改进风力机三维尾流模型及其风速预测准确性研究北大核心CSCD

针对大型风力机受来流风切变影响,风速差最大达到30%的问题,文章以2D_K Jensen尾流模型为基础,提出了一种改进的三维尾流模型。该模型基于质量守恒理论,通过综合考虑入流的风切变效应、尾流区域的湍流强度分布和各异性的尾流扩展率等因素,修正垂直剖面尾流速度的非对称分布,提高了尾流模型在近尾流区的预测精度。通过与风洞实验测试数据进行对比分析,发现文章提出的修正模型在近尾流区与风洞测试数据吻合较好。该模型能够较好地预测单个风力机尾流区域的速度分布,且无需数值模拟确定经验参数,可用于风电场的微观选址和发电量评估。     

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。     

水平轴风力机三维全尾流模型推导及验证

为进一步了解整个尾流区域的速度衰减空间分布特征，提出一种三维全尾流模型。首先，采用高阶高斯函数预测尾流剖面，其在近尾流区由顶帽形演变为远尾流区的高斯形；其次，考虑风切变效应，引入风切变入流与均匀入流的风速差；此外，考虑到尾流膨胀的各向异性，在垂直方向和水平方向采用不同的尾流膨胀系数；最后，通过风场实验验证所提三维全尾流模型的准确性，结果表明所提出的全尾流模型预测的相对误差基本在5%以内，能够较好地预测整个尾流区域的三维分布。     

垂直轴风力机三维尾流模型的研究

基于流量守恒，提出一种H型VAWT的三维解析尾流模型，该模型考虑了风切变效应，并采用多元高斯分布。首先，通过风洞试验及大涡模拟数据进行模型验证，结果表明在x/D> 3的远尾流区，横向剖面的相对误差小于2%，垂向剖面的相对误差小于3%。然后，从下游4个位置(x/D=3、6、9、12)、3种推力系数(C_T=0.6、0.7、0.8)、4种风切变指数(α=0、0.1、0.15、0.2)、两种湍流强度(I₀=5%、8.3%)下演示了一系列预测结果，结果显示该文模型能有效地描述尾流风速的空间分布。由于考虑了高度影响，该模型可用于风力机轮毂高度的优化及风电场的布局优化，有利于提高风电场的功率输出。     

基于改进的Jensen模型尾流数值模拟研究

为提高垂直方向尾流速度的预测精度，基于尾流速度在垂直方向呈现多项式分布的假设，考虑不同高度自然风速对尾流速度的影响，提出一种改进的Jensen尾流模型。以单台风力机作为研究对象，采用Jensen模型、高斯模型和改进的Jensen模型分别对风力机尾流速度进行数值模拟，并基于改进的Jensen模型分析大气稳定性对尾流速度恢复的影响。仿真结果表明，改进的尾流模型精度优于Jensen模型和高斯模型，在下游2.5D、4.0D和8.0D(D为风轮直径)距离处的误差低至7.35%、2.82%和3.44%。尾流速度恢复和大气稳定性密切相关，越稳定的大气层湍流强度越小，越不利于尾流速度恢复。     

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。     

基于二维代理模型的风力机尾流计算和风电场布局优化

针对现有风力机尾流采用计算流体力学方法（CFD）进行数值模拟遇到的网格数量多、计算资源需求大的问题,提出采用二维代理模型的风力机尾流数值模拟方法,并将此代理模型运用于风电场的布局优化中。首先对单台风力机的尾流进行数值模拟研究,并根据现场实测数据对模拟结果进行检验;其次将代理模型运用于多台风力机的风电场模拟中,分析风力机在不同来流风向角下尾流效应情况。最后结合风速风向玫瑰图计算多台等距矩形布置的风电场的年发电量,分析风电场与N（北）方向的夹角与风电场年发电量的关系。仿真表明：现场实测数据和模拟数据相关程度高且误差较小,验证了二维代理模型的可行性和计算结果的准确性。风电场与N（北）方向的夹角在0°～40°范围内时,夹角大于0°时的风电场年发电量均大于夹角等于0°时的年发电量;风电场布局优化时选择合适的风电场与N（北）方向的夹角有利于提高风电场的年发电量,提高经济效益。     

基于2D Frandsen模型的风力机尾流数值模拟

针对二维尾流模型计算精度不高的问题,基于Frandsen模型和径向尾流速度亏损呈高斯分布假设,提出一种2D Frandsen模型,该模型同时考虑环境湍流强度和地表粗糙度对尾流的影响。通过2D Frandsen模型对单台风力机尾流场进行模拟,并将模拟结果与风场实测数据和风洞实验数据进行对比,结果表明,该文的2D Frandsen模型可准确预测多种工况下尾流区域的各点风速,在径向分布上更符合真实流场,计算精度优于修正Frandsen模型和2D_k Jensen模型。     

用CFD方法模拟计算风力机尾流的研究

根据计算流体力学的原理和数值计算的方法,将研究区域划分为非结构网格,通过设置合理的边界条件,采用湍流模型模拟了不同间距的风力机尾流流场,对不同尾流流场的压力、速度和涡量的分布进行了分析,从而确定了在风力强度及风向相同的情况下,不同风力机间距的尾流特点。     

动态尾流模型在水平轴风力机气动性能计算中的应用

根据势流理论导出风力机动态入流对速度诱导因子及推力系数的影响,建立了动态尾流气动模型.改进了风力机动态过程分析中传统的准稳态平衡尾流近似模型,从而较真实地反映尾流动态滞后和动态诱导速度场,更适用于风力机动态气动分析.应用该动态气动模型开发了风力机动态气动性能计算程序,对一台1.3MW失速调节型风力机进行了气动性能计算.通过比较动态尾流模型和平衡尾流模型处理阶跃风和阵风等动态过程的计算结果,分析了动态气动模型及其数值方法的正确性和实用意义.     

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。     

ZOND Z—40风力格塔架的模态分析

对由美国引进的ZOND Z－40风力机塔架我们自己设计的塔架的固有振动特性进行了计算,通过模态分析,结果表明,用国产的风力机塔架可以替代进口塔架。     

水平轴风力机尾迹三维流场的热线测量

利用单斜丝热线旋转进行水平轴风力机模型的尾迹流场测量。热线测量过程中采用了周期性采样和锁相平均技术,获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息,并利用自行编制的MATLAB程序求出尾迹流场的三维平均速度。试验结果表明：采用旋转单斜丝热线结合周期性多点采样技术构成的热线测量系统,能够获得风轮流场速度分布等准确的定量信息,是一种比较有效的风力机三维流场动态测试方法。风轮下游的尾迹区内存在速度亏损,速度亏损随着风轮下游轴向位置的增加而减弱。风轮下游4倍弦长外,尾迹区的速度就已经基本恢复到主流速度。在气流向下游流动的过程中尾迹的轴向速度亏损形成的波谷曲线渐趋平缓,尾迹区的宽度不断扩大,2倍弦长以后尾迹宽度基本不再扩大,并逐渐与主流掺混融合。     

变转速风力机的动态模型与随机载荷下的动态分析

变转速风力机是当前大型风力机研究领域的研究热点之一。该文通过研究其控制策略和动态特性，建立了适用于变转速风力机控制设计的动态模型，确定了相应的仿真分析方法。在此基础上以300kW变转速水平轴风力机为分析对象，对其动态模型在紊流风场的随机载荷情况下进行了仿真计算并分析了计算结果。     

水平轴风力机尾迹流场试验

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用旋转单斜丝热线在风轮下游进行尾迹流场速度测量。采用周期性采样和锁相平均技术热线测量技术,获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。试验结果表明:风轮下游尾迹区内气流存在明显的三维性。尾迹在向风轮下游的发展传播过程中,尾迹中心形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线。尾迹区内的速度亏损随风轮下游轴向位置的增加而减弱,在气流向下游流动的过程中尾迹速度亏损值逐渐衰减,尾迹区的宽度不断扩大,并逐渐与主流掺混融合。尾迹区内相同轴向位置上不同叶高处的速度型相似。在叶片的尾迹区内,流动的紊流强度大大高于周围的非尾迹区,其中紊流强度径向、切向分量较大,轴向分量最小,尾迹区内的紊流具有高度不均匀性。     

大型风力机液压变桨机构建模分析

对大型风力机液压变桨距机构进行建模并对其工作特性进行深入分析。仿真结果表明,该模型真实反映了风力机在风速高于额定风速时液压变桨距机构的动态特性,为深入研究风力机的功率控制和最大能量捕获提供了可能。     

基于直流电机的风力机模拟技术研究

分析了风力机的运行原理,建立了风力机模型,制定了简单有效的转速、转矩控制模拟方案,搭建了基于DSP的直流电机风力机模拟平台,应用LabWindows/CVI开发了上位机界面。该风力机模拟系统应用于并网型变速恒频交流励磁双馈风力发电系统,实现了模拟风力机在不同风速、转速下的运行状态,满足了双馈发电机在同步、超同步、亚同步状态下运行以及进行风电系统最大风能追踪等方面研发的需要,可方便用于实验室条件下风电技术的研究。     

水平轴风力机气动性能计算模型

基于片条理论建立了水平轴风力机气动性能计算模型,考虑叶尖损失、轮毂损失、叶栅理论及失速状态下动量理论的失效对片条理论进行了修正,并且考虑了风剪切、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数对计算模型的影响,使得理论模型更接近于实际工况中的风力机。应用所设计的气动性能计算程序对一台1．3MW的失速调节风力机进行了气动性能计算,与国外大型商业软件的计算结果取得了良好的一致性,从而验证了模型的正确性和实用性。     

风力机模拟平台的MPPT快速响应控制方法

作者开发了一种新的MPPT(Maximtm Power Point Tracking，MPPT)控制方法，和以往的MPPT、控制方法相比，主要不同之处是：(1)追踪步长根据风速的变化而变化，即变扰动MPPT控制方式；(2)为了消除逆变器死区所造成的风力机功率波动影响，MPPT控制周期和发电机的转速是同步的；(3)利用电磁转矩对风力机转速实行完全控制，即在适当的时候，给风力机提供能量使其加速，使风力机转速能跟踪快速变化的风速；(4)在MPPT的输出端使用低通滤波器来平滑风力机转速控制的指令值。采用风力机模拟平台的实验结果表明，该方法可以跟踪0．2Hz快速变化的风速，和传统的MPVT控制方法相比，当风速快速变动时，可以显著增加发电量，从而提高了风力发电的效率。