基于风剪切和塔影效应的风力机风速动态建模

在对三桨叶上风向水平轴风力机的风剪切和塔影效应深入分析的基础上,得到了整个风轮扫掠面上的风速动态模型.并考虑了轮毂高度、轮毂风速、风剪切系数、叶片半径、塔架半径、悬垂距离等参数对计算模型的影响,对一台2MW风力机进行了计算和对比分析,为深入研究风力机的独立变桨、功率控制、疲劳、动力稳定性等奠定了基础.     

大型水平轴风力机塔影效应特性研究

为了研究塔影效应对大型水平轴风力机的影响,选取NREL 5MW风力机作为研究对象,利用Fluent软件对单台风力机的不同工况进行数值模拟。结果表明:塔影效应的影响主要发生在叶片方位角为140°~210°的时域内;当叶片扫掠过塔筒时,其不同周向位置的转矩和轴向推力出现大幅波动,转矩的相对波动幅度随来流风速的减小而减小,叶片所受轴向推力的相对波动幅度随来流风速的减小而增大;由于叶片尖部周向线速度较大,在研究塔影效应时需考虑叶轮旋转效应的影响;对于风力机尾迹流场,旋转半径越大处,塔筒造成的尾迹越明显,其长度约为叶轮直径的2倍。     

大型垂直轴风力机的塔影效应分析

塔影效应对大型垂直轴风力机的流场有显著影响,研究大型垂直轴风力机的塔影效应具有重要应用价值。采用雷诺时均(RANS)方法,在剪切流大气环境下,计算分析5 MW大型垂直轴风力机的功率、转矩、切向力、法向力和表面压力,揭示了塔筒对大型垂直轴风力机的塔影效应。计算结果显示:塔影效应会明显降低垂直轴风力机的平均功率系数,在270～280°相位角附近显著降低叶片前缘的负压强度和负压范围;随着塔筒直径的减小,叶片前缘的负压强度和负压区范围增大,转矩系数的波动幅度减小,单叶片转矩系数增大,叶片空气动力性能改善,发电效率提高。相关结论对大型垂直轴风力机的设计具有一定参考价值。     

基于直流电动机的风力机特性动态模拟器研究

首先分析了风力机和直流电动机输出特性的相似性,阐述了用直流电动机模拟风力机特性的可行性.针对传统的风力机特性模拟器只能实现稳态转矩模拟的缺点,该文提出了一种可以实现风力机动态转矩模拟的新方法,并在Matlab/Simulink环境下建立了风力机特性动态模拟器的仿真模型.仿真结果表明,该动态模拟器能够很好地实现风力机的动态和稳态特性模拟.     

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。     

一种考虑风力机实际大转动惯量的改进最优转矩法

考虑实际大型风力机的大转动惯量,在传统最优转矩控制方法的基础上,提出一种增大加速转矩(IAT)的改进方法,缩短系统的调节时间,以此提高风力机的性能。通过建立小信号分析方法,与最优转矩法相比,证明该方法具有更好的动态特性。最后,在风力机专业仿真软件FAST中进行对比仿真,在不同风况下验证所提出的改进方法具有更好的风能捕获效率。     

风力机三维尾流模型研究与验证

考虑风剪切效应,提出一种高斯形状的三维尾流模型（3DG-k）。该模型定义尾流半径rw等于两倍的高斯特征参数σ,并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系,来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据,对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型（3DG）及三维椭圆高斯模型（3DEG）进行对比分析。研究结果显示,3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度,更适用于工程实际应用。     

风力机动态模拟方法研究

由于受条件限制,实验室无法进行真实风力机发电的实验,因此利用常用电机模拟风力机,对风力发电及并网进行研究可作为一种实用方法。在分析风力机的机械特性基础上,利用三种电机模拟风力机,并给出相关结论。     

垂直轴风力机三维效应的数值模拟研究

文章针对二维和三维垂直轴风力机的数值模拟的差异,提出了风力机的三维效应是造成模拟差异的主要原因。运用计算流体力学方法对某直线翼垂直轴风力机模型进行了二维和三维的数值模研究。通过比对实验得到的风力机功率系数,发现三维模拟结果与实验值吻合。观察尖速比为1.5时二维和三维垂直轴风力机的速度型分布曲线、流向速度云图和涡量云图,研究了阻塞效应、叶梢涡、支撑结构和塔架对数值模拟结果的影响。研究发现:在二维的数值模拟中,风力机没有受阻塞效应影响,功率系数被严重高估;三维的数值模拟能够模拟出全部的流畅细节,受叶梢涡和支撑结构的影响,风力机的功率系数明显降低。     

陆海风力机动态响应对比

以NREL实测数据为湍流风场数据源,以NREL 5 MW风力机为样机,并结合波浪作用,分别研究了陆海风力机平台及各柔性部件的动力学响应.结果表明:平台运动形式主要为纵荡、纵摇和首摇;漂浮式风力机的叶根摆振力矩和纵向剪力要大于陆上风力机;漂浮式风力机塔尖和塔基纵向剪力及塔基俯仰力矩的波动范围为陆上风力机的3倍;漂浮式风力机塔尖运动加速度呈现高频和大跨度的特点.     

风力发电实验用模拟风力机

在风力发电机控制、风力机最大功率点追踪控制(MPPT，Maximum Power Point Tracking)等相关的研究中，风力机是必备的实验设备，但是，在没有风的情况下，或在实验室，就无法进行这些实验和研究。作者开发了一种模拟风力机，有了它，就可以在实验室随心所欲地进行风力发电的初期实验研究工作，从而缩短研发的周期和减小实验研究的费用。首先用6次多项式来拟合风力机的转矩特性曲线。然后根据当前的风速和风力机转速来计算风力机的转矩，将此转矩作为转矩指令控制感应电机来模拟风力机，感应电机通过控制逆变器来驱动。最后，给出了用此模拟风力机所做的MPPT实验研究结果，验证了该模拟风力机的良好特性。     

俯仰风力机翼型动态失速数值模拟

利用带转捩修正的k-ωSST湍流模型,对绕其1/4弦长点作正弦波周期性振荡的S809翼型,在弦长雷诺数为106,不同的平均攻角、振荡幅度以及折合频率情况下的流场进行二维数值模拟.数值模拟得到的升力、阻力和俯仰力矩系数与OSU风洞试验的数据进行比较,对比显示两者的气动力迟滞闭环具有良好的一致性.利用流线分布对各工况下的动态流场特性以及动态失速涡的发展进行详细描述,证明CFD方法是预测风力机翼型动态失速特性的有效途径之一,分析了动态失速对于实际运行的风力机的影响,说明在风力机性能预估中考虑动态失速影响的必要性.     

风电场脉动风模拟及风机塔架动力响应研究

为掌握风载作用下风机结构的动力学特性,采用Davenport脉动风功率谱,基于Shinozuka理论模拟某沿海风电场的脉动风速谱;采用Shiotani简化表达式,以相关系数矩阵考虑脉动风竖向相关性,推导空间脉动风随机过程表达式.建立风机塔底固接和考虑桩基刚度的两种有限元模型,计算自振特性和模拟风载作用下的动力响应.结果表明,该模拟方法能较好地反映风电场实际风况;风机结构自振周期与脉动风变化周期处于同一量级,两者接近时易产生顺风向振动和涡激振动;结构的低阶振型对风致动力响应有重要影响;考虑脉动风效应后,作用于风机上的风荷载和动力响应显著增大.该文成果为进一步开展风机结构的疲劳评价、振动控制及破坏分析奠定基础.     

风力机叶片动态性能与仿生特性研究

以750kW水平轴风力机为研究对象,利用ANSYS复合材料单元,建立了风力机叶片数值模型。应用叶片结构振动有限元方法,从植物叶片叶脉动、静态特性出发,研究分析了风力机叶片叶素形状与材料铺层因素对其振动模态的影响,并初步探讨了风力机叶片仿生植物叶片的可行性。结果表明:不同的叶素形状可以改变叶片惯性矩,惯性矩越小,叶片的振动性能越好,与植物叶片振动特性相似;叶片材料的铺层分布对其振动模态的影响存在一定的规律,并与植物叶片叶脉分布规律相对应;两种因素对振动模态的影响效果可以叠加。     

考虑转捩的风力机翼型动态失速数值模拟

以风力机专用翼型的动态失速为对象,采用一种基于流场当地变量的Gamma-Theta转捩模型配合SSTk-ω湍流模型进行数值模拟,研究转捩对动态失速性能的影响和动态失速下的转捩规律。结果表明,使用考虑转捩效应,能够使动态失速过程中上仰段大迎角状态下失速和下俯段气流再附的模拟得到改善。在动态失速上仰段,上表面转捩由后缘分离泡向前缘分离泡的转变过程较快,导致转捩点迅速前移;而在下俯段,前缘分离泡向后缘分离泡的转变过程中经过了自然转捩和再层流化的过渡,因此转捩点的移动较上仰段平滑。     

浓缩风能型风力发电提水系统及其仿真研究

将浓缩风能型风力发电机组应用于提水系统,设计控制系统,满足功率控制和最大风能捕获的要求,应用Matlab/Simulink建立该系统仿真模型,对风速阶跃变化情况进行仿真,证明了该系统的合理性及控制策略的可行性和正确性.     

风力机侧向振动稳定性研究

对风力机系统的动态稳定性问题，即风力机侧振与叶轮摆轮的耦合运动，以及由叶片静不平衡引起的响应问题进行了研究。     

考虑黏性效应的半潜浮式风力机动力特性研究

对半潜浮式风力机动力特性进行研究,推导考虑黏性阻尼的动力学方程及传递函数。对黏性效应的影响及其计算方法进行探讨,对比附加阻尼矩阵法、Morison单元法的优缺点,并提出考虑黏性阻尼效应水动力计算的混合法,在此基础上对半潜浮式风力机气动-水动-锚泊全耦合动力响应进行分析。结果表明：黏性效应主要影响共振周期附近的响应值,在数值分析时不可忽略;附加阻尼矩阵法在考虑水平面内运动黏性阻尼时有所不足,且无法考虑黏性效应对共振周期的影响,Morison单元法在考虑垂荡、转动黏性阻尼时有所不足,混合法是考虑黏性阻尼水动力计算的更有效方法;该半潜浮式风力机垂荡和纵摇响应主要受波浪控制,而水平面内运动受风、浪、流联合作用的影响;浮式风力机运动和加速度的最危险工况可发生在发电工况时,最大锚链张力发生在极端环境条件时。     

三叶片风轮动力学特性的分析

采用试验模态分析的方法分别对三叶片风轮、中心固定整体圆板和中心固定按120°开口的圆板,进行了模态分析,得到了它们的实际模态振型.运用模态计算软件ANSYS对动力学特性一致的三叶片风轮和动力学特性有差异的三叶片风轮进行了定性计算分析.试验结果显示,三叶片风轮的振型和中心固定圆板的振型有一定对应关系,可采用中心固定圆板的振型来研究三叶片风轮的挥舞模态振型.并且使用ANSYS软件和中心固定按120°开口的圆板的振型图,更合理地解释了三叶片风轮的挥舞模态振型.