成单只叶片的拍击力1P波动,3只叶片合成主轴气动转矩的3P波动.最后通过独立设定桨距角,联合对风模型与新气动模型仿真,验证了新模型对于独立变桨方式的适用性.     

风力发电机的最优控制

在对定速风力发电机建模的基础上,针对大型风力发电机功率控制中相互矛盾的要求,结合PI控制器,采用了线性二次最优控制,对仿真与传统的PI控制进行了对比,仿真结果表明:运用此控制器,控制效果要好于单独的PI控制器。同时,对桨矩角采用不同的权重时,输出功率、发电机转速、输出转矩都将发生变化。     

定桨距风力发电机组的主动失速控制

定桨距风力发电机组叶片与轮毂直接刚性相联,具有结构简单、可靠性高等优点,尤其适合于海上风电场。文中重新对定桨距机组进行了探讨,采用主动失速控制方法,限制机组在高风速时的气动功率。在介绍主动失速控制工作原理的基础上,分析了切出风速对机组年发电量的影响,指出针对不同平均风速的风电场,需要对机组的切出风速进行优化设计。随后,从主动失速控制的效果出发,对风力机的气动特性设计提出了要求,对定桨距风力机的优化设计有一定的指导意义。最后,建立了一台额定功率为1.5 MW的定桨距永磁直驱风力发电机组的仿真模型,仿真结果验证了主动失速控制的可行性。     

基于BPNN-PID的风电机组桨距控制分析

变桨控制技术是风力发电机组的核心技术之一,开展对风力发电机组变桨控制方面的研究具有重要的理论和应用价值。根据风力发电机组在额定风速以上如何保持输出功率稳定和降低风轮转速波动的控制技术进行研究,在传统的变桨距控制策略基础上,提出了基于BP神经网络(Neural Network,NN)整定PID的控制策略,并在Matlab/simulink环境下对PID控制和BP神经网络控制相结合的复合控制系统进行建模与分析。对1.5MW风电机组的仿真验证了BPNN-PID算法的有效性,提出算法不仅能够解决传统PID控制器参数整定困难的问题,而且优化效率更高,可以得到优良的控制性能。     

基于神经元PID的风力发电机组独立变桨控制

依据风力机空气动力学原理,设计了神经元PID控制器,实现了风力发电机组3个桨叶的独立变桨控制。通过神经元PID控制,计算出桨距角,并与Park变换得到的附加桨距角相加,作为独立桨距角的设定值。基于Fast软件平台,以2 MW变速变桨风力发电机组为验证对象,对提出的控制策略与传统的统一变桨距控制策略进行仿真比较。结果表明,相对于统一变桨距控制,所提出的方法能有效确保在额定转速下机组输出功率稳定,同时也能有效降低风力发电机组各零部件的疲劳载荷。     

海上浮式风力机叶片气动性能的数值模拟

该文采用滑移网格的方法,基于Open FOAM的瞬态求解器pimple Dy MFoam对OC4中的大型海上浮式风力机NREL 5MW叶片的气动性能进行了数值模拟。分别计算了不同风速(5 m/s、8 m/s和11 m/s)下风力机叶片的推力和扭矩,求得了叶片表面的极限流线分布、尾涡分布以及叶片表面不同截面处的压力系数分布。并将计算的结果与NREL的结果进行了对比分析,研究了不同风速下浮式风力机的受力及尾流场变化情况,可为今后大型海上风力机的设计与优化提供相关参考。     

1 MW风机叶片结构分析

根据Willson理论设计出1台1 MW变桨距型风力机叶片的气动性能参数,并利用有限元分析软件ANSYS所提供的壳单元对风机叶片进行结构分析。针对复合材料层间应力低的特点,预测出风机叶片的破坏风速和破坏位置,为设计复合材料的风力机叶片提供了一种比较简单的方法。     

基于叶素理论及 CFD 的中扬程风力提水机的 低实度高效风轮设计

为了降低风力提水机的起动风速,解决传统风力提水机多叶片大实度、风能利用系数低的缺点,采用叶素理论对风力提水机叶片的气动外形进行设计,引入了修正因子,并根据工程实际优化了叶片的弦长以及安装角;采用CFD方法对风轮进行数值模拟,通过分析证明所设计的风力提水机能在2.5m/s的微风下起动,在额定工况下风能利用系数高达0.46,叶片具有很好的三维流动特性,气流流动稳定无脱流,具有中扬程、低实度、低风速起动进行提水作业的优点,扩大了风能的利用范围。     

水平轴潮流能水轮机叶片变桨角度研究

利用Flow-3D软件建立了单桩型水平轴潮流能发电机的三维数值模型。采用该模型对不同叶片变桨角度时的水动力过程进行了模拟计算,并根据计算结果从叶轮转速、叶轮动能、叶轮受力、水位和流速变化的角度进行了分析和讨论。数值模拟结果表明：当叶片变桨角度增大时,来流方向的叶轮受力和叶轮动能也都随之增大;变桨角度对于与来流垂直的y和z方向的叶轮受力影响较小;叶片变桨角度越大、水轮机下游附近流速降低的越快,流速就越小,而在水轮机下游较远处,叶片变桨角度越大,尾流场恢复得越快,其流速也越大。     

基于流固耦合的风力机叶片结构稳定性分析

针对叶片在气动载荷下出现局部屈曲现象,建立了大型复合材料风力机叶片有限元壳体模型,主要研究了叶片结构在流场作用下的稳定性。基于流固耦合方法,借助CFD软件计算得到叶片表面的分布压力,将计算结果导入到叶片结构计算的有限元壳体模型,以此为载荷对叶片进行了屈曲分析。以1.5MW复合材料风力机叶片为例的计算结果表明:复合材料抗压性能较抗拉性能弱,叶片背风面受到压缩载荷,局部屈曲主要出现在叶片背风面,叶根向叶中发展的后缘区位于几何突变区,结构设计较为薄弱,需增加该区域铺层材料的厚度。     

搅拌槽内双层组合桨安装高度对气液混合特性影响的数模研究

采用CFD方法求解气液两相流模型,对双层组合桨搅拌槽内的气液混合流动进行了数值模拟,其中上层桨是由8个不规则弧形叶片单元组成的倒伞形表面曝气转轮装置,下层桨是六直叶涡轮装置。控制方程采用速度压力耦合PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解,自由液面的捕捉采用VOF(Volume of fluid)法。根据模拟结果,分析了下层桨的安装高度对气相与液相的混合时间、搅拌槽内的流场特性以及气含率分布的影响规律:在本文模拟的3种工况下,随着下层桨安装高度的增加,混合时间减小,而气液混合区域增大,气体浓度沿轴向的变化率也增大。     

水平轴风机叶片截面与二维翼型的数值模拟

基于叶素理论和Wilson设计方法,参考设定的风力机性能参数,来设计水平轴风机叶片。利用CFD计算流体软件Fluent,对风轮流场实施三维数值模拟;同时,取叶片中3个展向截面,对相应的翼型开展二维数值模拟与研究。通过对比叶片截面和对应翼型附近的流场,发现其间的气动性能存在着一些差异。这一结果可以为三维叶片的设计及优化,提供一定的理论判据。      

风电典型机型的闪变严重度分析

风力发电机组的并网运行对当地电网的电能质量有不良影响。为此．根据定速机型、变速机型引起电压波动和闪变的原理及并网风电机组电能质量的国际电工标准IEC61400—21，讨论了测量风电机组输出闪变的方法，给出了两种典型机型的短时闪变严重度与风速的关系实验曲线，并对不同风速段的闪变成因进行了分析。结果表明，变速风电机组在高风速区域综合应用桨叶节距角和变流器控制实现输出功率的稳定能够减小短时闪变严重度，在低风速区域追求最佳风能利用系数将使闪变严重度值增高。     

风电机组的积分模糊滑模变桨距控制

针对变桨距风力发电机组具有参数变化、强干扰、建模困难等特性,设计出了一种积分模糊滑模变桨距控制器。通过在传统滑模控制器中采用状态变量代替误差项的导数并引入误差项的积分来设计切换函数,消除了传统变结构控制需要已知期望输出信号导数的假设;利用模糊推理动态地调节切换增益,并采用积分的方法对切换增益上界进行估计,避免了传统滑模控制器需要选取不确定因素上界,同时采用合适的连续函数来代替切换增益中的符号函数,有效地削弱了系统的抖振。仿真结果表明:该控制器应用在风速高于额定风速以上的变桨距控制系统中,对系统参数的不确定性和外部干扰均具有很强的鲁棒性,能够有效地改善风电机组变桨距系统的控制性能。     

变速恒频双馈风电机组频率控制策略

传统的变速双馈风电机组解耦控制策略对于系统频率支撑作用微乎其微。文中在分析变速双馈风电机组参与系统频率控制特性的基础上,在传统变速双馈风电机组解耦控制中附加风电机组频率控制单元。控制系统包含频率控制、转速延时恢复、转速保护系统和与常规机组配合等4个功能模块。仿真结果表明,该控制策略不仅对暂态频率偏差具有快速的响应能力,而且能够使转子转速以更快的速度恢复到最佳运行状态,证明了基于变速双馈机组的风电场能够在一定程度上参与系统的频率控制。     

基于结构化网格的风力提水机叶片三维数值分析及试验研究

采用FLUENT软件对设计的具有航空翼型的带扭转角的风力提水机叶片进行了结构化网格数值模拟分析。计算结果表明,所设计的低实度风轮风力提水机能在2.8 m/s的轻风下起动,叶片三维流动特性良好。在额定工况下叶片气流未出现明显分离现象,最大风能利用系数可达0.43,较传统的风力提水机的风能利用率提高22.8%。最后通过小型开口低速风洞的叶片物理模型试验进一步验证了数值模拟的可靠性。     

基于模型预测控制的多源自动发电控制系统及运行优化

根据火电站、风电场和光伏电站的动态响应特性,搭建了基于模型预测控制的多源自动发电控制系统模型,并利用粒子群优化算法优化区域内系统的动态响应调节性能。案例分析表明,与优化前相比,多源自动发电控制系统模型能提高系统的动态响应能力,减少区域控制总偏差,减少区域“弃风”、“弃光”,让风光新能源充分发挥调节潜力。     

运西水电站竖井贯流式水轮机性能优化

采用雷诺时均方程(RANS),选择S-A湍流模型,运用SIMPLEC算法,利用CFD数值模拟技术,数值模拟了不同方案的运西水电站水轮机流道内流场,分析了转轮直径、叶片翼型、叶片个数、叶片安放角、转轮轮毂、转轮转速、导叶翼型、导叶轴线与机组中心线夹角、导叶个数、叶片及导叶安装位置、导叶开度对水轮机性能的影响,叶片数为3时水轮机装置性能较优,机组最高效率点分别在转速为187.5r/min、导叶个数为15时出现。对原有流道可改变部件做适当优化后,将优化后的转轮应用于电站进行数值计算,根据全流道的数值模拟结果,预测电站改造后机组的水力性能。根据数值计算的结果制作模型水轮机和真机进行模型试验和真机测试。结果表明,数值模拟结果与模型实验以及现场运行结果曲线的变化趋势一致,数值模拟结果基本能够准确反映电站的外特性和内部流场特征。     

基于流固耦合的农用风力机叶片应力及振动仿真研究

以农田水利工程使用的额定功率为1 000 W的小型水平轴风力提水机叶片作为研究对象,对叶片强度进行了单向流固耦合数值模拟,得到了叶片多种工况下的受力变形规律。基于流场计算结果,对叶片进行了预应力模态分析和无预应力模态分析,得到了叶片前6阶振型和不同工况下的固有频率。结果表明:叶根部位存在局部应力集中,风力机叶片静应力随风速增大有不同程度的增大,且最大静应力远小于许用应力,不足以使叶片产生裂纹。预应力作用使叶片固有频率有所增加,随风速增大影响越大,尤其对低阶频率影响更加明显,对叶片进行振动分析应进行考虑。