降低风力机叶轮载荷独立变桨距控制策略

为了减小风力机叶轮的气动载荷,文章提出了将叶片方位角权系数分配与叶片根部气动载荷反馈相结合的独立变桨距控制方法(AAWC-LF)。控制器依据方位角的大小不同,利用权系数分配器重新分配每个叶片桨距角的调整变化量。同时,考虑到现场实际风速会突然大幅变化,在基于方位角权系数分配的独立变桨距控制基础上,增加了基于叶片根部实际气动载荷的桨距角修正环节。通过对比仿真曲线和实验结果,发现该算法增加了桨距角的调整次数,同时减小了叶轮所承受的气动载荷,对机组的输出有功功率没有形成冲击,叶轮转速更加平稳,控制效果较理想。     

基于NMPC-PID的风力机独立变桨距控制策略研究

针对独立变桨风力发电机组叶片承受的不平衡载荷,尤其是随机性载荷问题,通过对其桨距角控制原理以及桨叶载荷数学模型的分析研究,提出结合神经网络、模型预测控制和自适应PID(NMPC-PID)的复合控制策略。采用Coleman坐标变换将叶片不平衡载荷分解为俯仰载荷和偏航载荷,跟据桨叶载荷的变化,对桨叶桨距角进行实时控制,以达到减小风电机组桨叶不平衡载荷的目的。以某2 MW风力发电机作为验证对象进行仿真研究,结果表明,当风速达到额定值以上时,该控制策略能降低桨叶所受不平衡载荷,减小转矩波动,提高风力机工作效率。     

基于泛模型的风轮不平衡载荷控制

针对大型变速变桨风电机组风轮的非线性特征和难以建立精确模型的问题,设计了一种基于泛模型的风轮不平衡载荷自适应控制器。根据传感器测量的叶根载荷,对3个叶片进行独立变桨控制,通过3个叶片的桨距角差异来减小风轮的不平衡载荷。在此基础上,以双馈变速变桨机组为对象,通过仿真对该控制器进行了测试,结果表明该方法用于减小风轮的不平衡载荷是可行且有效的。     

叶片变桨速率对风电机组停机过程载荷特性影响研究

分析叶片变桨速率对于风电机组机械载荷影响的机理,并基于某2.5 MW双馈型风电机组载荷实测数据,对相同外部条件不同叶片变桨速率停机过程的载荷数据进行分析,研究叶片变桨速率对风电机组疲劳与极限载荷的影响。运用GH Bladed软件,对不同叶片变桨速率停机工况下的风电机组载荷进行仿真计算,验证叶片变桨速率与风电机组载荷之间的内在关系。现场测试数据与仿真结果均表明,风电机组停机过程中的载荷特性与叶片变桨速率相关,且随着叶片变桨速率的增加,疲劳与极限载荷随之明显增加。由叶片变桨速率增大导致的风电机组极限载荷增加比例与疲劳等效载荷增加比例相近。     

风轮不平衡载荷下超大型风电机组叶片颤振极限研究

以IEA Wind 15 MW参考风电机组为研究对象,基于非线性时域气弹耦合分析工具,研究风剪切、偏航入流、质量不平衡3种不平衡载荷单一或共同作用时,超大型风电机组叶片的颤振极限。结果表明,单一不平衡载荷作用时,风剪切和±15°以内的偏航角会增大临界颤振速度,而质量不平衡会降低临界颤振速度,且质量偏重时颤振速度下降更加明显。3种不平衡载荷共同作用时,临界颤振速度的最大值和最小值都出现在剪切系数为0.3时;最大值总是在偏航角为非负值时取得,最小值在偏航角为-20°时取得;质量不平衡对临界颤振速度的影响与其单一作用时的规律一致。因此,在进行气弹稳定性分析时,应考虑多种风轮不平衡载荷共同作用,尤其是叶片质量偏重和偏航角度为-20°时这种最不利的情况。     

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。     

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。     

基于粒子群优化的无载荷传感器风电机组独立变桨距控制

提出一种利用预测载荷进行独立变桨距控制的方法,应用叶素理论进行载荷预测,对测量风速以及受风剪效应和塔影效应影响的轮毂风速进行修正,使载荷计算更加准确;应用粒子群算法进行桨距角优化控制,优化搜索中通过对目标函数的选取和相关参数的设定保证控制的实时性.应用Bladed软件对某1.5MW变桨距风电机组进行仿真.结果表明:所提出的独立变桨距控制方法可在保证功率控制的同时实现载荷控制,能有效减小风轮不均衡载荷,降低机组疲劳载荷.     

6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究

海上风电场建设由近海走向深远海,漂浮式风电机组将会是这一区域最适合的选择。选用华锐6 MW机组,结合东海某海域环境条件和IEC规范,利用气动-水动耦合时域分析方法,对不同基础型式下的风电机组载荷特性进行研究。计算结果表明:漂浮式风电机组叶片、轮毂极限载荷与海上固定式风电机组相比没有明显增加,塔筒底部极限载荷增加幅度可达30%;在正常发电工况和极端空转工况叶片和轮毂极限载荷主要受风载荷控制,而塔筒底部和顶部极限载荷在不同工况受风载荷和波浪载荷影响效果则有不同。     

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。     

大型风电机组独立变桨控制技术研究

通过对风力机简化模型的分析,推导出风力机的运动方程和输出方程;通过卡尔曼坐标变换将塔架前后运动方程和载荷输出方程所代表的线性时变系统解耦为线性时不变系统,在此基础上提出带3个独立控制环的独立变桨控制策略;利用"GH Bladed"软件对独立变桨控制策略进行仿真试验研究,仿真试验结果表明,采用独立变桨控制技术不但能实现转速控制功能,还能有效减小叶片根部挥舞力矩、轮毂倾翻力矩、偏航力矩的波动,从而能有效降低变桨轴承、主轴、轮毂、偏航轴承、塔架上的疲劳载荷。     

减小风力机1P气动载荷和3P气动转矩脉动的独立变桨距控制策略研究

为研究风切变和塔影效应对三叶片风力机气动载荷、气动转矩以及输出功率的影响,根据风切变和塔影效应的风速模型,引入等效风速模型,推导分析风力机1P(P为风轮旋转频率)气动载荷和3P气动转矩脉动的形成机理,并基于GH Bladed仿真平台验证这2种脉动的存在性。为减小这2种脉动对风力机产生的影响,基于变桨控制,设计带通滤波器过滤出风力机输出功率的3P脉动分量,并结合方位角信号将其转换为每支叶片的桨距角调节信号,与统一变桨控制的桨距角参考信号叠加,实现基于输出功率和方位角联合反馈的独立变桨距控制。仿真结果表明,所提独立变桨距控制策略不仅能有效缓解风力机1P叶根挥舞载荷脉动,还能明显减小气动转矩和输出功率的3P分量,从而在减小风轮疲劳载荷的同时提高风电机组输出电能质量。     

基于不同载荷测量量的独立变桨控制

讨论了依据3种不同载荷测量量的独立变桨控制,分别为叶片面外弯矩、轮毂旋转坐标系下的弯矩和机舱坐标系下的面外弯矩.结果表明:3种载荷测量方式的实施和维护的难度是依次递减的;与没有独立变桨控制的情况相比,3种方式均能有效地降低叶片面外载荷谐波分量及传递给机组其他部件的载荷;载荷控制并未明显影响机组的发电功率,但显著增加了变桨机构的动作量.     

风力发电系统权系数独立变桨距矢量控制

风电系统具有多变量、非线性以及不确定等特点,为了减小叶片不平衡载荷造成的机组疲劳和振动,在2 MW风力发电系统中采用了基于权系数的独立变桨距矢量控制。在MATLAB软件中建立机组的数学模型,与统一变桨距系统的控制效果进行比较,通过仿真验证了权系数独立变桨距矢量控制方案的合理性和优越性。     

大型风机偏航状态力学分析及偏航控制策略研究

为制定合理的偏航控制策略,研究了偏航状态下叶片吸收风能的特性,分析了偏航状态下的叶片受力特性,并研究了偏航误差在不同风速下对风轮空气动力的影响;根据偏航状态受力分析,制定了分风速段变参数偏航控制策略,讨论了策略实现中关键数据处理方式。经风场测试表明,此策略完全能满足风机对偏航的要求,经仿真数据的外推法统计分析,此策略能在不影响整机受力及发电量的情况下,减少寿命周期内的偏航次数,提高偏航机构寿命。     

基于LMI的5MW海上风力发电机组载荷控制技术研究

当风速大于额定风速时,通过调节桨距角可以限制输入气动功率和风轮转速,使等效在低速轴上的发电机转速更好地跟踪风轮转速,从而减小低速轴扭矩,实现风机叶片、塔筒和传动链的动态载荷控制。文章基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)设计多目标鲁棒H_∞/H_2状态反馈变桨距控制器。设计变桨距控制器时充分考虑了海上机组的运行环境,分析了海浪对机组产生的影响,控制目标选取机组的功率和机组的关键部位疲劳载荷,在保证功率稳定输出、减小功率波动同时,减小机组载荷。使用MATLAB和FAST软件进行联合仿真,仿真结果表明新型控制策略可以有效平稳风电机组输出功率并降低机组载荷,实现了优化H_∞/H_2鲁棒控制性能。     

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。     

不对称载荷的独立变桨控制

常规的独立变桨控制是把3叶片的周期性载荷看作对称的,而在实际中叶片的载荷存在不对称分量,因此提出叶片不对称载荷的控制。仿真计算以2 MW双馈式风电机组为模型,在考虑风切变、塔影效应的工况下,独立变桨控制能实现载荷波动的减缓。在湍流风和叶片安装角误差工况下,不对称载荷控制可进一步降低载荷波动。载荷控制并未明显影响机组的发电功率,但可显著增加变桨机构的动作量。     

切出风速下风力机变桨故障叶片气动特性及准静态结构响应分析

为探究大型水平轴风力机达到切出风速停机后变桨故障叶片的气动特性及准静态结构响应,基于计算流体力学方法对NREL 5 MW风力机变桨故障/成功叶片气动侧状态进行分析,并利用双向弱流固耦合及曲屈分析对典型方位角下变桨故障叶片展开研究。结果显示：切出风速下变桨故障叶片挥舞力矩平均值为变桨成功叶片的13.8倍,且前者的流场尾迹更为明显。此外,180°方位角变桨故障叶片较之0°方位角变桨故障叶片应力及叶尖位移分别减小29.8%和32.7%,一阶屈曲因子增加20.2%。     

轴流式混输泵叶片载荷分布特性研究

为了研究气液两相条件下多级轴流式油气混输泵的叶轮叶片载荷分布特性,选用标准κ-ε湍流模型,利用CFD软件探讨了不同工况下轴流式混输泵叶轮叶片压力载荷随含气率及流量变化的规律,并分析了混输泵叶轮内进行能量转化的主要部位。结果表明,当流量一定时,随着含气率的升高,混输泵叶轮叶片工作面和吸力面压力载荷逐渐升高,且小流量工况下叶片压力载荷受含气率变化的影响程度要大于大流量工况;混输泵叶轮前半段在靠近轮毂处的能量转化能力较差,靠近轮缘处的能量转化能力较强,且叶轮前1/3段能量转化能力明显高于叶轮其他段,即混输泵内进行能量转化的主要部位是叶轮前1/3段。