测试技术在风力发电机中的应用

风能是一种清洁环保的可再生能源,已经在世界范围内得到了高度重视。风力发电机测试技术是提高风力发电机运行效率及可靠性、降低运行成本的保障,对促进风力发电技术的发展起到十分关键的作用。介绍了几种常用的风力发电机叶片测试方法、风速测量方法及振动测试方法,对各测试方法的特点进行了分析。概述了风力发电机叶片测试技术、风速测量技术及振动测试技术国内外的应用现状,并在此基础上展望了风力发电机测试技术的发展趋势与研究方向。     

风力发电机叶片气动特性数值模拟

建立小型风力发电机叶片的三维流场模型,运用流体软件(FLUENT)分析旋转叶片在不同风速作用下的流动特性及气动特性的变化规律。结果表明:随风速的增大,叶片失速现象越严重,叶尖处的压强和流速均达到最大值;同时,风力发电机输出功率增大,叶尖速比和风能利用系数都减小。利用风能实验平台对小型风力发电机进行了实验测试,将所得数据与数值模拟结果进行对比分析,验证了数值模拟方案的准确性和有效性。     

紧急停机工况下风力发电机系统动态特性分析

以NREL 5-MW风力发电机为研究对象,综合考虑叶片和塔筒柔性、随机风载和控制策略,利用Simulink和FAST建立包含结构动力学和空气动力学的风力发电机系统耦合动力学模型。研究叶片卡死故障紧急停机工况下风机动态特性,分析停机时叶片参数对动态特性影响规律。结果表明:叶片卡死故障紧急停机工况下,塔筒底部受到较大反向冲击载荷,塔筒底部绕Y轴最大弯矩随故障叶片在停机初始时刻的方位角呈现周期性变化,变桨速度越大,风轮和塔筒底部受到的载荷也越大,停机时间越短;与正常停机工况相比,叶片卡死故障紧急停机时机舱X方向振动变大,其振动频率除了0.326 Hz塔筒前后(X-X)弯曲频率外,还出现0.668 Hz叶片一阶摆振频率,主轴俯仰力矩增大,塔筒底部绕Y轴最大弯矩及风轮最大推力减小。     

低速高效垂直轴风力发电机及其特性分析

针对低风速区风力发电机需要低风速切入问题,研究了一种低速高效的定子无铁芯轴向磁通永磁风力发电机。对影响发电机性能的关键参数对进行了归纳,提出了一种单层非重叠集中绕组和优选"切饼"型磁极组合的设计理念。确定了定子无铁芯轴向磁通永磁风力发电机性能分析参数方案。利用三维有限元发电机设计平台,对发电机的空载输出特性,交、直流负载输出特性和不同转速下的负载输出特性进行了对比研究。研究结果表明,该结构发电机的各项基本电磁参数和输出特性均能满足低速风力发电系统的特殊要求:优选的磁极结构使发电机总永磁体耗用量节约11.5%,发电机最大输出效率达87.75%;低转速范围运行时,效率维持在85%以上;不同工况下输出电能总谐波畸变率低于3%。     

叶片安装误差引起的不平衡质量对风力机塔架振动的影响

利用ANSYS建立了塔架的柔性体模型,并对其进行了模态分析,同时在考虑叶片安装误差引起的不平衡质量的基础上,利用ADAMS建立了把塔架作为柔性体的风力发电机系统的柔性体模型,研究了风速变化和变桨引起的风力发电机塔架上方各部件重心的变化对塔架振动的影响,得到了基于上述因素综合作用下的振动分析和动载荷分析结果,为塔架的优化设计提供了更准确的依据.     

基于LabVIEW的变速恒频双馈风力发电电能监测系统

在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频，即在风力发电过程中保持风车的转速（即发电机的转速）不变，从而得到恒频的电能。在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化，并通过其他控制方式得到恒频电能的方法称为变速恒频。     

基于Hilbert空间熵的风力发电机轴承故障诊断

风速的不断变化往往会给风力发电机的故障诊断造成干扰,为此,提出Hilbert空间熵方法。通过建立基于HHT时频变换的信息熵,描述不同风速条件下风力发电机轴承振动信号,将其应用于D70型风力发电机轴承故障分析,证明在不同风速条件下,该方法均能有效识别轴承故障,可作为风力发电机轴承故障诊断的指标和依据。     

关于风力发电机叶片预应力模态频率的研究

通过对风力发电机叶片进行预应力模态频率分析,找出了发电机在使用过程中产生振动耦合的原因。通过对叶片结构形式和选用材料进行改进并对改进后的机体进行模态频率比较研究,得出了避免叶片产生振动耦合的方案,通过疲劳特性分析确定其方案是否可行,为同类产品的安装、使用和优化设计提供了参考依据。     

基于风速时空分布的双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障特性分析

考虑由风剪切和塔影效应引起的叶轮扫掠面内风速时空分布,研究考虑风速时空分布的双馈风力发电机组机械和电气故障特性。首先,建立了考虑风速时空分布的等效风速模型,分别推导得到了考虑风速时空分布前后的风力发电机组机械转矩、转速,正常运行时和定子绕组匝间短路故障时定子电流的解析表达式及其变化特性;其次,在Matlab/Simulink平台搭建双馈风力发电机模型和故障模型,对定子电流进行频谱分析;最后,在风力发电机组故障模拟实验台进行了实验测试与研究。结果表明：考虑等效风速后,定子绕组匝间短路故障时定子电流中除了基频和基频的奇数倍,还会有调制频率3kf_w。     

多设计载荷工况下风机整机动载荷特性分析

为研究风力发电机组在多种设计载荷工况下的动载荷特性,采用SIMPACK、TurbSim和AeroDyn软件协同仿真,以某5MW近海风力发电机组为例,在SIMPACK中建立其整机气-弹-控耦合仿真模型;根据IEC61400-1中规定的设计载荷工况,将风机叶片和塔架考虑为柔性体,使用PID变桨控制策略,模拟风机在正常湍流、极端湍流以及空载工况下风机运行情况,获得了风机轮毂处风速、叶片变桨角度及叶片载荷变化曲线;并对叶片根部载荷做频谱分析,发现叶根载荷频谱中轮毂转频对应频率处出现较大的峰值,是影响叶片疲劳寿命的主要因素。研究结果可为风力发电机组仿真及优化设计提供参考。