风剪切下塔影效应对水平轴风力机叶片及风轮气动载荷的影响

采用CFD方法,以NH1500三叶片大型水平轴风力机为研究对象,研究额定风速剪切来流下的塔影效应对水平轴风力机叶片和风轮非定常气动载荷的影响。结果表明：剪切来流下,叶片和风轮的气动载荷均呈余弦变化规律,塔影效应的主要影响叶片方位角范围为160°~210°,且该范围不随风剪切指数的变化而变化。相同风剪切指数下,塔影效应对叶片和风轮气动载荷的均方根影响较小,对其波动影响较大。当风剪切指数从0.12增至0.30时,塔影效应下,叶片气动载荷的均方根减小,推力和转矩的波动幅度增大,偏航力矩和倾覆力矩的波动幅度减小;风轮推力和转矩的均方根减小,波动幅度变化较小,而倾覆力矩和偏航力矩的均方根增大,且波动幅度也增大。     

大型垂直轴风力机的塔影效应分析

塔影效应对大型垂直轴风力机的流场有显著影响,研究大型垂直轴风力机的塔影效应具有重要应用价值。采用雷诺时均(RANS)方法,在剪切流大气环境下,计算分析5 MW大型垂直轴风力机的功率、转矩、切向力、法向力和表面压力,揭示了塔筒对大型垂直轴风力机的塔影效应。计算结果显示:塔影效应会明显降低垂直轴风力机的平均功率系数,在270～280°相位角附近显著降低叶片前缘的负压强度和负压范围;随着塔筒直径的减小,叶片前缘的负压强度和负压区范围增大,转矩系数的波动幅度减小,单叶片转矩系数增大,叶片空气动力性能改善,发电效率提高。相关结论对大型垂直轴风力机的设计具有一定参考价值。     

5MW风力机塔影效应双向流固耦合分析

为了分析塔影效应对兆瓦级风力机的影响,以NREL 5 MW大型风力机为研究对象进行了风力机双向流固耦合的数值模拟。结果表明:塔筒会导致风力机叶片气动载荷的波动程度增加,叶轮受到的周向转矩与轴向推力的波动幅度是无塔筒时的3倍以上,这导致在风力机运行过程中叶轮和叶片产生的形变和应力波动加剧,且数值在总体上也有所增大,说明有塔筒时叶轮的运行状态更不稳定,塔影效应对风力机的稳定性有不利影响。     

基于等效风速的风电机组参数对输出功率波动和功率损失特性的影响

以大型三叶风电机组为例,研究发电机组参数对输出功率波动及功率损失的影响。首先建立包括风剪切和塔影效应的等效风速模型,推导输出功率和功率系数的数学模型,研究叶轮半径、塔筒高度、塔筒直径和叶片到塔筒中线的悬垂距离等相关参数对功率波动的频率、幅值、波长、波动区域等特性影响规律。然后建立功率损失的数学模型,研究风电机组参数通过风剪切和塔影效应对功率损失造成的影响规律。结果表明:不同参数通过风剪切和塔影效应对输出功率周期性波动及功率损失的影响规律不同,功率周期性波动的幅值及波长受塔筒直径和悬垂距离2个参数影响较大,而功率损失受叶轮半径和塔筒高度2个参数影响较大,但其作用效果相反:功率损失程度随叶轮半径的增大而增大,但随塔筒高度的增大而减小。     

基于风速时空分布的双馈风力发电机组叶轮质量不平衡故障特性分析

综合考虑自然风速时空分布以及风剪切、塔影效应的影响,分析叶轮质量不平衡故障对双馈风力发电机组电气特性的影响。首先对故障特性进行理论分析,分别推导得到了考虑风速时空分布前后叶轮质量不平衡故障下转矩和定子电流的解析表达式及其变化特性;然后在Matlab/Simulink平台进行仿真验证。理论和仿真表明,考虑风速时空分布以及风剪切、塔影效应的影响后,叶轮质量不平衡故障将导致定子电流中存在转频及3k(k=1,2,…,n)倍转频的调制频率,但以转频和3倍频波动为主。其中3k倍频是由风速时空分布造成的,其幅值不会随故障程度变化。使用等效风速替代平均风速,该研究更加贴合自然界中风力机实际运行状况,可为实际风力机运行中的故障诊断提供参考。     

基于叶素理论的非稳态风轮转矩模型

基于叶素理论,建立在风剪切、风尾流以及塔影效应影响下5 MW风力机叶片转矩特性数学模型,采用分段差分方法拟合风力机升力系数和阻力系数,采用动态尾流模型和差分算法计算诱导速度,通过设定风速得出了叶轮转矩、机械功率等仿真结果,仿真结果验证了理论分析的正确性。研究结果对独立变桨控制器的设计具有参考价值。     

风力机动态模拟器的仿真研究

为了满足实验室研究风力发电技术的需要,该文设计了动态风力机模拟器。在分析实际风力机与模拟系统差异的基础上,综合考虑了风力机的风剪效应、塔影效应及其风力机的大惯量特性,提出了转矩指令动态补偿的转矩模拟方案。详细分析了惯量补偿的原理,并对其正确性进行了数学论证。理论分析和仿真结果表明,模拟系统的动特性与风力机的理论动特性高度吻合,可方便地用于实验室条件下的风力发电技术研究。     

大型水平轴风力机塔影效应特性研究

为了研究塔影效应对大型水平轴风力机的影响,选取NREL 5MW风力机作为研究对象,利用Fluent软件对单台风力机的不同工况进行数值模拟。结果表明:塔影效应的影响主要发生在叶片方位角为140°~210°的时域内;当叶片扫掠过塔筒时,其不同周向位置的转矩和轴向推力出现大幅波动,转矩的相对波动幅度随来流风速的减小而减小,叶片所受轴向推力的相对波动幅度随来流风速的减小而增大;由于叶片尖部周向线速度较大,在研究塔影效应时需考虑叶轮旋转效应的影响;对于风力机尾迹流场,旋转半径越大处,塔筒造成的尾迹越明显,其长度约为叶轮直径的2倍。     

海上风电机组机型发展的技术路线对比

大型化是海上风电未来发展的重要趋势,海上风电机组的类型也从恒速恒频发电机组发展到变速恒频发电机组,双馈异步风电机组、永磁和电励磁同步风电机组、笼型异步风电机组4种技术路线均可采用变速恒频控制技术。从发电机类型和控制策略、传动系统和吊装维护两个方面,对不同类型海上风电机组的性能进行比较,由于采用不同的发电机技术、变速恒频控制方法和传动系统,实际应用中也是各有优缺点。从经济性来看,电励磁直驱同步风机系统的成本最高,成本较低的是双馈异步和永磁半直驱同步风机系统;永磁直驱同步发电机组的年发电量最多,其次是电励磁直驱同步风机系统,永磁半直驱同步风机系统介于电励磁直驱同步风机系统和双馈异步风机系统之间;永磁半直驱同步风机系统的度电成本最低。国外海上风电机组以永磁直驱和永磁半直驱同步发电机组两种技术路线为主,而永磁半直驱同步风机系统具有较好的性能和经济性,更适合目前我国海上风电行业的发展现状。     

变速恒频直驱型风电系统低压穿越技术

随着变速恒频型风电在电网中所占份额不断增加,电力系统对并网风电系统的故障运行能力,尤其是电网电压瞬间跌落故障下的不间断运行能力提出了严格的要求,而基于全功率变流器的永磁直驱型风电系统已经被证实具有出色的低压运行特性.因此,本文对变速恒频直驱型风电系统低压穿越技术进行研究.首先分析了电网故障对直驱型风电系统的不良影响,然...     

基于Matlab/Simulink的永磁直驱风力发电机组建模和仿真研究

以永磁直驱风力发电机组为研究对象,建立了包括风力机、传动部分、永磁直驱发电机、矢量控制策略、最大风能捕获策略的整体数学模型;应用Matlab/Simulink工具,以建立的数学模型为基础搭建了永磁直驱风力发电机组仿真模型,并以两次阶跃风速为例对所建模型并网后运行特性进行了仿真研究。实现了永磁直驱风力发电机组的最大风能捕获和功率解耦控制,仿真结果表明,永磁直驱风力发电机组具有良好的运行特性,同时验证了所建模型的正确性和有效性。     

计及运行环境影响的风力机可靠性建模

根据风力机子系统的不同特性将其分成电力电子系统、机械系统和控制系统3个部分,考虑风速与温度分别对这3个部分的影响,提出计及运行环境影响的风电机组可靠性精确建模方法。为考虑机械系统故障率与风速之间的非线性相关性,该文引入Copula函数进行分析,并利用Copula函数生成相关性样本,从而建立机械系统可靠性模型。根据山西某风场实际风速与温度数据,以2 MW永磁直驱同步风电机组为例,分析不同月份中不同风速与温度情况下风电机组的故障率情况。研究结果表明,使用该文所提方法可得到风速、环境温度与风力机故障率之间的定量关系,从而得到更精确的风力机可靠性模型。     

永磁直驱风电机组低电压穿越技术的仿真分析

随着电力电子技术的发展,永磁直驱风电机组的并网运行的发展前景看好。为了提高永磁直驱风电机组在电网故障下的低电压穿越能力,可以在直流侧增加了卸荷电路。通过对永磁直驱风电机组的建模和仿真,表明直流侧增加了卸荷电路可以有效提高直驱永磁风电机组的低电压穿越能力。     

基于SVPWM的直驱永磁同步风电系统GS-NSC研究

九开关变换器可实现直驱永磁同步风电机组并网运行及电压补偿功能。文章采用空间矢量脉宽调制方法,提高了九开关变换器直流电压利用率,对网侧九开关变换器(Grid-Side Nine Switch Converter,GS-NSC)的控制策略进行了改进。通过设计多种并网点电压故障工况,对直驱永磁同步风电系统的运行特性进行分析,仿真结果表明,网侧九开关变换器在非正常工况下可维持风电系统输出电压稳定,优先向电网注入无功电流支撑电网电压恢复,实现风电系统的故障穿越运行。     

并网永磁直驱风电机组故障穿越能力仿真研究

随着电力电子器件成本下降,拥有全功率变换器的永磁直驱风机成为各国关注热点。风电场容量不断增大,要求风电机组具有故障穿越能力。本文以直驱同步风电发电机组为研究对象,利用matlab/simulink搭建了直驱同步风电机组的动态数学模型,对直驱同步风电机组故障穿越能力进行仿真研究,试验结果表明：在风电场接入点发生故障时,直驱同步风电机组具有故障穿越功能。尤其在电网发生电压跌落时,直驱风机能为系统提供一定的无功支撑。有效防止系统电压过多降落。提高了系统故障运行的稳定性。     

采用耦合电抗器的兆瓦级永磁直驱风电变流器仿真研究

提出一种采用耦合电抗器的独立直流母线型永磁直驱风电变流器,分析其去耦等效电路和高阻抗环流路径,阐明耦合电抗器抑制环流的根本机理,并分别建立机侧变换器和网侧变换器的数学模型,根据所得模型分别设计控制策略,实现了永磁直驱风电变流器的并联运行,抑制了环流,解决了环流引起的不均流、波形畸变等问题,提高了系统的可靠性和效率。最后,对一组采用耦合电抗器的1.5 MW永磁直驱风电变流器进行了仿真验证,结果证明上述分析及控制策略的正确性。     

大容量永磁同步风电机组系统谐振分析与试验研究

风机变流器是变速恒频风电机组的核心部件,变流器电网侧LC/LCL滤波器在保证良好并网特性同时也带来了谐振问题。针对该问题,文章基于风机变流器网侧滤波器动态特性分析,揭示了风电机组谐振机理,分析了系统阻尼对谐振的影响。在Matlab/Simulink中建立了2.0 MW直驱型永磁同步发电机组系统仿真模型,实现了风电机组谐振的全过程仿真。首次在2.0MW永磁直驱风电机组上进行了机组谐振现场试验,仿真与现场试验证明了理论分析的正确性。在此基础上,提出了风电机组谐振消除与抑制方法,对实际运行风电机组谐振改造和变流器设计具有现实的指导意义。     

减小风力机1P气动载荷和3P气动转矩脉动的独立变桨距控制策略研究

为研究风切变和塔影效应对三叶片风力机气动载荷、气动转矩以及输出功率的影响,根据风切变和塔影效应的风速模型,引入等效风速模型,推导分析风力机1P(P为风轮旋转频率)气动载荷和3P气动转矩脉动的形成机理,并基于GH Bladed仿真平台验证这2种脉动的存在性。为减小这2种脉动对风力机产生的影响,基于变桨控制,设计带通滤波器过滤出风力机输出功率的3P脉动分量,并结合方位角信号将其转换为每支叶片的桨距角调节信号,与统一变桨控制的桨距角参考信号叠加,实现基于输出功率和方位角联合反馈的独立变桨距控制。仿真结果表明,所提独立变桨距控制策略不仅能有效缓解风力机1P叶根挥舞载荷脉动,还能明显减小气动转矩和输出功率的3P分量,从而在减小风轮疲劳载荷的同时提高风电机组输出电能质量。     

电网故障下直驱永磁风力发电机的无功功率控制策略

直驱永磁同步风力发电系统(Directly driven wind turbinewith Permanent Magnet Synchronous Generators,D-PMSG)因具有结构简单、发电效率及运行可靠性高等优点已经逐渐成为风力发电的主流机型。随着风电场规模的逐渐增大,风力机的低电压穿越能力(Low Voltage Ride Through,LVRT)已经成为大型风电场并网的必备条件。文中针对电网故障下直驱永磁风力发电机的无功功率出力问题,采用在电网故障阶段并联备用变频器以及无功优先的控制方法,在电压跌落期间充分利用变频器的无功产生能力,使风力发电系统在故障期间迅速增加无功功率的输出,提升机端电压,帮助电网电压恢复,从而增强了直驱永磁同步风力机的低电压穿越能力。     

永磁直驱风力发电机组两种主要功率 控制策略的对比研究

在深入研究永磁直驱风电机组运行特性的基础上,详细对比分析了这两种控制策略的本质区别,并对它们的优缺点进行了对比论证,指出了两种控制策略的适用情况。最后,在基于Matlab/Simulink构建的永磁直驱风电机组并网仿真模型上对这两种控制方法进行了仿真对比验证。