偏航偏差角对风力机轮毂载荷的影响

偏航工况是风力机正常运行中的典型工况,为研究偏航工况下风力机轮毂载荷的特性,文章以某实验型3.0 MW机组为研究对象,通过叶片气动分析和Bladed软件仿真的方法,对不同偏航偏差角下的风力机载荷进行仿真分析,得到了风力机的输出功率及轮毂My和Mz的载荷。研究结果表明：当风力机运行在额定风速以下时,偏航偏差角的存在会降低风力机输出功率;当风力机运行在额定风速以上时,一定范围内的偏航偏差角能维持风力机满功率稳定运行。风力机在不同偏航方向下有不同的载荷表现,相比于负向的偏航偏差角,正向的偏航偏差角会导致更大的风力机轮毂载荷。该研究为大型风力机优化偏航控制及保护提供了参考。     

偏航过程中风轮非定常尾流特性研究

针对偏航过程中风轮的动态尾流特性,运用计算流体力学(CFD)的基本方法对NREL PhaseVI风力机进行了30°偏航角范围动态偏航过程的模拟。通过与多个偏航角下的实验和动量叶素理论(BEM)、自由涡尾迹模拟结果对比,对比结果表明:随着偏航角的增加,风轮整体载荷减小;在风轮偏转过程中,旋转方向上附加的速度分量增大,导致风轮偏航过程中气动力系数比给定偏航角下的波动有所增加;动态偏航的速度尾迹偏斜出现延迟,宽度增加。     

偏航工况下风力机叶片绕流流场特性的探究

为研究偏航工况下风力机叶片绕流的流场特性,采用粒子图像测速(PIV)技术,偏航30°时在不同风速和不同叶尖速比工况下,对水平轴风力机叶片吸力面的近壁面流场进行实验研究。结果表明:沿叶片展向,从相对半径0.71 r/R～1.07 r/R位置处,轴向平均速度和平均动能逐渐增大,最大增长率分别为22.7%和49.3%,尖速比对平均动能较轴向平均速度影响大;轴向脉动速度呈先减小后增大的趋势,在相对半径0.85 r/R附近降到最低。该文以实验测试的方法揭示了偏航工况下叶片绕流的流场特性,实验数据可为叶片制造和设计提供参考。     

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。     

小型风力机偏航时输出功率的计算和实验验证

利用风力机在固定偏航时的动量定理,分析了风力机的功率随偏航角的变化规律.对300 W样机进行了外特性测试,通过将理论计算的结果与实验测试结果进行对比,分析了动量定理在风力机偏航时应用的可靠性及存在的问题,为今后风力机偏航时的功率评估提供了一定的理论依据.     

基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响.结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性...     

水平轴风力机在偏航情况下动态失速模型分析

介绍了动态失速物理过程及Leishman-Beddoes(L-B)动态失速模型,将其应用到已有的风力机气动性能预测程序中.该文以美国可再生能源实验室的水平轴风力机为基础,预测了在有无偏航情况下不同来流风速的功率,并与美国国家可再生能源实验室的实验结果进行了比较,两者较为吻合.通过给出不同径向位置下攻角和气动力曲线,分析了偏航导致的动态失速发生的基本特征,为进一步研究打下基础.     

偏航工况下风力机动态失速特性的数值模拟

采用基于滑移网格模型的三维非稳态CFD方法,对NREL Phase VI风力机在偏航工况下的动态失速特性进行计算,分析旋转周期内翼型攻角和升力系数的变化,并进一步分析非稳态流动对动态失速的影响。结果表明:偏航工况时,来流风的水平分量和翼型的非稳态绕流会延缓气流分离涡的形成和失速现象的发生,伴随的动态失速现象会显著增加叶片的动态负荷;越靠近叶根动态失速特征越明显,翼型承受的非稳态升力系数最大可达静态升力系数的5倍以上,升力系数迟滞环面积也更大。计算结果能够为风力机优化设计和运行提供理论指导。     

偏航工况下水平轴风力机叶片气动变形数值模拟研究

以非定常叶素动量方法和水平轴风力机结构动力学为基础,建立风力机气弹计算的仿真程序,将偏航模型耦合进气弹程序中,针对某5 MW水平轴风力机进行仿真计算,分析比较了该风力机在不同偏航角工况下叶片变形沿径向和周向的分布情况,总结了不同偏航工况对风力机叶片变形的影响规律。研究结果对风力机叶片设计和疲劳寿命的预测有一定的指导意义。     

基于偏航的风力机尾迹偏移控制流动机理研究

通过非定常CFD方法模拟在大气边界层环境下2台串列布置的全尺寸5MW风力机组,研究在风场多尺度流动特性下基于偏航的尾迹控制方法导致尾迹偏移的流动机理.结果表明:上游风力机偏航可有效提高风场总功率;速度场分析显示偏航时尾迹发生形变,而涡量场分析表明偏航的尾迹在传播过程中将产生一对逆时针旋转的涡,从而导致尾迹在宏观上表现为偏移;尾迹偏移效果仅在轮毂高度处较为显著,发生形变的尾迹低速区仍会向其余区域扩散.     

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。     

基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化研究

为减小风电场尾流效应的影响,提升风电场整体发电量,提出一种基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化方法。首先建立风电场偏航尾流模型,该模型包括用于计算单机组尾流速度分布的Jensen-Gaussian尾流模型、尾流偏转模型及多机组尾流叠加模型,对各机组风轮前来流风速进行求解;再根据来流风速计算风电场输出功率,并以风电场整体输出功率最大为优化目标,利用拟牛顿算法协同优化各机组轴向诱导因子和偏航角度。以4行4列方形布置的16台NREL-5 MW风电机组为对象进行仿真研究。结果表明,所提出的基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化方法能显著提升风电场整体输出功率。     

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。     

Load alleviation of wind turbines by yaw misalignment

Vertical wind shear is one of the dominating causes of load variations on the blades of a horizontal axis wind turbine. To alleviate the varying loads, wind turbine control systems have been augmented with sensors and actuators for individual pitch control. However, the loads caused by a vertical wind shear can also be affected through yaw misalignment. Recent studies of yaw control have been focused on improving the yaw alignment to increase the power capture at below rated wind speeds. In this study, the potential of alleviating blade load variations induced by the wind shear through yaw misalignment is assessed. The study is performed through simulations of a reference turbine. The study shows that optimal yaw misalignment angles for minimizing the blade load variations can be identified for both deterministic and turbulent inflows. It is shown that the optimal yaw misalignment angles can be applied without power loss for wind speeds above rated wind speed. In deterministic inflow, it is shown that the range of the steady‐state blade load variations can be reduced by up to 70%. For turbulent inflows, it is shown that the potential blade fatigue load reductions depend on the turbulence level. In inflows with high levels of turbulence, the observed blade fatigue load reductions are small, whereas the blade fatigue loads are reduced by 20% at low turbulence levels. For both deterministic and turbulent inflows, it is seen that the blade load reductions are penalized by increased load variations on the non‐rotating turbine parts. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

数据驱动的风电机组偏航参数适应性优化

为了增强风电机组偏航系统自适应水平,提升风能利用率,提出一种基于K近邻聚类（KNN）算法风电机组偏航控制参数优化方法。为准确描述风向变化,建立改进Weibull概率分布建立风向评估模型,即以风向波动的幅值（A）和波动持续时间（T）作为风况的数据标签来描述风向。对比风电机组不同偏航参数下的运行数据确定聚类中心（已知风况下的最佳偏航参数）,通过基于KNN算法的风电机组偏航控制参数优化模型,得到不同风况下风电机组最佳的偏航参数。通过对风电机组运行数据进行算例分析表明,该方法高风速时可提升风电机组发电效率,并在低风速时减少偏航启动次数。     

Potential of power gain with improved yaw alignment

One of the primary criteria for extracting energy from the wind using horizontal axis upwind wind turbines is the ability to align the rotor axis with the dominating wind direction. The conventional way of estimating the direction of the incoming flow is by using transducers placed atop the nacelle and downwind of the rotor. Recent studies have suggested methods based on advanced upwind measurement technologies for estimating the inflow direction and improving the yaw alignment. In this study, the potential of increased power output with improved yaw alignment is investigated by assessing the performance of a current measurement and yaw control system. The performance is assessed by analyzing data containing upwind wind speed and direction measurements from a met mast, and yaw angle and power production measurements from an operating offshore wind turbine. The results of the analysis indicate that the turbine is operating with a wind speed‐dependent yaw error distribution. The theoretical annual energy production loss due to the yaw error distribution of the existing system is estimated to approximately 0.2%. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

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...     

基于数据分析的风电机组偏航机构异常感知方法研究

针对风电机组偏航系统动作原理和故障产生原因进行分析,建立偏航机构跟随风向变化灵敏性函数模型;基于指数加权移动平均(EWMA)控制图法和K-S检验分析方法,甄别偏航机构中风向跟踪异常,并提高感知准确性;基于波动互相关分析方法,分析单机风向标数据与场群平均风向的相关性;基于运行数据统计,分析偏航机构跟随性概率分布函数,在异...