考虑覆冰粗糙度影响的风力发电机叶片气动性能数值仿真

针对高湿、寒冷地区覆冰造成机组出力减少的问题,以NREL S809二维翼型及某型300k W风力机三维风轮为研究对象,采用计算流体力学(CFD)数值仿真方法,结合覆冰粗糙度模型,研究分析覆冰粗糙度对风力机叶片气动性能的影响规律。计算结果表明:对于改变翼型气动外形较小的覆冰,二维翼型的气动性能随着覆冰粗糙度大小、覆冰相对宽度的增加而降低,随着攻角的增加影响变大;对于改变翼型气动外形较大的覆冰(雾凇或雨凇),雨凇覆冰的破坏作用更大,但雾凇覆冰翼型受覆冰粗糙度影响更大;叶片覆冰导致三维风轮气动性能降低,在大风速下更为显著;随着覆冰粗糙度大小的增加,三维风轮输出转矩和轴向推力降低,且随着风速的增加,降低程度变大。该文的计算结果对覆冰地区风电场运行及机组性能评估有一定的参考价值和借鉴意义。     

风力机叶片雨淞覆冰的三维数值模拟及试验研究

风力机覆冰导致叶片的气动性能下降,造成风力机功率损失。为研究风机叶片的覆冰增长规律,该文建立了基于欧拉法及传热传质原理的风力机雨淞覆冰三维模型,并在人工气候室内对模型进行了试验验证。基于数值模型研究了温度对覆冰的影响以及覆冰对风力机空气动力特性的影响。研究表明,旋转风力机覆冰区域主要集中在叶片前缘,沿叶展方向覆冰呈线性增加,在叶尖处覆冰最厚;随着温度的降低,水滴冻结系数增加,叶片前缘积冰加剧,覆冰区域减小;覆冰造成阻力系数升高,升力系数下降,空气动力特性恶化。     

自然覆冰对限功率运行风力机变桨特性的影响

针对自然覆冰环境下风力机桨距角变化问题,以300kW风力机为研究对象,采用限功率运行控制方式,通过现场试验研究自然覆冰环境下风力机变桨特性。结果表明:限功率运行时桨距角随风速增加呈上升态势;相较于洁净环境,轻度覆冰导致β-v曲线整体降低,当功率限定值分别为50、100、150k W时,桨距角平均值分别降低2.3°、3.9°、4.5°,平均降幅分别为35.7%、51.5%、80.3%;风速增加会减弱轻度覆冰对桨距角的影响程度,功率限定值的提高会加大轻度覆冰对桨距角的影响程度;轻度覆冰后,β-v曲线随功率限定值增加而整体降低,每增加50kW功率限定值,桨距角平均降低35%～45%。该文试验数据和研究结果可为自然覆冰环境下风力机的机组控制提供参考,对其稳定合理运行具有重要意义。     

风力机组叶片覆冰数值模拟及其气动载荷特性研究

大规模的风电基地接入电网后,风力机组叶片覆冰造成的能量损失、机组的非计划停机,给电力系统调度运行带来巨大风险,严重影响了电网的安全稳定运行。本文根据k-ε模型计算了叶片周围的空气流场,采用拉格朗日法计算了过冷水滴运动轨迹得到风力机组叶片表面各个控制体的局部撞击系数,利用质量平衡和能量平衡方程求解控制体的覆冰质量,结合覆冰时间推进法模拟了叶片覆冰过程。验证结果表明,本文叶片冰型计算结果可为叶片覆冰提供有效预测。最后,构建了3维叶片覆冰模型,采用FLUENT计算了不同类型覆冰的厚度对发电机组转矩和功率损失的影响,仿真发现,雾凇覆冰对转矩和功率损失的影响小;雨凇覆冰使发电机组转矩下降大,造成功率损失大。结论表明,本文对电网的安全、稳定、高效运行具有重要意义。     

环境参数对绝缘子表面覆冰增长的影响

覆冰严重威胁电力系统的安全运行,国内外对输电线路覆冰机理、增长过程和覆冰闪络特性开展了大量研究,但对绝缘子覆冰增长预测模型及相关试验研究甚少,因此开展了LXP-160玻璃绝缘子在不同覆冰环境参数下其表面覆冰增长的试验研究,分析了温度、水滴颗粒直径(MVD)、风速等对绝缘子表面覆冰增长的影响,得到了采用旋转监测导体覆冰厚度d1、绝缘子表面覆冰厚度d或绝缘子覆冰质量m来表征绝缘子的覆冰程度之间的等价性关系。结果表明:水滴颗粒直径、风速越大或温度越低,绝缘子表面覆冰增长越快,其冰棱越长且越粗;温度对绝缘子覆冰类型有影响,当风速小于0.5m/s、液态水质量浓度110g/m3,MVD为130μm,温度小于-8°C时,绝缘子表面覆冰类型为雨凇,温度为-11°C时,绝缘子表面覆冰类型为硬雾凇;d1、d和m之间关系为d=0.684d11.09和m=0.828lnd1-1.186。研究结果可为揭示绝缘子覆冰机理提供参考。     

基于数值模拟的覆冰导线局部对流换热分析

覆冰事故是影响输电线路正常运行的重要原因。对输电线路覆冰过程中各热平衡影响因素进行分析,得出对流换热为该过程最重要的热损耗原因。针对对流换热、导线焦耳热两大影响因素开展数值模拟,得出雨凇覆冰导线的热量损失随风速及冰厚增加而增加,偏心圆形覆冰对流换热数值略小于圆形覆冰。对覆冰表面各部分的热量损失进行统计,结果表明,当风速小于10 m/s、覆冰厚度小于5 mm时,LGJ95导线迎风侧-45~45°区域的热耗散值达到了总量的35%~48%,热量散失远大于平均值,有利于覆冰冻结增长。     

风速对复合绝缘子覆冰增长及其闪络特性的影响

风速和电场均是影响绝缘子覆冰的重要因素,在多功能人工气候室对不同风速下的复合绝缘子进行了人工雨凇带电和不带电覆冰试验研究,分析了风速和电场双重作用对冰棱生长、覆冰量、覆冰密度、厚度及闪络电压的影响。研究表明:随着覆冰期风速的增大,绝缘子的冰棱长度、倾角、伞面冰厚、覆冰密度和覆冰重量均逐渐增大,在覆冰时间相同的条件下,其闪络电压随着风速的增大而逐渐降低;电场在风速较低时对覆冰参数和闪络性能都有明显的影响,但随着风速的增大,此种影响逐渐变得不明显,在风速较大的条件下可以不考虑电场的影响。     

旋转风力机的水滴撞击特性与雾凇模拟

寒冷地区的风力机叶片覆冰造成机组停机、安全事故等问题,一直困扰着风电行业的发展。针对三维风力机运行中遇到的过冷却水滴撞击问题,采用拉格朗日法数值模拟了不同环境条件和运行工况下的水滴撞击特性,并在人工气候室内对小型水平轴风力机进行了覆冰试验。数值计算结果表明:水滴碰撞区域主要集中在叶片前缘,沿叶展方向碰撞系数以及碰撞极限均增大;碰撞系数和碰撞区域随着水滴中值直径的增大而增大;风机转速下降或风速上升都会造成水滴的撞击区域整体向压力面移动。数值计算模拟的雾凇冰形与人工覆冰试验结果有较好的一致性。     

覆冰对风电机组叶片气动性能的影响研究

基于某MW级风电叶片,研究了覆冰以及除冰后叶片表面残冰对叶片翼型气动性能的影响、覆冰对叶片整体气动性能以及机组发电量的影响。结果表明,翼型前缘覆冰后翼型升阻比显著降低;叶根段覆冰对整个叶片气动性能影响较小,叶尖段覆冰将严重影响叶片的气动性能,机组的发电效率显著降低。本文的分析结果对叶片防除冰技术的研究具有重要参考意义。     

导线标准冰厚的直径订正系数试验研究

架空输电线路导线覆冰可能导致电网系统发生机械或电气故障,因此,确定导线设计冰厚对电网的安全稳定运行具有十分重要的作用。确定架空输电线路导线设计冰厚时,需要通过线径订正公式将不同导线直径上的标准冰厚折算至设计导线上。通过人工气候室内覆冰试验获取相关覆冰数据,针对不同覆冰类型分别拟合了导线的直径订正系数。结果显示：雾凇和混合凇的导线直径订正系数随着线径的增加而减小,且雾凇减小的趋势较混合凇明显;雨凇的导线直径订正系数随着线径的增加而增加。     

特高压直流输电大截面导线带电覆冰与融冰特性试验研究

现有小截面导线覆冰和融冰规律不能直接线性换算至大截面导线,为此在人工气候实验室开展LGJ-720/50和JL/G3A-900/40这2种特高压直流输电大截面导线的带电覆冰与融冰试验,分析覆冰厚度增长与电流和气象参数的变化规律,得到大截面导线融冰时间与融冰电流、环境温度和风速、覆冰厚度的特性曲线。研究结果表明运行电流通过产生焦耳热降低水滴在大截面导线上的冻结系数能抑制覆冰增长;风速增大、降雨量增加可以增大水滴的碰撞系数和收集系数,温度降低可增大冻结系数,从而加快导线覆冰增长速度;环境温度还决定着导线覆冰类型。大截面导线融冰时间主要取决于导线表面需要融化的冰层厚度,并随着融冰电流的增大逐渐减小;环境温度越低,风速越大,融冰时间越长;融冰时间随覆冰厚度增加呈线性规律增长。研究结果能够为特高压直流输电线路阻冰和融冰提供理论指导。     

不同直径下导线覆冰增长特性

为研究导线覆冰湿增长与覆冰参数之间的关系,确定导线覆冰厚度的增长特性,在人工气候室内,对不同直径导线进行了覆冰试验研究。通过控制覆冰试验条件,得到大量不同直径导线覆冰厚度增长的试验数据,对试验数据进行对比分析,得到导线覆冰增长特性,并采用MATLAB覆冰预测仿真程序进行验证。分析了温度、风速、时间等因素对不同直径导线覆冰增长特性的影响。试验结果表明:不同直径导线覆冰厚度初始时刻增长较快,随着时间延长覆冰厚度呈现饱和趋势,且导线初始直径越小,增长量越大;在湿增长情况下,导线覆冰厚度与温度成反比;通过纵向对比试验数据和模型仿真发现,风速存在临界值使得导线达到最大覆冰增长速度,并且温度越低,临界风速值越大;存在导线覆冰最大直径。     

绞线带电雾凇覆冰后的电晕起始特性

为深入研究不同雾凇冰树枝形态对覆冰导线表面电场分布及其电晕起始特性的影响规律,在多功能人工气候实验室中,使用4种导线进行了不同电场下雾凇带电覆冰后的起晕电压试验。结合紫外成像仪和曲线拟合法对覆冰导线的起晕电压进行研究,根据雾凇形态建立了冰树枝尖端的电场分布模型,利用Ansoft有限元软件进行了仿真计算。研究结果表明:雾凇覆冰后,导线起晕电压会明显下降;冰树枝形态的不同会导致起晕电压出现波动趋势;相同覆冰时间内,覆冰对粗导线的影响较小;覆冰厚度的增加会增大导线等效直径从而升高起晕电压,但升高速度逐渐减慢;冰水电导率对雾凇形态及起晕电压没有影响;雾凇冰树枝会增大导线粗糙度从而使导线电场分布发生畸变。研究结论可为研究覆冰导线的起晕特性提供理论参考。     

雾凇覆冰对铝管起晕电压的影响

雾凇属于干增长覆冰,会在导线表面产生凹凸不平的冰树枝,因此会畸变导线表面的电场分布。为探求雾凇覆冰导线起晕电压值变化规律,利用低温低气压人工气候实验室对雾凇覆冰的光滑铝管进行了交流电晕的试验。试验中,利用紫外成像仪对覆冰导线的放电光子数进行测量,并基于光子数变化获得起晕电压值。同时,利用有限元法仿真计算覆冰导线的最大场强以验证试验的正确性。结果表明:雾凇对导线起晕电压的影响主要是由于冰树枝尖端对电场的畸变作用,从而降低导线的起晕电压值;覆冰后的导线起晕电压值会随着雾凇覆冰厚度的增加而上升,但上升会变慢;冰水电导率不同对雾凇形貌和覆冰导线的起晕电压值没有影响;根据起晕电压修正公式,可快速计算出雾凇覆冰后的导线起晕电压值。所获结论可供覆冰导线起晕电压的进一步研究参考。     

风机叶片电加热除冰及电阻丝布置方式试验研究

为研究外界因素对风机叶片电阻加热除冰时间的影响规律,以及电阻丝布置方式对融冰过程的影响,该文在多功能人工气候室内对风机叶片进行了电阻加热除冰试验研究,分析了覆冰厚度、环境温度、相对风速和液态水含量(liquid water content,LWC)对除冰时间的影响规律,并提出了合理的电阻丝布置方式。结果表明:覆冰厚度较小时,其对除冰时间的影响较为明显,随着覆冰厚度的继续增大,除冰时间无明显差异;除冰时间随加热功率和环境温度的增大而降低,随相对风速和LWC的增大而增大,且不同覆冰厚度下除冰时间随上述因素的变化曲线会有较大不同;叶片尖部电阻丝宜采用弦向布置,根部电阻丝宜采用展向布置;除冰过程中,叶片尖部冰层易发生脱落,根部冰层易被融化。     

南方电网四省区覆冰特征分析及改进的覆冰模型

我国云南、贵州、广西、广东四省覆冰灾害频发,为提高南方电网系统应对低温凝冻灾害能力,本文分析总结了南方电网区域覆冰成因及覆冰分布特征。同时基于南方电网的覆冰特性,深入研究国内外覆冰模型成果及覆冰过程机理,通过引入雾凇覆冰机制,对Kathleen.F.Jones模型进行了改进,建立了能同时计算雨凇和雾凇的新模型,弥补原覆冰模型仅考虑雨凇的不足。经覆冰过程模拟检验及模型对比检验,改进的覆冰模型具有较高的实用价值,它能有效地利用气象要素对冰厚进行恢复重建,为输电线路抗冰设计提供重要的依据。     

雨雾淞导线覆冰理论模型数值模拟研究

导线覆冰的理论模型及数值模拟是研究覆冰过程机理的必要手段。本文基于国际公认的导线覆冰理论模型框架,采用合理的覆冰过程物理参数化方法,构建了一套完整的数值计算方案,并利用其对雨雾淞导线覆冰过程进行了数值模拟研究,探讨了雨凇、雾淞及雨雾凇混合覆冰过程的机理及其演变特征。数值模拟结果表明:雾凇覆冰过程的增长曲线呈对数曲线变化特征,覆冰在开始阶段增长很快而随时间逐渐变慢;而雨淞覆冰则随时间持续增长,且覆冰质量增长比覆冰厚度增长更为明显;雨雾淞混合覆冰状态下覆冰的增长与单纯雨淞或雾凇覆冰的增长曲线均不同,由于干、湿覆冰机制的转换使覆冰增长过程呈现复杂的变化,而开始阶段无论是雨淞覆冰还是雾凇覆冰都可能表现出明显的湿增长特征。本文的研究结果揭示了雨雾凇导线覆冰过程的机理及其演变特征,具有一定的理论参考价值。     

导线表面电场强度对导线覆冰的影响

为研究导线表面电场强度对导线覆冰的影响,在魁北克大学希库蒂米分校电网设备大气覆冰试验室(INGIVRE)的人工气候室内通过电晕笼进行导线带电覆冰试验。试验结果表明导线表面电场强度对导线覆冰质量、形状、冰凌间距、电晕损失以及泄漏电导和导线电容等产生影响。电场强度的增加使雾凇表面产生水膜、雨凇冰凌长度减少。当导线表面电场强度≤20 kV/cm时,导线表面覆冰质量随电场强度的增加而增加。电场强度进一步增加时,导线表面覆冰质量减少。当被导线捕获的水滴在重力作用下流到导线下表面后立即被冻结时,冰凌间距和场强无关。当降雨量较大时,冰凌间距随着场强的增加而减少。导线在雾凇和雨凇覆冰时,电晕损失和由电晕产生的电导随场强的增加而增加。雨凇覆冰时,由于冰凌长度的影响,导线表面电场强度为5 kV/cm时导线的单位长度电容反而比电场强度为25 kV/cm时大。     

雾凇覆冰对导线表面场强影响研究

中国雾凇冰灾极其频发且引起输电线路事故最多,覆冰后的导线表面由于冰树枝的生长变得极为粗糙,冰树枝尖端会使得导线表面电场发生严重畸变进而增大表面场强;为研究雾凇覆冰后的导线表面电场分布规律,在多功能人工气候室内完成了对钢芯铝绞线雾凇覆冰的参数测量,根据冰树枝尖端形态建立相应的电场分布模型,再利用有限元法对尖端场强进行计算。结果表明:雾凇冰树枝尖端严重增大导线表面电场,但随着覆冰厚度的增加,导线表面场强会逐渐减小且减小速度逐渐变慢;所得结论可为雾凇频发地区的输电线路设计和选型提供理论依据。     

基于碰撞特性的导线雾凇覆冰厚度预测模型研究

为了给输电线路抗冰设计中冰雪厚度的估算及覆冰机理的研究提供理论依据,笔者从流体力学和热力学角度出发,建立全面的表征导线捕获过冷却水滴及冰面热传递过程的雾凇覆冰厚度预测模型。仿真结果表明,水滴与导线碰撞时的碰撞系数以及覆冰密度是影响预模型测结果精确性的关键参数,随覆冰时间增加雾凇覆冰厚度增长率逐渐减小,碰撞系数逐渐减小,水滴碰撞导线速度和冰面温度也随之减小,导致雾凇冰密度也逐渐减小。仿真和实验结果均表明,随圆柱体初始直径的增加,冰厚呈幂函数降低,模型预测结果与试验及现场观测结论一致。