基于非线性有限元理论的风力发电机组法兰-螺栓连接分析方法研究

以风力发电机组叶片根部法兰-螺栓连接为例,研究了法兰-螺栓连接分析方法。根据风力发电机组法兰-螺栓连接结构的特点,采用非线性有限元分析方法建立多种法兰-螺栓连接分析模型,对模型的单元类型选择、各部件连接关系的处理及接触对的建立方式进行了研究;分析了单元类型、接触关系等因素对有限元计算结果的影响;提出了针对不同分析需求的风力发电机组法兰-螺栓连接有限元分析方案;为风力发电机组法兰-螺栓连接结构的设计和强度分析提供理论基础。     

基于ANSYS Workbench的大型风力发电机组塔架静态分析

针对大型风力发电机组塔架事故发生率高的问题,以酒泉风电基地瓜州风电场某大型1．5MW风力发电机组塔架（锥筒式）为研究对象,利用ANSYS Workbench软件建立大型风力发电机组塔架的三维有限元模型,进行静态强度分析和剐度分析,准确计算出塔架在各种荷载下的应力及塔顶位移。计算结果表明：被分析的1．5MW风力发电机组塔架（锥筒式）整体结构满足强度和刚度要求,为塔架的优化设计提供了依据。     

风力发电塔架法兰与筒体焊接变形预防控制技术分析

风力发电塔架法兰与筒体焊接时,法兰平面易产生"角变形",致使法兰平面度、内倾度、法兰椭圆度超标,为了预防和控制法兰变形,故在法兰采购时预留内倾量,并在焊接采用对把焊接,在两法兰之间夹垫片用螺栓紧固,严控焊接顺序。该方法可很好地控制法兰平面度、内倾度变形。此控制方法已在工程中得到应用,收获了很好的经济效果。     

大型风力发电机组塔架联接螺栓最大工作载荷的计算

通过风力发电机组塔架联接螺栓所受的载荷种类、特点,对塔架联接螺栓受力状态进行分析,并根据螺栓的分布规律推导出联接螺栓最大工作载荷的精确、简便的计算公式,可供相关设计人员参考.     

风力发电机组塔架仿真和分析

简单介绍了风力发电机组塔架的类型和风力发电机组塔架设计的重要性。分别在某种参考风速及其风向改变90°和180°条件下,运用风力发电机组设计软件Bladed for Windows对风力发电机组塔架风载荷进行了仿真分析。最后,结合仿真结果和实际情况分析了叶片安装角、风轮锥角、风轮仰角、悬距、塔架气动阻力系数和塔架线密度等对塔架风载荷的影响。为风力发电机组的塔架设计提供了参考。     

水平轴风力机主轴与轮毂联接螺栓数值分析研究

针对水平轴风力发电机轮毂与主轴法兰连接处螺栓所受极限载荷问题,基于VDI 2230螺栓连接准则,提出等效梁法,并以此建立螺栓轴向及径向刚度数学模型,重点对螺栓连接的螺纹啮合区进行理论分析,计算螺纹受力以及实际工况下螺栓的等效应力。采用有限元理论对MW级风力机法兰连接处螺栓在ANSYS中进行强度分析,有限元结果与理论分析结果基本一致。研究为螺栓连接强度分析提供了新思路。     

地震对风力发电机组塔架设计的影响

以国内典型的82m风轮直径、70m轮毂高度的1.5MW风力发电机组为例,介绍了Ⅷ级烈度地震载荷的计算方法,通过有限元法(FEA)建模计算了风力发电机组塔架的自然模态位移和地震载荷,并利用得出的计算结果确定地震对塔架设计的影响。实例应用结果表明,Ⅷ级烈度地震引起的载荷叠加值小于塔架的设计极限载荷,塔架设计能满足安装在烈度Ⅰ～Ⅷ地震地区的安全要求。     

现有风力发电机组地震作用计算方法对5MW风力发电机组的适用性研究

基于一台5 MW风力发电机组的实际数据,采用我国地震反应谱,进行有限元反应谱分析。并分别采用日本风电规范、IEC标准及相关文献的计算方法对该5 MW风力发电机组塔架剪力、弯矩进行计算,通过与有限元计算结果对比,分析各公式的适用性,可为我国地震环境下的风力发电机组抗震计算提供有益参考。     

水平轴风力机锥形塔筒的静动态特性研究

根据叶素动量理论,考虑三维紊流风场、Beddoes-Leishman动态失速模型、惯性载荷及重力载荷计算了风力机的整机载荷,进而得到塔架动态载荷的极限工况,针对塔架的结构特点,再应用有限元理论,对水平轴风力发电机组塔架的静态(强度)、动态(屈曲、模态)特性进行了研究。以一台1.5MW水平轴风力发电机组为例,计算了塔架在不同极限工况下的载荷,并对塔筒进行了强度、屈曲和模态分析,得到了具有较大工程实用价值的塔筒静动态分析方法。     

基于混合灵敏度H_∞的海上风力发电机组变桨控制及振动抑制

针对海上风力发电机组输出功率波动大和塔架振动明显的问题,设计了混合灵敏度H∞变桨控制器,并引入塔架前后加速度反馈控制,基于SUT-3000双馈风力发电机组模型,利用GH_Bladed软件进行仿真验证。仿真结果表明,在该控制策略作用下,海上风力发电机组输出功率比传统PI控制方法波动更小,保证了海上风力发电机组在高风速运行时输出功率的稳定性,同时降低了塔架前后振动响应。     

Model of wind shear conditional on turbulence and its impact on wind turbine loads

We analyse high‐frequency wind velocity measurements from two test stations over a period of several years and at heights ranging from 60 to 200 m, with the objective to validate wind shear predictions as used in load simulations for wind turbine design. A validated wind shear model is thereby proposed for flat terrain and that can significantly decrease the uncertainty associated with fatigue load predictions for wind turbines with large rotors. An essential contribution is the conditioning of wind shear on the 90% quantile of wind turbulence, such that the appropriate magnitude of the design fatigue load is achieved. The proposed wind shear model based on the wind measurements is thereby probabilistic in definition, with shear jointly distributed with wind turbulence. A simplified model for the wind shear exponent is further derived from the full stochastic model. The fatigue loads over different turbine components are evaluated under the full wind measurements, using the developed wind shear model and with standard wind conditions prescribed in the IEC 61400‐1 ed. 3. The results display the effect of the Wöhler exponent and reveal that under moderate turbulence, the effect of wind shear is most pronounced on the blade flap loads. It is further shown that under moderate wind turbulence, the wind shear exponents may be over‐specified in the design standards, and a reduction of wind shear exponent based on the present measurements can contribute to reduced fatigue damage equivalent loads on turbine blades. Although the influence of wind shear on extreme loads was found to be negligible, the IEC 61400‐1 wind shear definition was found to result in non‐conservative estimates of the 50 year extreme blade deflection toward the tower, especially under extreme turbulence conditions. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

摩擦和常温蠕变对风电螺栓预紧力松弛的敏感性分析

针对风力发电机螺栓由于预紧力松弛而导致的疲劳断裂问题,以风电塔筒环形法兰连接单段模型为研究对象,采用有限元的方法进行摩擦和常温蠕变对预紧力松弛的敏感性分析。结果表明：摩擦系数降低时螺纹最大应力降低了8.04%,平均应力增大了16.4%,且材料蠕变特性较低和屈服应力较高时预紧力仅分别减小了15.74%和6.37%。因此,当螺纹接触处和外部接触表面的摩擦较低,且螺栓材料具有较低蠕变特性和较高屈服强度时,螺栓抗蠕变性能较好且不易发生预紧力松弛现象。此时螺栓连接状态和预紧力分布较好,螺纹最大应力较小,且法兰间的接触压强和夹紧力较高,有效减小了预紧力松弛。研究结果为解决风电螺栓预紧力松弛问题提供了理论依据。     

兆瓦级风力机结构系统可靠性分析的样本分数阶矩最大熵方法

以兆瓦级风力机塔架和叶片极限载荷的概率外推模型为基础,结合载荷动态响应峰值的独立同分布假设和三参数威布尔模型,外推获取了正常湍流和极端湍流强度条件下风力机关键部件长期服役载荷概率分布;进一步通过无量纲极值统计量定义系统失效的结构可靠性状态函数,结合样本分数阶矩和最大熵理论提出兆瓦级风力机关键部件结构可靠性分析的数值方法,对比湍流模型对兆瓦级风力机关键部件结构失效概率的影响。计算结果表明：样本分数阶矩最大熵方法能有效重构结构可靠性状态函数的概率分布;基于无量纲极值统计量的系统可靠性建模方法能有效表征风力机关键部件耦合相关失效问题,结合该文方法可获得系统失效概率的准确预测结果;湍流模型对风力机结构失效概率影响较大,难以预先判定何种模型将得到结构失效概率的保守预估结果,需结合IEC 61400-1标准中的设计载荷工况细致分析后才能确定。     

Wind gust detection and load mitigation using artificial neural networks assisted control

The design of a wind turbine implies the simulation of definite conditions as specified in the standards. Among those operational conditions, rare events such as extreme gusts or external faults are included, which may cause high structural loads. Such extreme design load cases usually drive the design of some of the main components of the wind turbine: tower, blades and mainframe. Two different strategies are hence presented to mitigate the loads, deriving from extreme load cases, on the basis of the detection of wind gusts by means of ad hoc synthesized artificial neural networks. This tool is embedded into the main control algorithm and allows it to detect the gust in advance, to anticipate the control reaction, and by doing so reducing extreme loads. One of the strategies performs a controlled stop when wind gust is detected. The other rides through wind gusts without stopping, i.e., without affecting the wind turbine normal operation. Aeroelastic simulations of the Alstom Wind's wind turbines using these techniques have shown significant reductions in the extreme loads for all standard IEC 61400‐1, edition 2 DLC 1.6 cases. In particular, the overall ultimate loads are largely reduced for blade root and tower base bending moments, with a direct impact on the structural design of those components. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于PC测量仪器的风电机组电能质量测试系统

风电机组的电能质量测试不同于传统负荷的电能质量测试,需要排除电网特性和其他负荷的影响,并考虑不同风速对测试结果的影响．目前常规的电能质量测试仪器无法完成测试。风电机组电能质量测试系统选择高性能的PC测量仪器作为硬件采集平台．通过搭建虚拟电网排除电网结构及其他负荷产生的影响,采用适合风电机组的数字化闪变仪算法实现了风电机组的电能质量测试。测试系统通过对典型风电机组实际测试,证明测试系统完全能够满足风电机组电能质量测试标准IEC61400—21的要求。     

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。     

On analysis and redesign of bolted L‐flanged connections

In wind turbine towers, the preferred design is circular tubes that are connected by a bolted flange joint. The design is typically that of an L‐flange resulting in an eccentrically loaded bolted connection. The eccentricity results in a non‐linear relationship between external load on the tower and the tensile force in the bolt. In the literature and also in standards, different models are presented for this important non‐linear response. In the present paper, a simplified expression for the non‐linear force response is presented based on finite element calculations using contact analysis. The L‐flange connection is in essence a bad design because it leads to a non‐optimal ratio between external force and bolt force. Furthermore, bolt bending results in an even higher bolt stress resulting in a reduction of strength. The present paper presents simple modifications of the L‐flange design that considerably improves the connection strength. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于随机组合赋权模糊评价的风电机组健康状态评估

由于健康指标权重随机性会导致风电机组状态评估灵敏度降低,提出一种评估风电机组健康状态的随机组合赋权模糊评价方法。首先,通过相关性、方差、偏度等多角度分析风电场采集与监视控制系统（SCADA）数据,结合IEC61400-1标准建立机组健康状态评估指标架构,并基于随机因子优化组合权重得到赋权公式,提高评估指标层权重的准确性。其次,为充分覆盖评估指标数据劣化度,基于岭型分布函数建立健康指标劣化隶属度计算函数。结合随机组合权重和隶属度函数,构建风电机组健康状态模糊综合评价数学模型。通过分层评估风电机组健康状态指标架构,得到机组健康等级并实现故障预警。最后,对大连驼山风电场多台机组进行评估试验,结果表明：该文方法能准确评估出风电机组健康状态等级,相比组合赋权云模型方法,灵敏度提高了1.85%。     

考虑风资源影响的风电场电压波动和闪变评估

风电并网后引起的电压波动和闪变水平可能超出国家有关标准,造成严重的电能质量问题,因此,在风电并网之前需对这两者进行评估。采用了一种新的评估方法。区别于国际电工标准(IEC61400-21)中电压波动与闪变的评估,此方法考虑了风电场的风资源情况对这2个指标的影响。对风电场在不同出力下由阵风引起系统的电压波动进行计算,并用IEC闪变仪计算短时间闪变值Pst。用所提方法和IEC标准对我国某一新建的风电场进行评估。结果表明,所提方法不仅能有效地进行电压波动与闪变评估,而且能更好地考虑风速变化对风电场带来的潜在影响。     

一种新的风电场复杂下垫面场地校准模型

针对现有方法模型简单、气象因素考虑不足和缺少异常数据检测等问题,提出一种基于相对密度离群因子（relative RDOF）异常检测和支持向量回归（SVR）组合的场地校准模型。首先,通过RDOF与四分位法对测风塔与风电机组距下垫面相同高度风速间的风速比进行异常数据检测,间接实现风速预处理;同时,根据测风塔与风电机组相同高度风切变序列的相关性,动态引入大气稳定度等级,与多种常规自然因素共同作为模型输入。然后,建立SVR场地校准模型修正风速。最后,通过算例验证,并与国际电工委员会（IEC）标准方法进行对比。结果表明,该方法可有效提升场地校准模型的风速修正精度。