考虑疲劳均衡的海上风电场主动尾流控制研究

海上风电场运行维护成本高,而其尾流效应影响更加突出,不但会影响风电场的发电效率,还会增大风电场内机组的疲劳载荷,增加运维成本。文章针对基于疲劳均匀的海上风电场主动尾流控制展开研究,通过GH-Bladed软件计算建立了风电机组在典型控制工况下关键零部件的疲劳损伤量数据库。其中的工况包括最大功率追踪、桨距角控制和偏航控制3种,并引用了量子粒子群算法,通过变桨和偏航两种方法进行优化控制,以实现海上风电场发电量提升和风电机组疲劳均匀的多目标主动尾流优化控制策略,降低海上风电场运维成本。仿真结果表明了所提出控制方法的可行性。     

风冰联合作用下大型单桩海上风电机组动力特性

考虑风荷载与冰荷载联合作用对大型单桩海上风电机组的影响,基于IEA 15 MW超大型单桩海上风电机组,采用一体化分析软件Openfast建立风冰联合作用下大型单桩耦合数值模型,开展超大型单桩海上风电机组在风冰联合作用下的动力响应分析。探究不同加载时长、冰激振动模型以及疲劳损伤组合方法对大型单桩海上风电机组的动力响应规律。计算结果显示：不同冰载数值计算模型塔基与泥面线载荷的计算结果差别较大,泥面线受冰荷载影响较大,同时泥面线位置较塔基位置承受更大的疲劳损伤,应重点关注。采用不同的荷载组合方向进行泥面线与塔基位置的疲劳损伤估计时,计算结果较风冰联合作用下疲劳损伤相对误差较大。因此,宜采用风冰联合加载的方法进行大型单桩海上风电机组的动力响应模拟,进而开展超大型单桩海上风电机组的疲劳损伤估计。     

基于动态机组分类的风电场优化调度

研究风电场内的机组组合优化调度,可提高机组的运行效率,改善风电场有功输出,降低系统运行成本。首先,对风电机组的历史运行数据进行分析,提出风速和机组输出功率的时段动态概率分布综合建模方法,并根据获得的时段动态概率分布模型得到机组的动态运行特征矩阵;其次,利用模糊C均值算法对风电场内机组进行动态聚类分析,在各个调度时段内将机组划分为常规机组和调度机组;最后,以风电机组疲劳损伤量最小为目标,建立基于风电机组动态分类的风电场优化调度模型。通过算例分析,该模型的有效性得到验证。     

限功率控制下风电机组叶片疲劳损伤研究

基于叶素-动量理论计算风电机组叶片气动载荷,建立其疲劳载荷模型;将叶片简化为悬臂梁,采用雨流计数法、Goodman经验公式和Miner线性累计损伤理论计算风力机叶片疲劳损伤和等效疲劳载荷;根据2种限功率控制策略计算不同限功率水平和湍流强度下风力机叶片单位时间的疲劳损伤量,分析限功率运行工况对叶片疲劳损伤的影响。结果表明,新型限功率控制策略可减少变桨系统的动作频率和动作幅度,但其稳定运行状态对叶片的疲劳损伤量大于传统限功率控制策略。最后通过三维函数拟合得到疲劳损伤函数,可应用于限功率条件下风电场优化调度。     

特定场址条件下风电机组载荷适应性评估

考虑特定场址环境条件对于风电机组载荷与结构安全特性的影响,基于某3 MW双馈型风电机组载荷模型,运用GH Bladed软件对不同场址环境条件下的风电机组载荷进行仿真计算,形成特征环境条件下载荷特性数据库。分析各环境条件参数对风电机组关键部件极限与疲劳载荷的影响特性。基于特征载荷数据库,运用BP神经网络预测方法,建立特定场址条件下风电机组关键部件极限与疲劳载荷预测模型,并将模型预测结果与仿真结果进行比对。结果表明,基于BP神经网络的风电机组极限与疲劳载荷预测结果误差在6%以内,该方法对于不同场址条件下风电机组载荷与结构安全性评估具有普遍适用性。     

风电叶片疲劳试验载荷确定方法研究

文章以1.0MW风电叶片(DF64A)为例,研究了在单点单轴恒幅值加载方式下,疲劳试验的疲劳载荷计算方法。根据Bladed软件仿真得出的叶片在风场的疲劳载荷谱(Markov矩阵),利用疲劳损伤理论分析方法及有限元软件研究分析了叶片疲劳试验载荷设计点的位置;最终确定了疲劳载荷设计点在单轴疲劳载荷My作用下的疲劳损伤值;并给出了单点恒幅值加载方式下,该位置的静态载荷参数和动态加载载荷。最终确定出试验方案。     

数据驱动的风电机组传动系统疲劳载荷计算与主动抑制研究

风电机组疲劳损伤导致的运维工作是影响风电场成本的关键因素。以机组损伤维护最频繁的传动系统为研究对象,分析了机组运行工况与其结构损伤等效载荷的耦合关系,构建了基于深度神经网络的疲劳损伤数据拟合方法。利用所建数据驱动模型在风电场有功控制过程中进行实时疲劳预测并优化机组有功控制指令。仿真实验表明,本文所建数据驱动预测模型对机组传动系统疲劳载荷有较好拟合效果,用于有功控制过程可降低风电场内各机组的传动系统疲劳载荷。     

风电齿轮箱高速轴轴承疲劳寿命及动态可靠性分析

为探究风电机组齿轮箱高速轴圆柱滚子轴承在服役过程中的疲劳寿命和可靠度变化规律,以新疆达坂城风场年度风载荷为外部激励,建立基于威布尔分布的随机风速模型及考虑内部齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度等激励因素的风电齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过Newmark积分法求解高速轴轴承动载荷。运用雨流计数法及Goodman平均应力修正法得到对称循环应力,结合线性损伤理论和非线性损伤理论的对比,获得轴承的接触疲劳寿命和动态可靠度。结果表明：额定功率下,在外部随机风载激励和内部齿轮-轴承耦合共同作用下,内激励仍然对系统高速轴轴承动载荷起主要作用。与线性损伤累计理论相比,非线性损伤累计理论考虑载荷加载的顺序效应,能更好地描述轴承在整个疲劳寿命过程中各阶段的疲劳损伤情况。轴承在服役过程中,前15年的损伤较小,可靠度衰减缓慢,而在后期可靠度呈现出非线性迅速下降趋势,应及时调整维护策略。     

偏航工况下风电机组尾流模型与风电场尾流叠加研究

风电场中通过风电机组主动偏航进行尾流优化控制,可以提高风电场发电量。文中根据偏航工况对风电机组尾流和功率输出的影响,建立了偏航工况下单台风电机组尾流模型和输出功率的简化计算方法。而对于全场不同来流风向,对机组位置进行坐标变换以确定风电机组的迎风顺序,并结合尾流叠加模型建立了偏航工况下风电场尾流分布计算方法。最后,以单列6台风电机组为研究对象进行计算分析,验证了该尾流计算方法的适用性及主动偏航控制对风电场发电量提升的可行性。     

数据驱动风电机组偏航误差在线智能识别研究

针对不同风速下风向仪动态特性、风轮尾流、风向仪安装误差等因素导致的风电机组偏航误差问题,文章采用基于运行数据驱动的风电机组偏航误差方法进行在线智能识别。该方法通过改进DBSCAN聚类方法剔除过度离群数据,采用移动最小二乘法拟合“风速-功率-偏航误差”特性曲面,识别出不同风速下的偏航误差曲线,结合在线运行数据采集,可以实现不同风速下偏航误差的动态识别和持续矫正。算例分析表明,与偏航误差设定值相比,在有限数据下识别的偏航误差的识别结果较为准确,且识别误差在合理范围内。该方法的应用能够更为精确识别不同风速下风电机组偏航误差,进一步提高风电机组发电效率。     

风电机组低电压穿越过程机械载荷特性研究

分析电网电压跌落引起风电机组各主要结构部件机械载荷变化的应力传递过程,通过建立风电机组电气-机械联合仿真模型,仿真研究低电压穿越过程对机械载荷特性的影响。基于低电压穿越期间载荷测试数据,分析低电压穿越期间塔筒机械载荷及其疲劳损伤情况。研究结果表明,低电压穿越过程对风电机组机械载荷特性具有重要影响,尤其是当风力发电机组不具备低电压穿越能力而导致风电机组脱网时。     

叶片覆冰对风电机组关键结构安全性的影响

为研究低温条件下叶片覆冰对风电机组关键部位振动频率、翼型气动性能、发电功率、极限载荷和疲劳载荷的影响,对某3.XMW风电机组在覆冰、未覆冰条件下,基于IEC61400-1标准、线性疲劳累计损伤理论、雨流循环计数法,通过仿真软件建立该机型覆冰、未覆冰两种模型并进行计算。计算结果表明,叶片覆冰导致叶片和塔筒振动降低,翼型升力系数降低,阻力系数升高,发电功率降低,覆冰条件下的叶根、旋转轮毂中心、固定轮毂中心、偏航中心、塔筒底部极限载荷和等效疲劳载荷增大,最大累计循环次数降低,其中叶片挥舞载荷增幅最大。研究成果可为叶片覆冰时机组优化提供参考。     

基于参数辨识的风电偏航系统控制器设计

风电偏航系统控制器设计需要考虑传动轴系动力学特性,而这些参数往往不易获得且具有时变性。为此该文通过参数辨识的方法,建立偏航转速控制系统的自回归模型,得到系统的传递函数及频率响应等特性,并以此为基础优化偏航系统PI(proportional integral)控制器参数,提高偏航控制系统的静动态特性。引入2种参数优化方法,即基于Ziegler-Nichols和最小平方优化的PI参数整定方法,仿真结果说明基于参数辨识的最小平方优化PI整定方法能获得较好的静动态性能,该方法实用性强,提高了风电机组控制的智能化水平,可用于风电机组控制参数的自动调整。     

大型风电机组轮毂疲劳分析方法的研究

基于风电机组轮毂有限元分析模型,对兆瓦级风电机组轮毂疲劳损伤进行研究。利用叶素动量理论和惯性载荷计算得到动态疲劳载荷谱,结合轮毂材料力学性能,计算得出S-N曲线。有限元分析结果表明,多平均应力S-N曲线能较好地应用于平均应力修正,且当轮毂表面主应力方向有变化时,使用关键面法疲劳损伤模型分析更合适。以兆瓦级风电机组为例,对轮毂进行疲劳计算,得到具有较高指导意义的疲劳分析方法。     

基于主动尾流控制的风电机群协同优化调度

针对机组间尾流效应严重影响风电机组发电效率的问题,提出了风电机组安全偏航约束计算方法、尾流特性混合半机理建模方法以及风电机群多目标协同优化调度方法。基于FAST. FARM平台完善了多自由度可控机组与尾流的动态交互集成仿真环境,对比分析了2台机组串列式排布以及华东地区某海上风电场7台机组实际排布下的协同运行优化性能。结果表明：所建立的集成仿真模型能够合理表征风电机群与空气流场的多领域动态交互特性,所提方法能够有效提升风电机群发电效能,促进经济效益、资源利用和成本控制的均衡优化。     

风电机组偏航静态偏差对发电性能的影响及优化方法

风电机组的偏航误差主要由偏航控制性能误差和偏航静态偏差决定。文章分析了风电机组偏航静态偏差产生因素及对发电性能的影响,提出了应用机舱式激光雷达测风仪开展实测的偏航静态偏差优化方法,建立了基于偏航扇区划分和风速区段划分的优化模型。通过实例分析可知,偏航静态偏差在低风速段和高风速段对风电机组发电性能影响的敏感度较低,中风速段敏感度最高。文章所提方法可明显减小偏航静态偏差,提高发电机组的发电性能。     

风电机组载荷计算标准的对比研究

基于GH Bladed软件,以某ⅢA直驱型风电机组为计算模型,分别采用GL 2010和IEC 2005两种标准进行载荷计算,并分析两种标准下的输入参数、计算工况、极限载荷及疲劳载荷计算结果的差异。分析表明,对于极限载荷,叶根、轮毂大部分的载荷分量,依据IEC 2005标准计算的结果较大,而塔架和偏航轴承部位的大部分载荷分量,使用GL 2010标准计算的结果更大。分析认为,极限载荷的差异是风况条件、计算方法及统计方式的不同造成的;疲劳计算结果差异不明显。为了更好模拟风场条件,并获得统计特性更加稳定的载荷结果,该文推荐使用IEC 2005标准。     

风切变指数对于风电机组载荷特性影响研究

分析风切变指数对风电机组机械载荷特性的影响,并以某2 MW风电机组载荷测试数据为例,对相同风速不同风切变情况下的载荷数据进行分析。研究风切变指数对风电机组极限载荷、疲劳等效载荷的影响。最后运用GH Bladed软件,对相同外部条件不同风切变指数下的风电机组载荷进行仿真计算,验证风切变指数与风电机组载荷特性之间的内在相关性。测试数据与仿真结果均表明,风电机组结构部件载荷特性与风切变指数强相关,且随着风切变指数的增加,极限载荷与疲劳等效载荷也随之变大。风切变指数的增长率与极限载荷增长率、疲劳等效载荷增长率均呈现二次函数关系,且风切变指数每增加约5%,极限载荷增加约0.1%,疲劳等效载荷增加约0.5%。     

风电机组齿轮箱行星架疲劳寿命分析

文章介绍了风电机组传动系统结构和布置形式,应用Solidworks建立传动系统模型,对机组进行全工况载荷测试。分析行星架受力情况和运行状态,应用Workbench对行星架进行单位载荷静力学分析,并依据疲劳积累损伤理论及应用Fe-safe对行星架进行疲劳寿命分析,将分析结果进行后处理,得到行星架疲劳寿命云图及其剩余循环次数。最后分析了行星架疲劳失效主要原因,建立了行星架健康管理档案。     

基于决策树的风电机组偏航启停优化研究

风速和风向的频繁变化会导致偏航系统频繁启停,增加场用电。选取风速较低时,风电机组偏航系统的运行状态进行研究,通过分析风速、风向、有功功率、机舱位置和偏航误差,进一步得到每个监测点的变化。由于风速和机舱位置是影响偏航系统启停的重要参数,因此,需要考虑上一个监测点的风速变化和机舱位置的变化。建立基于CHAID的决策树模型,通过决策树分类偏航相关的参数,然后,运用这些参数分析低风速下机组的偏航启停的历史数据,依据决策树的分类规则在线优化机组低风速状态下的偏航系统的启停。通过实例验证了优化后机组的偏航次数和偏航时间减少了。该研究为偏航系统的运行优化和提高偏航系统的可靠性奠定了基础。