超大型风电机组叶片颤振分析及参数灵敏度研究

以IEA 15 MW参考风电机组为研究对象，基于修正的极坐标网格叶素动量理论与Timoshenko梁模型，建立叶片气弹耦合分析模型，综合时域和频域方法，分析超大型风电机组叶片失控状态下的气弹稳定性。结果表明，叶片发生颤振失稳，临界颤振速度为13.06 r/min，颤振频率为3.68 Hz，颤振模态主导振型为三阶向前挥舞模态伴随一阶向前扭转模态。此外，定量分析临界颤振速度对于空气密度、叶片质量、截面重心、挥舞刚度和扭转刚度变化的灵敏度。分析表明，扭转刚度是影响临界颤振速度的主导因素，通过减少叶片质量和前移截面重心，增大挥舞刚度和扭转刚度，可提高颤振裕度。采用高空气密度的设计条件，可获得更保守的设计额定转速。     

大偏航角下基于IPC的风力机变速率停机控制研究

通过分析机组在触发偏航超限停机过程中，叶片在不同方位角下的受力情况，指出大偏航角下叶片受载不均衡是导致轮毂中心出现极限载荷的根源，并研究桨距角与偏航角方向对不均衡受载的影响，在原始控制策略的基础上，引入基于叶轮方位角的独立变桨控制（IPC）变速率停机策略，减小机组在负向大偏航下的气动不平衡，大大降低了轮毂与偏航轴承中心极限载荷，依据IEC标准，并以某7.0 MW海上风力机为研究对象，通过偏航超限工况载荷计算，对比分析发现，基于叶轮方位角IPC变速率停机策略，可减小不平衡推力引入的倾覆弯矩，达到减小机组载荷的目的，为此特定风况下的降载提供了可靠依据。     

大型风电机组气动响应特性分析

针对大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构气动响应问题,文章提出了在不同偏航角度下的分析方法。根据该方法的流程图,建立了大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构动力学模型。采用谐波叠加法计算气动载荷分布,考虑塔影效应与风剪切的影响,得出诱导因子时程曲线与气动响应均值。计算结果表明:轴向与切向诱导因子变化较小,尾流稳定;偏航角逐渐增大导致塔顶顺风向位移均值减小,根方差值增大。该结果为大型风电机组运行过程中监测状态参数的变化与流体动力学分析提供了参考。     

基于NMPC-PID的风力机独立变桨距控制策略研究

针对独立变桨风力发电机组叶片承受的不平衡载荷,尤其是随机性载荷问题,通过对其桨距角控制原理以及桨叶载荷数学模型的分析研究,提出结合神经网络、模型预测控制和自适应PID(NMPC-PID)的复合控制策略。采用Coleman坐标变换将叶片不平衡载荷分解为俯仰载荷和偏航载荷,跟据桨叶载荷的变化,对桨叶桨距角进行实时控制,以达到减小风电机组桨叶不平衡载荷的目的。以某2 MW风力发电机作为验证对象进行仿真研究,结果表明,当风速达到额定值以上时,该控制策略能降低桨叶所受不平衡载荷,减小转矩波动,提高风力机工作效率。     

多场耦合下风电机组偏航系统疲劳载荷分析

针对风电机组偏航系统在长期启停循环工作状态下容易出现疲劳损伤、减少风电机组偏航系统使用寿命的问题,文章提出了多场耦合下风电机组偏航系统疲劳载荷分析方法。建立了包含永磁同步电机动态模型、传动系统动态模型、传感器模型和随机风载荷模型的风电机组偏航系统动态模型,分析系统受到的最大瞬态冲击和等效损伤载荷。基于连续损伤理论,通过疲劳损伤演化方程,分析载荷作用下风电机组偏航系统产生的疲劳损伤。根据风电机组偏航系统相关参数,设置3个测试点,分析不同方法的载荷、塑性应变以及疲劳损伤。结果表明,所提方法具有较高的分析精度,与实际风电机组偏航系统疲劳损伤相符,能够保障风电机组偏航系统运行的安全性。     

漂浮式风电机组无模型自适应控制

针对漂浮式风电机组叶片载荷、功率及浮式基础振动耦合问题,以尾缘襟翼偏角为输入,以叶根挥舞弯矩,电功率,浮式基础纵摇、艏摇为输出,设计无模型自适应控制系统。同时,将无模型自适应控制与漂浮式风电机组的基准主控系统通过滤波进行频率解耦。在改进FAST的含尾缘襟翼的气弹-伺服仿真平台中进行验证,结果表明所设计的无模型自适应控制系统在不牺牲功率波动的条件下,能够降低叶片疲劳载荷和基础振动。此外,交叉小波分析结果表明,尾缘襟翼控制量的引入削弱了漂浮式风电系统固有的气弹同步相关性,减少了入流风作用在风轮上的能量。     

基于模态阻尼比的风电叶片气弹特性研究

以考虑叶片挥舞和摆振两个方向自由度的气弹分析模型为基础,通过Matlab软件编写仿真分析程序,对某5 MW叶片的叶素气弹阻尼、叶片模态和整体叶片模态气动阻尼比等进行仿真分析。结果表明,该叶片模型在正常设计运行范围内,各阶模态气动阻尼比均为正值,气弹特性稳定;并提出将整体叶片模态气动阻尼比随桨矩角变化曲线同风电机组正常运行风速随桨矩角变化曲线相结合,进行风电机组叶片气弹稳定性的判定方法。     

叶片覆冰对抗冰冻机组疲劳载荷的影响研究

风电机组叶片覆冰后叶片质量增加、翼型气动性能变化,引起风轮质量不平衡与气动不平衡。机组的载荷特性发生变化,将对关键部件的疲劳载荷产生影响,进而影响机组的安全性与可靠性。文章依据IEC标准对覆冰工况的要求,在考虑叶片覆冰后叶片质量与气动性能变化的基础上,提出两种不同的寿命周期,来研究叶片覆冰状态及覆冰时间对风电机组关键部件等效疲劳载荷的影响,结果表明叶片不均匀覆冰、覆冰时间及低温环境空气密度对机组关键部件疲劳载荷有较大影响。     

偏航工况下漂浮式机组非定常气动特性研究

采用自由涡尾迹法探索漂浮式风电机组在偏航工况下，受平台纵摇影响时功率与气动特性变化规律。研究结果表明：随着偏航角的增加，输出功率以二阶余弦函数下降，推力以一阶余弦函数下降；动态局部轴向诱导因子最小值产生从0°～22°的相移；法向力系数曲线分解所得基频与二倍频分量振幅和偏航角正相关，三倍频分量与偏航无相关性；其中，风轮旋转与纵摇运动耦合导致法向力系数产生相对运动频率更高频的三倍频分量。     

叶片质量不平衡下风机基础的疲劳性能

为探究基础环式风机基础在叶片质量不平衡时的疲劳性能,文章通过重构风力发电机组叶片质量不平衡模型推导了附加载荷,基于谐波合成法理论对脉动风速谱做单点模拟以计算风电机组气动荷载等基本运行载荷,并以实际工程为例建立了风机叶片—塔筒—基础一体化有限元模型,计算了结构自振特性和基本运行载荷与附加载荷共同作用下的载荷响应。结果表明：风机叶片质量不平衡程度加深会导致基础结构的应力集中现象,加剧应力幅增加,进而影响结构的疲劳性能与寿命;结构中混凝土的受力特性受影响较大,钢筋笼次之,基础环最小。     

风电偏航制动摩擦片的磨耗寿命计算

正大型风电机组均采用主动偏航系统,并设置有摩擦制动机构,滚动轴承加液压制动器的配置是普遍使用的偏航系统形式(图1)。绕偏航回转中心轴线的偏航载荷作用到机架上,通过三条路径传递到塔筒(图2)。机组不偏航时,偏航制动器通入高压,保持住机舱对风角度;机组偏航时,偏航制动器通入较低压力,提供一定的阻尼,保证偏航运动的平顺性。在偏航运动中,制动器摩擦片会产生磨耗,其磨耗寿命除了与摩擦材料的磨耗率特性有关,还与偏航系统的参     

风浪耦合作用下海上风电机组载荷特性研究

与陆上风电机组不同,海上风电机组承受风载荷以及波浪引起的水动力载荷共同作用。在风浪耦合作用下,海上风电机组基础结构以及各主要结构部件载荷特性更为复杂。为保障海上风电机组的运行结构安全,波浪特性对海上风电机组各主要承载部件载荷的影响应引起重视。该文基于改进的JONSWAP型谱,建立波浪动力学模型,以叶片根部挥舞方向弯矩以及塔筒底部俯仰方向弯矩为例,仿真研究波浪对于风电机组极限与疲劳载荷特性的影响。最后,基于海上风电机组载荷实测与仿真数据,对波浪动力学模型进行验证。     

随机风载荷对双馈风电机组轴系扭振响应分析

考虑到风电机组柔性传动链在风速持续扰动中易产生机组扭振,研究随机风载荷作用下双馈风电机组扭振响应、扭振传递规律及关键部件的影响程度。首先,考虑叶片、齿轮箱和发电机等关键部件,采用集中质量法,建立双馈风电机组传动链等效3质量块模型。其次,基于小信号分析法对柔性传动链的扭振模态、扭振频率及参与因子进行分析,获取其模态振型图。最后,基于Simulink软件平台,建立考虑随机风载荷作用和传动链柔性的双馈风电机组时域仿真模型,仿真分析在亚同步、超同步工况下的机组轴系扭振响应,并与理想风载荷作用效果进行比较。结果表明:与理想风载荷相比,随机风载荷作用对机组传动链轴系扭振响应影响明显,且在超同步或亚同步运行时,影响扭振的关键部件为发电机转子。     

复合材料叶片截面刚度对风力机叶片气弹响应的敏感性研究

为更深入考查叶片刚度对风力机气弹响应的影响，对叶片截面的刚度矩阵中的主对角线刚度系数在稳态风和湍流风况下的风力机气弹响应的影响以及敏感性进行系统研究。气弹模型中的气动模块采用基于叶素动量理论，并采用几何精确梁理论对叶片的结构动力学响应进行仿真。选用美国可再生能源实验室（NREL）5 MW风力机组作为基准模型，调整叶片各截面刚度矩阵的主对角线刚度系数，利用敏感性影响因子评估刚度系数变化对叶片载荷的影响。结果表明：主对角线上挥舞方向的剪切刚度、挥舞弯曲刚度、摆振弯曲刚度、扭转刚度对气弹响应具有中高的敏感性。研究结果对掌握风力机气弹响应规律，发掘更深层次的风力机叶片设计方法提供了一定的指导意义。该方法能进一步扩展至研究叶片刚度对风力机机组气弹响应的敏感性研究。     

基于谐波平衡法的汽轮机末级叶片气动阻尼计算

采用谐波平衡法分析了汽轮机低压缸末级动叶自由形式和围带形式的颤振特性,获得了不同叶间相位角下的气动阻尼。研究发现:在设计工况下自由叶片叶间相位角在-30°～-150°时气动阻尼为负,叶片处于易发生颤振状态;当考虑围带时,叶片气弹稳定性发生了显著变化,在全行波域均处于稳定状态;由于振型、振幅的分布变化,围带叶片压力侧振动引起的压力扰动相位不再随叶间相位角发生明显改变,使得原本自由叶片上的气弹稳定性规律被破坏。     

叶片覆冰对风电机组的影响

正我国幅员辽阔,南北跨度大,部分风电场处于湿度大、气温低的环境中,叶片结冰就成为必须要考虑的因素。叶片结冰引起风电机组叶片的气动性能改变,导致风电机组发电量降低,同时结冰质量分布不均匀会引起不平衡载荷,给风电机组的设计提出新的要求,此外,叶片抛冰还会对人员安全造成较大的隐患。国内对风电机组叶片覆冰的研究不多,李声茂等基于二维定常不可压缩流体的N-S方程,引入离散相DPM模型,通过数值模拟计算了不同攻角下的翼型表面结冰分布情况。张聘亭等使用CFD软件,     

发电机故障时海上风电机组动态特性分析

以海上风电机组为研究对象,建立了风电机组模型,以湍流风和随机波浪作为输入条件,考虑重力载荷、空气动力载荷、惯性力载荷和波浪力载荷的影响,基于FAST软件仿真发电机故障时风电机组的运行过程,并研究了发电机故障时变桨速率对风电机组载荷的影响规律.结果表明:故障对风电机组叶片危害严重,发生故障时受惯性力增大的影响叶根处轴向力发生突变,叶根处受力最大;采用主动控制变桨-顺桨对叶片进行卸载,变桨速率对叶尖位移有重要影响.     

基于单神经元权系数的风电机组独立变桨控制

针对风电机组大型化造成风轮受风剪切效应不良影响的问题,提出了采用模糊PID功率控制器与单神经元动态权系数分配的独立变桨距控制方案。使用Matlab软件对该方案应用于1 MW双馈型风电机组独立变桨距的运行工况进行仿真研究。仿真结果显示,独立变桨距控制方案在保证机组输出功率稳定的前提下,显著改善了风机叶片与风轮承受的轴向不平衡气动力的幅值与波动,进而降低了机组运行过程中受到的气动疲劳载荷,有助于延长机组寿命。     

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。     

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。