风力机智能叶片气弹建模与主动控制仿真研究

为研究大型风力机智能叶片的气弹特性及尾缘襟翼对叶片形变和疲劳载荷的影响,以带有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,综合柔性叶片的旋转、重力、阻尼和气弹耦合等因素,建立了智能叶片多模态挥舞气弹模型,并与FAST平台进行仿真对比。基于LMS算法设计了尾缘襟翼主动控制器,在湍流风况下对叶尖偏移量进行控制仿真。结果表明:该气弹模型的准确度较高;尾缘襟翼主动控制方法可以有效减小叶尖偏移量波动并降低叶片疲劳载荷。     

引入权值修正预测控制的风电叶片自适应组合抑振策略研究

针对大型风电叶片颤振开展主动控制研究,采用柔性尾缘襟翼方式,以NACA0012翼型为研究对象,建立二自由度叶片的颤振控制增广模型。引入拉盖尔函数对模型预测控制（MPC）算法中权值更新策略进行指数修正,在此基础上利用分层结构思想对叶片减振系统划分不同控制层次,设计以振动量最小化为控制目标的自适应组合控制策略。利用仿真平台对标准工况和干扰工况下所提控制策略的控制结果进行分析,结果表明：所提方法可有效抑制气弹耦合作用下的叶片振动,降低抑振能耗,与常规自适应控制方法相比,具备更优的抗干扰性能,可进一步提升复杂运行环境下风电叶片振动控制系统的适应能力。     

智能叶片风力机建模及多目标尾缘襟翼控制

为了研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在每个叶片上增加了2段独立的尾缘襟翼。首先,建立了智能叶片风力机气动、传动链以及发电机模型,进而在Matlab/Simulink中搭建了带有尾缘襟翼的智能叶片风力机模型,并在不同风况下使用FAST气弹仿真平台对所建模型进行对比验证,最后在智能叶片风力机模型基础上设计了多目标多襟翼控制。结果表明:与FAST气弹仿真平台相比,智能叶片风力机模型各项参数偏差均小于10%,精度较高;在多目标多襟翼控制作用下,风力机的叶根挥舞弯矩在1P频率处的功率谱密度减少了89.73%,发电机功率标准差减少了75.07%。     

载荷优化的海上漂浮式风电机组二阶滑模变桨控制

针对强非线性、强耦合的海上漂浮式风电机组动力学系统,提出一种基于二阶滑模的统一变桨控制策略,解决受海浪风速等随机干扰引起浮式支撑平台运动而产生的疲劳结构载荷及功率波动问题。构建漂浮式风电机组的不确定仿射非线性模型,基于风电机组“额定转速”设计积分滑模面,此“额定转速”不再是恒定值,而是取决于平台纵摇速度的变量,基于超螺旋算法实现二阶滑模变桨控制律。采用FAST和Matlab/Simulink联合仿真,所提出的方案与传统PI控制相比,对稳定高风速时风力发电机功率,抑制浮式支撑平台运动及减少叶根载荷具有更好的控制作用,对塔基也有较好的减载作用。     

风力机智能叶片颤振建模及主动控制仿真

以带有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,综合考虑非定常气动力、气动阻尼和弯扭耦合等因素,建立了改进的智能叶片气弹模型,并与FAST平台进行仿真对比。基于径向基函数(RBF)神经网络自适应比例、积分、微分(PID)方法设计了尾缘襟翼主动控制器,在标准湍流风况下对叶尖偏移量进行仿真控制。结果表明:改进气弹模型的准确度较高;尾缘襟翼主动控制方法可有效减小叶尖偏移量的波动。     

张力腿漂浮式风电机组疲劳载荷智能控制研究

以张力腿式(tension leg platform,TLP)UpWind/NREL 5 MW风电机组为研究对象,采用FAST/AeroDyn开源代码,结合自主开发的基于柔性尾缘襟翼(deformable trailing edge flap,DTEF)的载荷智能控制系统,搭建气动-水动-伺服-弹性仿真平台,选取国际电工协会(IEC)标准正常湍流模型(NTM)和正常海况模型(NSS)工况,开展张力腿漂浮式风电机组载荷控制研究。通过与整体变桨控制比较发现,在DTEF控制下,叶片、传动链和塔架的疲劳载荷得到了有效控制,载荷降低20%～35%,增加了系统的可靠性和经济性。在额定风速以上,DTEF的辅助变桨作用可缓解变桨系统的磨损,并同时降低发电机转速、扭矩和功率的波动,提高了机组的性能。为探索控制有效性的原因,开展详细的基于DTEF的相关机理分析。     

风力机叶片气动降载与流动分离控制技术综述

风力机大型化已成为风电技术发展的主要趋势。但随之而来的叶片尺寸增大、气弹特性增强、多尺度流动等问题将导致叶片处于更加复杂严峻的风况及载荷环境。为提高叶片应对复杂风况及载荷的能力,提高叶片气动效率,有必要采用先进有效的流动控制技术以满足叶片气动降载与流动分离控制的需求。针对当前主流的流动控制技术进行了介绍,并对较具发展潜力的尾缘襟翼与自适应襟翼研究现状进行了重点介绍。现阶段流动控制技术并未在风力机叶片中得到广泛应用,一方面在于流动控制技术尚难与叶片现有主体控制技术相结合,以达到相辅相成的控制效果;另一方面在于对于部分控制技术,如自适应襟翼等,其控制特点尤其是其在风力机实际运行中的控制特点尚不明确。后续研究中,对于叶片气动降载,应结合更为先进的控制方法与更可靠的研究手段开展尾缘襟翼控制与叶片主体控制的协同控制研究;对于流动分离控制技术,应侧重于改善被动控制技术在非适用工况下的不良影响,同时开展流动控制技术在整机中的实验与数值研究,加快流动分离控制技术的实际应用。     

基于蚁群算法的Spar型浮式风机独立变桨控制方法

针对多自由度、非线性、强耦合的漂浮式风电机组,为了缓解其在额定风速以上出现的风轮载荷不平衡、漂浮式基础摇荡及功率输出不稳定等问题,提出了一种基于蚁群算法的独立变桨控制方法,用于动态优化PID控制器参数。针对传统蚁群算法搜索效率低、质量差等问题,文章采用最优-最劣蚂蚁系统对其改进,得到了更适用于漂浮式风电机组的蚁群PID独立变桨控制方法。FAST-Matlab/Simulink联合仿真结果表明,相比于PID独立变桨控制,基于蚁群算法的独立变桨控制方法能有效地减小桨叶根部所受力矩,缓解漂浮式基础的纵向运动,保证功率输出的稳定。     

海上张力腿浮式风机整体结构动态特性研究

随着大型海上风电场的建设逐步由浅水海域向深水海域发展,传统固定式基础结构已不能满足海上风机工作性能要求,研究漂浮式风机已成为各国开发海上风能的热点工作。文章采用风机正向设计软件SWT对海上张力腿浮式风机整体结构进行了模态分析,得到浮式风机整体结构的动态特性。由分析结果可知,浮式基础的振动对上部塔架有连带作用;浮式基础低阶振型主要表现为横荡、纵荡、首摇、纵摇、横摇和垂荡,高阶振型表现为振荡、摇动和部件振动的复合;浮式风机自振频率和主要海浪谱频率以及风机叶片旋转频率不产生共振。     

基于改进DMC的风力机智能叶片多目标襟翼控制

为研究尾缘襟翼在风力机主动降载和功率控制方面的效果,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,在改进FAST的带有尾缘襟翼的气弹仿真平台基础上,使用改进动态矩阵控制(DMC)方法,将独立襟翼控制器与集成襟翼控制器结合,提出DMC多目标襟翼控制策略。仿真结果表明,稳定风况及湍流风况下,独立襟翼控制器均能很好地降低叶根疲劳载荷;阶跃风况下与传统DMC控制器相比,使用改进DMC的集成襟翼控制器对叶轮功率的控制效果更好;湍流风况下与PID襟翼控制策略相比,DMC多目标襟翼控制策略有更好的控制效果,能使叶根弯矩标准差降低52.64%,叶轮功率标准差降低74.62%。     

风力机智能叶片非定常气动特性分析

为研究大型风力机智能叶片的非定常气动特性,以具有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,改进动态失速模型并修正动态尾流模型,建立风力机智能叶片的非定常气动模型。进而,通过仿真验证所建模型的准确性。最后,研究在不同尾缘襟翼角度下翼型升力系数、叶根挥舞弯矩和风力机功率的变化规律。结果表明,所建模型可较准确模拟翼型周围的非定常流动状态;尾缘襟翼可减小动态失速效应,有利于降低疲劳载荷、抑制功率波动。     

风力机尾缘襟翼结构参数优化及控制性能分析

为研究适应不同风况下的尾缘襟翼最优结构参数,以NREL 5MW风力机为参考对象,对FAST进行二次开发,在Matlab/Simulink上搭建了带尾缘襟翼的风力机气动弹性伺服仿真平台;以11.4m/s稳定风为例,综合考虑尾缘襟翼位置、长度、占弦比及摆角范围对风力机载荷抑制及功率捕获的影响,提出了基于正交设计的大型智能风力机尾缘襟翼的参数优化方法,得到一组最优的尾缘襟翼结构参数;研究了标准湍流风况下尾缘襟翼控制对风力机动态性能的影响.结果表明:尾缘襟翼不仅可显著降低叶片的疲劳载荷、减少变桨机构动作,还可有效抑制风力机输出功率的波动.     

尾缘襟翼结构参数对大型风机气动性能影响的仿真研究

利用FAST仿真平台,研究了大型风机智能叶片的尾缘襟翼结构参数对叶片载荷抑制和功率捕获等气动性能的影响。仿真结果表明:尾缘襟翼位于叶尖部位时,在不同风况下,襟翼对叶片具有较好的降载效果,低风况及过渡风况下,功率捕获损失较小;增加襟翼占弦比、长度和摆角范围,在低风况及过渡风况下,可进一步提高叶片的降载能力,但存在一定的功率损失;在高风况下,襟翼占弦比、长度和摆角范围均存在提高叶片降载能力的最佳值,且这3个参数的变化对功率捕获无影响。     

6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究

海上风电场建设由近海走向深远海,漂浮式风电机组将会是这一区域最适合的选择。选用华锐6 MW机组,结合东海某海域环境条件和IEC规范,利用气动-水动耦合时域分析方法,对不同基础型式下的风电机组载荷特性进行研究。计算结果表明:漂浮式风电机组叶片、轮毂极限载荷与海上固定式风电机组相比没有明显增加,塔筒底部极限载荷增加幅度可达30%;在正常发电工况和极端空转工况叶片和轮毂极限载荷主要受风载荷控制,而塔筒底部和顶部极限载荷在不同工况受风载荷和波浪载荷影响效果则有不同。     

基于泛模型的风轮不平衡载荷控制

针对大型变速变桨风电机组风轮的非线性特征和难以建立精确模型的问题,设计了一种基于泛模型的风轮不平衡载荷自适应控制器。根据传感器测量的叶根载荷,对3个叶片进行独立变桨控制,通过3个叶片的桨距角差异来减小风轮的不平衡载荷。在此基础上,以双馈变速变桨机组为对象,通过仿真对该控制器进行了测试,结果表明该方法用于减小风轮的不平衡载荷是可行且有效的。     

基于改进无模型自适应控制的漂浮式海上风机转矩-变桨协调控制策略研究

针对漂浮式海上风机建模困难、频繁变桨造成的严重疲劳损伤等问题,提出一种基于改进无模型自适应控制的转矩-变桨协调控制策略。该策略不依赖漂浮式海上风机的数学模型,通过集成迭代学习控制策略改进无模型自适应控制方法,设计发电机电磁转矩和桨距角作为控制变量的多输入多输出控制器进行协调控制,允许非零度桨距角下风机用做动能缓冲,在平滑输出功率的同时减少变桨动作量。为证明所提出控制策略的有效性,在多种风场景下,与增益调度PI控制等方法进行了对比实验。结果表明：所提出的控制策略使漂浮式海上风机在满足发电功率平稳性的同时减缓了漂浮平台的俯仰运动,可有效降低漂浮式海上风机的疲劳载荷。     

MW级变桨距风电机组叶片转矩计算与特性分析

以叶素-动量理论及其修正方法为理论基础,以某MW级水平轴式风电机组为研究对象,建立MW级风电机组叶片转矩特性数学模型,对计算算法进行了分析与讨论.获得了来流风速切变条件下,诱导因子变化规律以及叶片载荷、叶轮转矩、机械功率、风能利用系数等计算结果,与风电机组实际状况基本吻合.计算结果表明,单个叶片承受周期性交变载荷,而风轮合转矩波动量较小,在满足风电机组功率稳定输出性能指标的同时,期望改善叶片载荷状况,延长其寿命,应采用独立变桨技术.     

基于动力学模型和多种群遗传算法的漂浮式风电机组调谐质量阻尼器参数优化

针对5 MW ITI Barge型漂浮式风电机组，该文利用动力学模型和多种群遗传算法配合寻求机舱中调谐质量阻尼器（TMD）各参数最优解。首先，基于拉格朗日方程建立含TMD的风电机组动力学模型，采用列文伯格-马夸尔特（LM）算法对模型中未知参数辨识；其次，以塔架纵向位移标准差为目标函数，采用多种群遗传算法和动力学模型配合对TMD各参数寻优。最后，按照最优解重新设计TMD参数，分别在5种典型风浪组合载荷工况下，利用FAST全耦合模型验证TMD的减载效果。结果显示：优化参数后的TMD能够有效降低Barge型漂浮式风电机组的关键部位的疲劳载荷。对比无TMD控制时，塔架纵向位移标准差降低约6%～48%；塔根纵向弯矩标准差降低约10%～45%；叶根纵向弯矩标准差降低约11%～33%。     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

10 MW张力腿平台风电机组极端条件下响应特性分析

使用FAST构建10 MW漂浮式风电机组的完全耦合非线性模型,针对极端情况,通过耦合求解器FAST对张力腿平台(TLP)式风电机组的叶片、塔架和平台等关键部件进行研究。结果表明:在最大运行工况下,TLP式风电机组风轮叶片承受更大的载荷,但在极端停机工况下,塔架承受更大的弯矩和剪切力;TLP在极端停机工况下的响应更剧烈。风轮叶片的结构校核应基于运行工况,而其他部件的结构校核要考虑极端停机工况。