风剪切下风力机组俯仰控制策略研究

为增加风电场总输出功率,采用大涡模拟(LES)方法,利用致动线法(ALM),基于开源CFD软件OpenFOAM对风剪切下的风力机组4种风轮俯仰工况进行数值模拟,对比每种工况下的风电场总输出功率,并结合流场参数分析输出功率存在差别的内在原因。结果表明:风电场上游风力机尾迹可对下游风力机性能产生严重影响;风轮俯仰角增加时,风电场上游风力机输出功率先增后减,下游风力机输出功率持续增加;仰角为9°时风电场总输出功率比无俯仰控制策略时提升393982.25 W。     

水平轴风力机组尾迹偏移控制策略研究

风场上游风力机的尾迹不仅导致下游风力机功率显著降低,且易引起疲劳载荷等结构问题。故通过CFD模拟两台5 MW风力机串列布置的风场,在考虑大气边界层环境的情况下,使用不同控制方法改变尾迹流向,使其偏离下游风力机风轮中心位置以提高风场总输出功率。结果表明:对上游风力机使用基于偏航和仰角的控制策略时尾迹偏移效果显著,尽管上游风力机的功率有所降低,但下游风力机输出功率增加,使得风场输出总功率得以提高;锥角控制的效果相反,增大锥角时尾迹并未产生明显的偏移而尾迹范围却扩大,导致风场总输出功率降低。     

水平轴风力机组风场全局优化策略研究

为优化风场布置,减小上游风力机尾迹影响,以实现风场全局优化,基于致动线方法,利用OpenFOAM(多物理场运行与操作开源软件)对风力机组风场进行了15种风轮俯仰工况及9种错排布置的数值模拟,比较各优化策略下的风场总输出功率,并结合流场细微结构参数分布,分析不同优化方法对风场全局影响的流动机理。结果表明:尾迹对风场下游风力机影响严重。两种数值模拟优化方法均可实现风场全局优化,其中风轮俯仰优化策略可使风场总输出功率最大提高34.5%;风力机组错排布置可提高68.5%。此外,风场上游风力机功率在风轮俯仰时下降明显,风力机组错排时几乎无变化。     

风力机垂直交错对下游风力机性能的影响研究

为降低上游风力机尾流的影响、优化风场布置,在两台串联的NERL 5 MW水平轴风力机中间安装1台小型的垂直轴风力机,形成垂直交错风场。采用FLUENT软件对串联风场和垂直交错风场进行数值模拟,对比两种风场的输出功率与流动特性。同时,改变垂直轴风力机的安装位置,分析其与下游风力机的距离对垂直交错风场的影响。结果表明：当风力机串联布置且为标准间距7D(D为风轮直径)时,下游风力机受上游风力机尾流影响仍然很大,输出功率下降57.1%;串联风场中加入垂直轴风力机加快了相应垂直交错风场尾流的恢复,提高了下游风力机的输出功率;垂直交错风场中垂直轴风力机安装距离为1D～6D时,可以在上游风力机功率变化不明显的情况下提高下游风力机的输出功率;当安装距离为6D时,下游风力机提高功率最高,比串联风场增加了40.1%。     

基于致动线方法的风力机组尾迹控制策略研究

为提高风场总功率,减小上游风力机尾迹的影响,以实现风场全局优化的思想,利用致动线(ALM)方法,基于开源软件OpenFOAM对9种偏航工况、15种风轮俯仰工况及9种风场错列布置进行数值模拟。对比不同尾迹控制策略下的风场总功率输出,并结合流场云图分析尾迹对风力机性能影响的流动机理。结果表明:3种尾迹控制方法均可减弱上游风力机尾迹对下游风力机气动性能的影响,且偏航尾迹控制方法略优于风轮俯仰,风场错列显著优于偏航,其中偏航、风轮俯仰及风场错列分别可提高无尾迹控制策略时风场总功率的35.3%、34.5%和68.5%。     

风向变化对风力机尾流影响的数值分析

为了探究风向变化对风力机尾流的影响,选取NREL 5MW风力机建立模型,采用Fluent软件在额定工况下对单台风力机及风向变化时的2台风力机进行数值模拟,并对比其输出功率及尾流的流动情况.结果表明:当风向变化角为0°,即串列排布时,上游风力机对下游风力机的影响很大;随着风向变化角由5°增大到10°,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减小,下游风力机的功率减小率由7.53%减小到4.24%,输出功率明显增加,可见风向变化对风力机尾流有影响.     

水平轴风力机多机组阵列的数值模拟

利用FLUENT软件对4台额定功率为1.2 MW的水平轴风力机分别在顺列和错列布置方式下及不同入流角情况下进行数值模拟,结合叶轮尾流理论分析转动叶片与塔架之间以及上游两机组间的尾流相互干扰对下游风力机输出功率的影响。结果表明:多机组风力机错列布置时上游风力机尾流对下游风力机功率的输出影响更小。在错列布置中,入流角为15°时上游风力机尾流对下游风力机的影响最小,同时下游风力机的输出功率较大,与其额定功率相比相对误差较小。合理的偏航角有利于下游风力机输出功率的提高,即提高整个风场效率。     

串列不等直径水平轴风力机气动性能研究

为研究上游风力机叶轮直径增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响,采用计算流体力学方法对串列水平轴风力机三维流场进行模拟,以揭示上游风力机叶轮尺寸增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响规律。研究结果表明：增大上游风力机叶轮直径,会削减下游临近机组输出功率,增加机组在低频,1倍、2倍、3倍轴频推力脉动,增大机组疲劳载荷;随着风力机间距的增加,增大叶轮直径对12D范围外机组输出功率影响可忽略不计,但机组疲劳载荷在低频和1倍轴频仍有明显的增大。抬高上游机组轮毂高度,机组较近时,可使下游风力机避开一部分尾流,显著提高下游风力机的输出功率,但也会使风力机叶轮在旋转一周过程中产生较大的叶片推力脉动;当风力机间距较远时,抬高塔架高度有利于尾流恢复,进而提高下游机组输出功率,降低机组疲劳载荷。     

风力机不同排列方式下尾迹数值模拟

为了避免风电场中尾流效应对风力机之间的相互影响,而找出不同排列方式下风力机之间的最佳距离,文章采用CFD商用软件对两台风力机分别在串列、并列以及三台风力机在错列的排列方式下,采取不同的安装间距进行模拟,根据其功率输出结合尾流理论和实际情况,找到了不同排列方式下风力机之间的最佳距离。通过对单台风力机、两台风力机并列和串列以及3台风力机错列进行了模拟计算,其结果表明:两风力机串列布置时,上游风力机对下游风力机影响甚大;并列布置时,两风力机之间影响甚微;错列布置时,下游风力机处在两个上游风力机的中间,避免了上游风力机尾流直接的影响。     

不同串列布置间距下2 MW风力机尾流的研究

为合理利用有限的土地资源,提高整个风电场的发电效率,采用FLUENT软件对在不同串列布置间距下的风力机尾流的相互影响情况进行了仿真研究。结果表明:随着风轮间距的增加,下游风轮风速逐渐增大并向着来流风速值靠近,功率损失逐渐减小,上游风轮的尾流对下游风轮产生的扰动作用逐渐减弱;但是风轮间距为10D时,下游风轮已基本摆脱了上游风轮的强尾流区,此后尾流速度变化缓慢。因此,在风电场布局时应合理选择风力机间距。     

H型垂直轴风力机启动性能分析

以H型垂直轴风力机为研究对象,从最基本的启动特性入手,采用三维CFD技术,结合剪切应力输运SST κ-ω湍流模型,模拟分析了全尺寸垂直轴风力机的安装半径、叶片弦长、安装角度和叶片数目四个参数对其自启动性能的影响。结果表明,上游叶片和塔筒的尾流对下游叶片气动特性具有影响,当叶片处于上游尾流区内时,牵引力急剧减小,当气流从两叶片之间穿过时,风力机启动力矩可达到最大值;风轮的静态启动力矩随叶片安装半径的增加而增加,即叶片安装半径越大,自启动性能越好;当叶片弦长从0.1 m增至0.4 m时,启动力矩增长较快,当叶片弦长大于0.4 m时,力矩随叶片弦长增加的幅度明显减小;不同的叶片安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响较小,当安装角从1°增至8°时启动力矩也随之缓慢增加,当安装角达到9°时启动力矩迅速减小;叶片数目越多,风轮的最大启动力矩越大,自启动性能越好。     

风电场中多台风力机的数值模拟

将NREL 5 MW风力机作为基本机型,使用致动线模型和大涡模拟相结合的数值方法,在中性大气边界层中模拟含有多台风力机的风电场。为了模拟风电场的复杂入流条件,首先模拟体积为3000 m(长)×3000 m(宽)×1000m(高)的大气边界层,并对模拟结果进行验证,结果表明:在覆盖逆温层以下,不同高度处的位温不变,平均风速满足剪切特性,脉动风速满足湍流谱特性;然后,分析了致动线模型中风轮直径上的网格节点数量(N)和高斯分布因子(ε)的取值规律,发现ε以网格尺度(η)为自变量取值时,N越大,η的系数越大,当N取63时,η的系数可取2或3,但N取25时,η只能取1.2;最后,使用致动线模型在大气边界层中布置8台风力机,模拟风电场,并对风力机间的相互干扰进行分析,发现第一排风力机功率明显大于其他风力机功率输出,占风场总功率输出的40.3%。     

基于致动线方法的风力机组风场布置优化

基于致动线方法,利用OpenFOAM对5种不同间距串列布置的具有3台5 MW风力机的风场进行了模拟.通过调整风力机组间的位置,对比不同风场布置时的总输出功率,并结合轮毂高度处流场分布及尾迹速度轮廓线,分析尾迹对风场下游风力机的影响.结果表明:串列布置时,处于尾迹中的风力机功率下降可达82.72%;改变风场中风力机组相对位置可使风场布置得到优化,虽个别风力机性能有所下降,但风场总输出功率最大可提高11.8%.     

风功率预测中的场风速指标的应用

利用2011年11~12月份的北方某大型风电场实测风速与输出功率资料,对比分析若干风电场风速指标与总输出功率的对应关系及其精确度,结果表明根据风力机风功率曲线定义的场有效风速立方和能更精确拟合风电场总输出功率;且针对BJ-RUC模式场有效风速立方和的0~24 h时效预报值探索其统计修订方法,使其平均绝对误差下降约25.4%,风电场总输出功率预报的平均绝对误差下降约22%。     

平坦地形相邻风电场尾流影响研究北大核心CSCD

随着风电产业向三北地区和海上发展,大规模风电场规划建设成为了热点。风电场尾流的影响是规划设计的关键技术之一,文章研究了平坦地形下相邻风电场间的尾流影响特性。首先,利用Horns Rev风电场SCADA数据验证了RANS/AD方法的可靠性;然后,基于国内某平坦地形风电场的SCADA数据,采用临界函数法剔除异常数据,同时采用机舱风速传递函数(NTF)修正机舱风速,处理得到风电场各台风力机来流风速及相应输出功率的分布规律;最后,分别模拟计算两风电场同时运行以及下游风电场单独运行工况下的各台机组输出功率,并与实测数据进行对比,由于尾流影响,下游风电场在主风向8 m/s风速下的功率亏损达20%;当下游风电场第一、二排间流向行间距由10.5D增至13D时,可使整场功率亏损降至15.4%。文章研究结论对风电场的宏观选址及微观选址具有一定的指导意义。     

基于多自由度运动条件下风力机动力学特性研究

该文提出耦合无规则、多自由度旋转运动的风力机试验方案,通过物理模型试验,研究风电场阵列布置、不同风力机轴向间距工况下,各排风力机来流速度、功率及其波动特性。结合功率时间尺度积分的概念,探究其与风力机平均输出功率的关系,并建立预测功率波动特征的数学模型。研究结果表明:风力机的来流速度有大尺度、低频率和小尺度、高频率的信号特征,从功率时间尺度积分的趋势可看出,处于下游的风力机,功率波动逐渐增加。由功率能谱特性曲线可知功率波动的能量随着频率的增大而衰减,在低频率段衰减曲线近似f^-2的变化规律;在高频率段,能谱特性曲线近似f^-5/3-2的变化规律。     

风力机气动-结构仿真平台构建与计算

为在研究大型风力机气动性能的同时考虑其结构动力学特性,基于开源计算流体力学软件OpenFOAM及气动-水动-伺服-控制软件FAST,并结合致动线方法（Actuator Line Method,ALM）实现风力机叶轮周围流场信息与结构响应间的数据交换,最终完成风力机气动-结构仿真平台FASTFOAM构建。通过该平台计算了风场中两台串列布置5 MW风力机的气动性能及结构动力学特性。结果表明：FASTFOAM平台能够快速计算出风力机的功率输出、结构响应及流场信息;风力机尾迹在发展过程中可持续与周围流场进行能量交换而使其速度亏损得以弥补;下游风力机受上游风力机尾迹影响严重,输出功率只有上游风力机的21.05%,且结构动力学响应与上游风力机不同;上游风力机和下游风力机叶轮的主要刺激频率分别为0.16和0.15 Hz。     

风力机尾流相互干扰的数值模拟

结合制动盘理论与CFD方法,采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。风电场内风力机机组呈梅花型排布,考虑入流角分别为0°、15°和30°代表风力机的偏航现象,利用FLUENT提供的FAN边界将风力机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘,采用N-S方程求解整个风电场的流场分布。该文给出流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布,反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。通过对风电场和风力机的成功模拟表明,制动盘理论结合CFD的方法适用于风电场和风力机的流场模拟,可为风电场微观选址和风力机排布提供参考,且计算量远小于完全数值模拟方法。     

风轮尺寸与旋向对双风轮风力机功率特性的影响分析

为掌握双风轮风力机风轮尺寸与旋向对其功率特性的影响规律,文章建立了双风轮风力机气动特性分析模型,并与美国国家能源部可再生能源实验室的实验结果进行了对比,计算分析了双风轮尺寸和旋向对风力机功率特性的影响规律。结果表明:当风速为10 m/s时,设计的双风轮风力机比单风轮双叶片风力机输出功率提升了84.9%;随着风轮半径增大,双风轮风力机输出总功率逐渐增加;当前、后两风轮反向旋转时,双风轮风力机前风轮大后风轮小的布局可获得更高的输出功率,且增幅随着后风轮半径增大先减小后增大,最大增幅为5.3%;除前、后两风轮半径相同的情形之外,双风轮风力机前、后两风轮同向旋转时输出总功率更大。     

风轮间距与相位角对双风轮风力机功率特性的影响

采用雷诺平均N-S方程和滑移网格建立双风轮风力机气动特性分析模型,将风力机叶片压力分布和功率特性计算值与实验值进行对比,并分析双风轮间距和相位角对风力机功率特性的影响规律。结果表明:前风轮的输出功率基本不受风轮间距的影响,后风轮的输出功率随风轮间距的增大而减小,且降幅逐渐增大;随着风轮相位角的增大,前风轮的输出功率先减小后增大,后风轮的输出功率先增大后减小;当风轮相位角为30°和75°时,双风轮风力机总输出功率分别达到最大值和最小值。