风力机轴承实时剩余寿命预测新方法

由于传统退化指标对周期性故障冲击缺乏敏感性和鲁棒性,无法实现风力机轴承退化过程的适时跟踪以及剩余寿命的准确预测,提出了基于包络谐噪比(envelope harmonic-to-noise ratio,简称EHNR)和无迹粒子滤波(unscented particle filter,简称UPF)相结合的风力机轴承实时剩余寿命预测方法。首先,通过计算振动信号的EHNR监测轴承的早期退化点,并提取EHNR的趋势特征作为退化指标;其次,以轴承历史数据构建退化模型,利用UPF算法更新模型参数,实现对轴承退化状态的跟踪和预测;最后,使用实际风力机轴承监测数据对所提方法进行验证。结果表明,该方法能适时启动寿命预测机制,有效解决传统粒子滤波算法的粒子退化问题。与常用的支持向量回归模型(support vector regression,简称SVR)、反向传播神经网络(back propagation neural network,简称BPNN)的预测方法相比,具有较高的预测精度,为大型风力机组的健康管理和可靠性评估提供参考依据。     

考虑流固耦合的Spar型浮式风力机涡激运动特性研究

对弹性支撑单圆柱在均匀流作用下的涡激运动特性进行数值模拟,捕捉到"锁定区"、"拍"、"频率变换"等现象。柱体周围流场采用Fluent求解,将4阶Runge-Kutta方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动微分方程,运用动网格技术更新流场,实现圆柱与流场的非线性耦合作用。发现随着折合速度的增大,涡激运动响应可分为锁定前支、锁定区、锁定后支3个阶段,在进入锁定区前(折合速度Ur=3)横向运动响应发生拍现象,当跨过锁定区后(折合速度Ur=10)发生频率变换现象。结果表明,横向涡激运动有较大范围的频率锁定现象,频率解锁前后圆柱涡激运动轨迹由"右8字"形变换为"左8字"形。     

内含实体对H型垂直轴风力机气动性能的影响

以H型垂直轴风力机及其内含圆柱形实体为研究对象,对NACA0018翼型的五叶片H型垂直轴风力机的气动性能进行数值模拟和实验验证。分析8种不同直径的内含圆柱体,在内含实体截面积占风轮迎风面积之比分别为21.2%、50.0%和76.9%时,风力机风能利用率的峰值分别下降8.04%、20.7%及74.3%。结果表明：随着内含实体直径的增大,风能利用率的峰值逐渐减小,开始较为缓慢,达到一定值时快速下降。小直径内含实体主要影响叶片在下风区的转矩,对风能利用率的影响较小,而大直径内含实体还会影响叶片在上风区的转矩,其风能利用率迅速减小。对于内含固定直径的实体,比如在现有建筑物外侧安装风力机时,其风轮半径的选择需综合考虑风能利用率和风力机的建造成本两方面的因素。研究结果可为建筑物与垂直轴风力机进行有效结合以提高风能的利用提供参考。     

基于集员未知输入观测器的风力机桨距执行器故障诊断

风力机一般放置在恶劣的环境中,其桨距执行器极易出现故障。文中针对一类含有未知但有界干扰和噪声的风力机系统的桨距执行器故障问题,设计了集员未知输入观测器对桨距的执行器故障进行检测并分离。采用气动机理和现代辨识原理建立风力机系统模型,通过优化未知输入观测器设计对系统中的干扰解耦,基于中心对称多胞体估计不考虑故障时残差的区间包络,并将其作为残差估计的上下动态阈值,实现状态估计。在上述基础上提出了利用一组集员未知输入观测器进行故障诊断的策略。仿真结果表明,在实验过程中,文中所设计的集员未知输入观测器准确地诊断出了风力机桨距执行器的3阶和5阶线性系统在发生突变故障和缓慢时变故障的时间和位置,证明了所提故障诊断策略的有效性。     

巨型垂直轴风力发电机组结构的动力特性分析

性能优越的垂直轴风力发电机正越来越受到关注。巨型垂直轴风力发电机,从结构上讲属于高耸的桅杆结构,同时工作状态下具有转子的某些特性,构成桅杆结构和动力转子相互作用的复杂结构体系。通过对其动力特性的分析,揭示其转子与纤绳这两部分的动力特性。     

基于不同单元的风力机塔筒受力分析

塔筒作为风力机的主要承重结构,在风力机工作过程中承受着复杂的荷载,基于有限元方法分析其力学特性成为了必要的手段。为提高有限元计算精度和对复杂结构分析的准确性,文中基于GH-Bladed计算了某5 MW风力机在25 m/s风速下的荷载,并基于ABAQUS有限元软件分别采用梁单元、壳单元和实体单元建立了风力机塔筒有限元模型,并进行了动力特性及静力响应分析。对比研究了不同有限元模型的动力特性和荷载响应,总结归纳了三种有限元单元对分析结果的影响规律。结果表明,采用不同单元建立风力机塔筒模型对其分析结果有着不同的影响,针对不同分析目标应选择合理的有限元模型。     

基于风力机尾流排斥的平坦地形风电场微观选址优化

平坦地形风电场微观选址的优化研究中,常采用带有随机量的元启发式算法,这些算法难以达到全局最优,优化效率较低,且通常需要通过划分网格、增加约束才能得到稳定解。针对这些问题,文中提出了一种专门针对平坦地形风电场微观选址的高效且有稳定优化解的元启发式算法——风力机尾流排斥优化算法。参考范德华力原理,提出了风力机尾流排斥力的概念,用于描述风力机在尾流作用下的相互影响:2台风力机之间尾流作用越大,风力机尾流排斥力也越大。在算法优化过程中,风力机会在风力机尾流排斥力的作用下向使尾流减小的方向不断移动,直到达到最优解。仿真结果表明:风力机尾流排斥优化算法不需要网格约束,优化效率高,能得到确定的优质解,且优化结果符合实际工程要求。     

基于SDW-LSI算法的风力机故障估计与容错控制

为了解决风力机桨距执行器故障导致的桨距角动态响应变慢和输出功率波动的问题,基于辨识理论和解析理论,提出了故障估计和容错控制方法。采用欧拉变换将二阶传递函数转化为辨识方程。利用滑动数据窗最小二乘迭代辨识算法估计桨距系统中的自然频率和阻尼系数。根据解析理论推导补偿函数,将所估计的参数反馈到补偿函数中,调整故障前后系统的关系,从而解决桨距角变慢和输出功率波动的问题。最后,选取桨距执行器液压油空气含量过高故障验证算法的可行性。     

风力机模拟器的阻尼补偿策略与实验验证

风力机模拟器作为模拟实际风力机的重要工具,可以简化风电研究的实验过程、缩短研发周期。由于模拟器的转动惯量远小于实际风力机,现有研究主要关注于应用转动惯量补偿算法的模拟器的稳定性问题。文中发现忽略阻尼或阻尼补偿不准确会严重影响模拟的准确性,导致转速偏低以至无法准确模拟实际风力机的机械动态过程,并完善了风力机模拟器的传动链模型,分析了风力机模拟器与实际风机传动链的阻尼差异对动态模拟准确性的影响机理,并设计了风力机模拟器的阻尼补偿策略。基于最大功率点跟踪控制实验验证了阻尼补偿策略,结果表明改进后的风力机模拟器能够更加准确地复现风力机的机械动态过程。