高原山地风电场脉动风特性实测研究

文章基于四川省高原山地风电场实测风速数据,对平均风速与风向、湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度等脉动风特性进行了研究分析。研究结果表明:当平均风速较低时,随着风速的增大,湍流强度和阵风因子均呈现出明显的减小趋势,而当风速超过临界值时,减小趋势逐渐平缓,两者的临界风速分别为8 m/s和10m/s;随着湍流强度的增大,阵风因子呈现增大的趋势,且随实测高度增加两者相关性更好;随着平均风速的增大,湍流积分尺度呈现增大的趋势,实测数据计算得到的30 m和80 m高度层顺风方向湍流积分尺度分别为114.8 m和168.7 m,更为接近日本风载荷规范计算结果。     

热带海岛典型地貌风场特性的无人机实测

利用双无人机测风系统实测海岛三类典型场地的风场特性,并与多国风荷载规范对比。结果表明,近海岸、低矮温室基地、多高层建筑群实测风剖面分别与中国规范A类、日本规范Ⅲ类、美国规范B类剖面较吻合。近海岸湍流强度小于各国规范,低矮温室、多高层建筑群实测值分别与日本规范Ⅲ类、Ⅳ类场地值较吻合。阵风因子随粗糙度、湍流强度提高而增大,近海岸、多高层建筑群阵风因子与湍流强度相关性分别接近Ishizaki、Cao建议模型。实测积分尺度随高度而增大,随粗糙度而减小,提出热带海岛典型地貌的积分尺度公式。同一地貌的风速竖向、水平相关性随高差、水平间距增大而减弱;同一高差的风速竖向相关性随粗糙度提高而减弱。von Karman谱能较好地描述热带海岛脉动风在频域内的能量分布特性。     

湍流风分形特性对比研究

基于多种湍流风谱模型并考虑湍流强度、地表粗糙度及空间高度对湍流风的影响,获取各种环境条件下的湍流风风速时间序列数据并生成相应的时域风速曲线。应用图像识别技术和盒子计数法,对各风速曲线分形维数进行计算与分析。结果可揭示湍流风风速时间序列的分形特性,且研究了湍流强度、地表粗糙度及空间高度对湍流风分形维数产生的影响,可为湍流风的分析及湍流风谱的准确选择提供一种新思路。     

基于分形学的湍流风谱特性对比研究

为定量描述湍流风场和解决湍流风谱模型选择时存在盲目性和不准确性等问题,基于多种湍流风谱模型并考虑湍流强度、地表粗糙度及空间高度的影响,生成不同程度的风速时间序列曲线。基于图像识别技术和计盒维数法对各条件下风速曲线分形维数进行计算。结果表明:不同湍流风谱模型具有不同的分形特性;湍流风分形特性受湍流强度和地表粗糙度影响;相同地貌特征和气候条件下,不同高度处风速时间序列数据具有不同的分形维数。     

基于Windographer的某区域风电场风资源分析评估

根据甘肃省某区域风电场测风塔10 m、40 m、60 m、80 m高度的实测风数据,利用Windographer4.2风资源分析软件计算空气密度、平均风速和风功率密度年内变化和日变化、风速和风能频率分布、风向频率和风能频率方向分布、风切变指数、湍流强度和50年一遇最大风速等指标参数。其计算结果表明测风塔80 m高度年平均风速为6.93 m/s,年平均风功率密度为354 W/m~2,年有效风速(3.0～25.0 m/s)时数为7 200 h以上,盛行风向稳定。60～80 m高度湍流强度在0.072～0.080之间,小于0.12,湍流强度较小。综合判定该区域风能资源较为丰富,符合大型风电场建设条件,适宜进行大规模风电开发利用。     

动态入流对叶片气动性能和叶面压力分布影响的数值分析

基于稳定风、渐变风、阵风等入流方式,建立了不同变风阶段叶片气动载荷非稳态计算模型,研究了不同风速变化速率对叶片气动性能以及叶面压力分布的影响规律。研究结果表明,在相同风速下,不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响,且风的加速度越大,其影响越显著。同风速下的压力面渐变风压力小于稳定入流压力,且两种入流方式的压力差随展向位置逐渐增大,而吸力面上的压力分布差异较小,但压力变化梯度随展向位置却有明显不同。阵风入流中,在相同风速的阵风加速与阵风减速时刻,压力面、吸力面的压力分布差异较大,但其压差随叶片展向位置波动较小;在叶根到叶片展向位置0.7R处,阵风加速出力大于阵风减速;在0.7R处到叶尖位置,阵风减速出力效果相对更好。     

地基式测风激光雷达在风电测试中的性能研究

作为新式遥感测风设备,地基式测风激光雷达正在风电领域得到大量应用。地基式测风激光雷达的测风原理和传统测风塔的测风原理之间存在本质差别,因此对地基式测风激光雷达测量结果的评估显得尤为重要。从地基式测风激光雷达在风电领域的实际应用出发,阐述了其在测风方面的优越性,根据IEC 61400-12-1:2017标准,分析了地基式测风激光雷达的实际测量数据,并与传统测风塔的测量数据进行了对比,分析了二者的差异性,研究并验证了地基式测风激光雷达在测量水平风速、风向、湍流强度、风切变等气象参数方面的精度。研究结果表明,地基式测风激光雷达在水平风速、风向、风切变方面的测量精度良好,其测量数据与传统测风塔的测量数据存在良好的相关性;在湍流强度测量方面,地基式测风激光雷达与传统测风塔的测量结果存在明显差异性。     

动态来流对风力机性能的影响

应用ICEM-CFD建立结构化网格,采用滑移网格的方法对NREL 5MW风力机的气动性能进行了数值模拟。计算了不同风况下风力机3个叶片表面的气动载荷分布,得到不同风况下风力机的气动性能。模拟结果表明,垂直风切变风况、阵风风况对叶片表面载荷分布影响较小,风向变化风况对叶片表面载荷分布影响较大;动态来流会使风力机近尾迹涡的位置及结构发生改变;垂直风切变风况下,风机尾迹速度在4D处几乎恢复到主流速度,阵风风况下,尾迹速度在6D处几乎恢复到主流速度,风向变化风况下,尾迹速度在10D处才接近主流速度。     

风电场风切变指数研究

根据山东某风电场实测资料,对风电场逐月、逐时、不同风速下的风切变指数进行研究并探究风切变指数不同取值对风电场轮毂高度处风资源的影响。在分析轮毂高度风资源时,建议采用高差较小的高度处风速根据综合风切变指数进行推导。     

台风影响下的正常湍流模型（NTM）设计

收集了2003年以来88个测风塔29个热带气旋(TC)影响期间逐日10 min测风资料,研究发现:TC中心及附近湍流强度超过IEC标准A类,特别是风速达16~29 m/s时最大可超出标准0.04,IEC标准正常湍流模型(NTM)不能完全描述台风影响下中心及附近区域的情形。TC中心及附近湍流模型NTM表达式应为σ95%=Iref(0.884V)hub+8.172,湍流强度A、B、C类分别定义为0.18、0.16和0.14,更高级别的湍流强度类定义为0.20。     

垂直对称四叶片风力机气动特性仿真研究

采用CFD计算软件对垂直轴风力机气动性能进行计算.首先,使用ICEM软件对模型进行前处理,通过Fluent软件进行数值模拟,分析不同计算时间步长和湍流模型对风力机气动特性仿真结果的影响,确定符合该研究模型的计算方法.随后,对顺流垂旋型垂直轴风力机在不同叶尖速比下进行计算,发现该风力机在叶尖速比为0.42时获得最大功率系...     

基于激光雷达的风力机分离测风独立变桨控制策略

在基于叶片根部载荷的PID独立变桨控制的基础上,引入激光雷达并提出优化的独立变桨控制方法.利用激光雷达可重建风力机前方风场信息的特点,对风力机前方风速进行提前测量.提出并使用统一风演化模型对所测数据进行二次处理,得到更贴近实际的叶轮中心风速,进一步使用所提出的分离测风方法对叶根载荷进行提前计算,根据载荷的计算值进行独立...     

极端风况下双转子风力机降载复合控制策略

为降低双转子风力机在极端风况下的大波动载荷,基于双转子风力机气动与控制仿真系统,提出了基于独立变桨自抗扰控制器和偏航模糊控制器的降载复合控制策略,并分析了正常风况和极端风况下该策略的控制效果。结果表明：与传统PID独立变桨控制相比,在极端运行阵风和极端湍流模型下,独立变桨自抗扰控制方法使叶根挥舞弯矩标准差减小18%以上;与传统恒速偏航控制相比,在极端风向变化下,偏航模糊控制方法使偏航轴承滚动力矩标准差减小约27%。降载复合控制策略有效降低了极端风况下双转子风力机的大载荷,抑制了功率波动。     

变桨距风力发电机额定风速的确定方法

根据风速的Weibull分布特性和变桨距风力发电机的发电特性,构建不同额定风速下风力发电机年发电量计算方法.应用美国可再生能源实验室(NREL)对风力发电成本的研究成果,建立了变桨距风力发电机发电的度电成本数学模型,提出了以度电成本最低为目标的额定风速确定方法,为变桨距风力发电机的额定风速最优选择提供了计算依据.     

沿海陆上风速衰减规律

为了研究沿海地带风的变化规律，在天津渤海湾进行了补充设点观测试验，结果表明，在距离海岸线10km的范围内，风速迅速衰减，随着向陆上的延伸（10km以外），这种衰减逐渐缓慢，并在此基础上得到一个陆上风速衰减的普适关系式。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

Effects of wind shear on wind turbine rotor loads and planetary bearing reliability

Recent studies suggest that wind shear and the resulting pitch moments increase bearing loads and thereby contribute to premature wind turbine gearbox failure. In this paper, we use momentum‐based modeling approaches to predict the pitch moments from wind shear. The non‐dimensionalized results, which have been validated against accepted aeroelastic results, can be used to determine thrust force, pitch moment and power of a general rotor as a function of the wind shear exponent. Even in extreme wind shear (m = 1), the actual thrust force and power for a typical turbine (R* < 0.5) were within 8% and 20% of the nominal values (those without wind shear), respectively. The mean pitch moment increased monotonically with turbine thrust, rotor radius and wind shear exponent. For extreme wind shear (m = 1) on a typical turbine (R* = 0.5), the mean pitch moment is ~25% the product of thrust force and rotor radius. Analysis of wind shear for a typical 750 kW turbine revealed that wind shear does not significantly affect bearing loads because it counteracts the effects of rotor weight. Furthermore, even though general pitch moments did significantly increase bearing loads, they were found to be unlikely to cause bearing fatigue. Analyses of more common low wind‐speed cases suggest that bearing under‐loading and wear are more likely to contribute to premature bearing failure than overloading and classical surface contact fatigue. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

低空急流条件下水平轴风力机风轮气动特性的研究

为阐明低空急流条件下风力机风轮的气动特性,基于工程化的边界层风速模型和Von Karman谱模型建立不同来流的脉动风场,对比研究低空急流条件下NREL 5 MW风力机风轮的输出功率和气动载荷的变化规律。结果表明:如果仅以轮毂高度处的风速作为风力机变桨控制的依据,与均匀来流和剪切来流相比较,低空急流条件下,虽然来流风功率明显增大,但风轮的输出功率在较高风速时反而减小;风轮所受的不平衡气动载荷,包括横向力、纵向力、偏航力矩和倾覆力矩在较高风速时小于剪切来流的结果;且仅以轮毂高度处的风速预测得到的风轮输出功率高于实际结果,其最大相对误差为89.4%。因此,低空急流条件下,为提高风能利用率和风轮输出功率的预测精度,应考虑不同高度位置处的风速大小对风力机进行变桨控制和功率预测。     

基于CFD的二维垂直轴风力机性能计算

采用计算流体力学方法(CFD)针对垂直轴风力发电机,开展简化的二维绕流特性研究。首先,基于开放型转子和增强型转子,研究网格节点数和壁面y+、计算时间步长和湍流模型等的变化对计算结果的影响,对计算模型和方法进行确认。随后,计算分析增强型垂直轴风力机与开放型垂直轴风力机的特性。结果表明,与开放性垂直轴风力发电机相比,增强型垂直轴风力发电机的功率系数和转矩系数有明显增加,且达到最大值的位置向叶尖速比增大的方向移动。然后对增强型垂直轴风力机发电机在不同来流风速下进行计算,发现增强型垂直轴风力发电机的转子转矩随来流风速增加,而转矩系数和功率系数与来流风速无关。最后,针对定子叶片在不同的方向开展计算研究。结果表明,定子叶片在不同方向时,增强型垂直轴风力机的转子转矩不同,且转矩到达峰值的位置也不同;在当前3个方向角中,叶片处于0°方向角时风力机具有最高的转矩系数,即具有最佳的功率系数。     

风力机三维尾流模型的提出与校核

针对大型风力机叶轮范围内风剪切效应突出以及当前工程尾流模型局限于二维空间而忽略垂直方向风速变化的问题,该文综合考虑风速和湍流强度切变效应对尾流的影响,在前期所发展的二维2D_K Jensen尾流模型的基础上,提出一种新型三维尾流模型。之后,新模型被应用于多种工况条件、多种类型的风力机尾流计算中,较为全面地验证其精度及适用性。通过与外场实测和其他高精度数值模拟的结果进行对比,表明新模型对流向、横风向和垂直向的尾流速度均具有良好的预测精度,将来可应用于大型风电场发电量评估和微观选址工作。