基于ONERA模型的柔性叶片气弹稳定性研究北大核心CSCD

为了探究大型风力机柔性叶片在挥舞-摆振耦合作用下的气弹稳定性,文章基于ONERA非线性气动模型建立了包括二维翼型非线性气动升阻力方程及其挥舞-摆振耦合运动方程的气弹模型。利用该气弹模型计算得到NREL 5 MW风力机叶中段DU35-A17翼型在叶片变桨前后的挥舞、摆振变形量变化曲线,并与FAST计算结果进行比较,以验证气弹模型的准确性。结果表明:在额定工况时,叶片出现z轴正方向、y轴负方向的弯曲变形;风力机未变桨时,挥舞、摆振变形量会随风速增大而增大;叶片变桨后,挥舞、摆振变形量会比额定工况下的变形量有所减少。由于计算得到的挥舞、摆振变形量曲线是收敛的,故叶片是气弹稳定的。该气弹模型为评估大型风力机柔性叶片气弹稳定性提供了新方法,计算得到的挥舞摆振位移数据为优化风力机结构参数、提升叶片气弹稳定性提供了数据参考。     

参与电网调频的风电机组线性变参数变桨控制策略

风电机组参与调频时其输出功率的调整将改变风电机组变桨动作的风速范围,同时由于桨距角调节气动功率的灵敏度随风况变化,使得传统PI变桨控制难以适用于风电机组参与调频时的复杂工况,出现风电机组转速振荡问题。提出一种基于线性变参数(Linear Parameter Varying, LPV)系统的风电机组变桨控制方法,对风电机组模型进行线性化,根据风速和桨距角的变化范围进行凸分解,得到其具有四面体结构的LPV模型,通过求解不同平衡点处的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)设计出相应的变桨控制器。仿真结果表明:与传统PI变桨控制相比,LPV变桨控制能有效减小转速的波动,降低低速轴载荷以及减小桨距角的波动程度,验证了该控制策略的有效性和先进性。     

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。     

外部环境对风电机组性能影响分析

以1.5 MW风电机组叶片为模型,通过叶片数据采集和实验分析的方法,对外部环境对风电机组性能影响进行分析。通过Bladed软件对风电机组叶片进行仿真,研究结果表明:温度和高度的变化对空气密度和空气黏度的变化有一定影响,空气密度的变化引起升阻比变化,空气黏度的变化则主要引起雷诺数的变化,两者共同对风电机组的气动性产生影响。该研究有助于风电机组的设计研发,降低风电机组运行时的故障率。     

风电机组叶片故障仿真与状态判别研究

该文利用Bladed软件模拟叶片覆冰和破损故障,通过对比和分析风电机组叶片故障与正常时的运行数据,发现叶片故障状态时的机组运行参数变化特征;然后利用叶片振动信号,基于叶片工作模态分析理论识别出叶片模态参数,根据模态参数的变化揭示了两种故障对叶片振动影响的区别;最后将所识别的叶片模态参数与风电机组的运行参数组成多源数据,采用LightGBM框架下的分类决策树算法实现了对叶片故障状态的有效判断和识别。     

发电机故障时海上风电机组动态特性分析

以海上风电机组为研究对象,建立了风电机组模型,以湍流风和随机波浪作为输入条件,考虑重力载荷、空气动力载荷、惯性力载荷和波浪力载荷的影响,基于FAST软件仿真发电机故障时风电机组的运行过程,并研究了发电机故障时变桨速率对风电机组载荷的影响规律.结果表明:故障对风电机组叶片危害严重,发生故障时受惯性力增大的影响叶根处轴向力发生突变,叶根处受力最大;采用主动控制变桨-顺桨对叶片进行卸载,变桨速率对叶尖位移有重要影响.     

大型风电机组气动响应特性分析

针对大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构气动响应问题,文章提出了在不同偏航角度下的分析方法。根据该方法的流程图,建立了大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构动力学模型。采用谐波叠加法计算气动载荷分布,考虑塔影效应与风剪切的影响,得出诱导因子时程曲线与气动响应均值。计算结果表明:轴向与切向诱导因子变化较小,尾流稳定;偏航角逐渐增大导致塔顶顺风向位移均值减小,根方差值增大。该结果为大型风电机组运行过程中监测状态参数的变化与流体动力学分析提供了参考。     

基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略研究

当风速大于额定风速时,风电机组通过控制变桨机构调整桨距角来减小风能捕获,从而使机组的输出功率保持在额定功率附近。变桨系统一般采用PI(比例积分)控制算法,但由于风轮气动转矩与风速、风轮转速、桨距角呈高次复杂非线性关系,单一控制参数的变桨控制器难以满足风电机组在额定风速以上的运行性能要求。为了解决单一变桨控制性能不足的问题,提出一种基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略,该策略通过测量桨距角当前值来动态调整变桨控制器参数,可有效提升变桨系统随风动作连续性,减小由变桨控制引起的转速与功率波动,削减机组由变桨动作引起的动态载荷。     

超大型风电机组叶片颤振分析及参数灵敏度研究

以IEA 15 MW参考风电机组为研究对象，基于修正的极坐标网格叶素动量理论与Timoshenko梁模型，建立叶片气弹耦合分析模型，综合时域和频域方法，分析超大型风电机组叶片失控状态下的气弹稳定性。结果表明，叶片发生颤振失稳，临界颤振速度为13.06 r/min，颤振频率为3.68 Hz，颤振模态主导振型为三阶向前挥舞模态伴随一阶向前扭转模态。此外，定量分析临界颤振速度对于空气密度、叶片质量、截面重心、挥舞刚度和扭转刚度变化的灵敏度。分析表明，扭转刚度是影响临界颤振速度的主导因素，通过减少叶片质量和前移截面重心，增大挥舞刚度和扭转刚度，可提高颤振裕度。采用高空气密度的设计条件，可获得更保守的设计额定转速。     

风力机叶片动态气弹变形及其对整机性能的影响

基于风力机整机刚柔耦合模型,文章提出了一种叶片动态气弹扭转变形分析的新方法。该方法采用SIMPACK和AeroDyn软件联合数值仿真对风力机在几种恶劣风况下进行动力学分析,通过对分析结果的变换处理,进而得到叶片在复杂工况下的动态气弹变形数据。采用该方法,重点分析了叶片气弹扭转变形对风力机气动功率及气弹稳定性的影响。该方法为大型风电叶片的气弹特性评价以及气弹剪裁设计提供了一种新的技术手段。     

风电机组变桨系统载荷特性研究

以某3 MW风电机组为研究对象,对风电机组变桨系统非线性特性进行研究,证明变桨控制器增益与桨距角为反比例关系。使用GH Bladed软件建立变桨系统载荷计算仿真模型,对正常发电、紧急停机等多种工况下变桨驱动载荷进行仿真,分析不同工况下变桨驱动载荷的变化规律,说明由叶片载荷产生的变桨轴承摩擦扭矩在变桨驱动载荷中占有重要比例。提出基于多工况综合分析的变桨驱动电机选择方法。     

海上风电结构横风向气动力阻尼特性研究

基于横风向气动力阻尼理论计算模型,以NREL-5 MW海上风电机组为例,对其运行过程中横风向气动力阻尼进行计算,并采用FAST软件对计算结果进行验证。之后,研究转速、叶片桨距角和运行方式对横风向气动力阻尼的影响。研究结果表明：NREL-5 MW海上风电机组结构运行状态下的横风向气动力阻尼在0%~0.8%范围内变化,其随风电机组运行转速及叶片桨距角的增大而增大;此外,海上风电机组不同运行方式对其横风向气动力阻尼也会产生较大影响。     

极端台风下停机姿态对海上风力机叶片气动载荷影响

基于计算流体力学(CFD)方法,选取美国可再生能源实验室(NREL)5 MW风力机叶片主要设计参数,重点研究台风风速大于切出风速(风力机停机)时,不同台风入射风向及不同叶片停机桨矩角对风力机叶片气动载荷的影响特征,揭示最不利叶片停机姿态及对应风载系数;进一步对比分析可能出现的最不利叶片变桨故障停机工况与正常顺桨矩停机工况下的风力机气动载荷的特征,提出2种停机姿态下海上风力机最大安全设计风速的对应建议值。     

复合材料叶片截面刚度对风力机叶片气弹响应的敏感性研究

为更深入考查叶片刚度对风力机气弹响应的影响，对叶片截面的刚度矩阵中的主对角线刚度系数在稳态风和湍流风况下的风力机气弹响应的影响以及敏感性进行系统研究。气弹模型中的气动模块采用基于叶素动量理论，并采用几何精确梁理论对叶片的结构动力学响应进行仿真。选用美国可再生能源实验室（NREL）5 MW风力机组作为基准模型，调整叶片各截面刚度矩阵的主对角线刚度系数，利用敏感性影响因子评估刚度系数变化对叶片载荷的影响。结果表明：主对角线上挥舞方向的剪切刚度、挥舞弯曲刚度、摆振弯曲刚度、扭转刚度对气弹响应具有中高的敏感性。研究结果对掌握风力机气弹响应规律，发掘更深层次的风力机叶片设计方法提供了一定的指导意义。该方法能进一步扩展至研究叶片刚度对风力机机组气弹响应的敏感性研究。     

变速风力发电机组调频控制策略研究

根据变速风力发电机组的运行特点,提出一种调频备用功率控制策略。在正常情况下,调整机组最优功率-转速曲线,使机组运行在次优功率捕获曲线上,减少一部分有功输出,留作调频备用功率;当系统频率变化时,通过调节桨距角和机组有功功率参考值,改变风电机组有功输出,参与系统频率调整。通过一个具体仿真算例分析了风电机组增加惯性响应控制、一次调频控制与备用功率控制等多种控制环节对系统频率的调节作用,并研究了当频率突变时有无AGC控制对风电机组调节特性的影响。     

大型风力机风轮气动不平衡的特性研究与验证

为了研究和探索风轮气动不平衡的物理特性,以某2.0 MW三叶片水平轴风力机为研究对象,采用计算机仿真及试验相结合的方法,研究风轮气动不平衡对机组动力学特性、气动性能及气动载荷的影响研究。通过气动特性分析和动力学分析表明,随着风轮叶片安装角的不平衡度增大,其机组性能逐渐下降,塔顶的载荷波动逐渐增大,叶片的挥舞载荷出现明显差异,机舱振动加速度变大。对塔顶振动加速度进行快速傅里叶变换分析,出现明显特征变化。研究过程表明,监测机舱振动加速度和机组功率曲线能有效识别机组气动不平衡程度。     

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。     

叶片非均匀磨蚀特征对风力机气动性能的影响

结合中国西北地区风沙活动频繁的特点,以1.5 MW叶片的缩比模型作为试验用风力机叶片,设计风沙流冲蚀磨损装置,对叶片压力面沿弦向和展向分区域冲蚀。将加装冲蚀后叶片的风电机组进行车载试验,研究叶片分区域非均匀磨蚀特征对气动性能的影响。结果表明：前缘磨蚀叶片在小安装角下总体导致风电机组输出功率减小,气动性能下降,风能利用系数在31.7°安装角下降更明显;展向半冲蚀叶片小安装角时使风力机输出功率和风能利用系数均下降,而安装角增大后出现气动性能提高的积极效应;展向全冲蚀叶片小安装角时体现出积极效应,安装角增大后引起气动性能劣化。     

基于智能算法的多机PSS参数协调优化

针对大规模电力多机系统考虑多种运行方式变化下的PSS参数协调优化问题,提出一种将遗传算法寻优和BP神经网络计算阻尼比结合的智能算法。该算法根据机组对振荡模态参与因子的大小选择需要优化的机组,采用遗传算法进行不同振荡模态及运行方式下最小阻尼比最大化的寻优,并以BP神经网络获得阻尼比的时域仿真过程。在经典的四机两区域系统上仿真表明,该算法寻优效果良好,具有较好的鲁棒性。     

定桨矩直驱式风力发电系统的研究

以电励磁双凸极发电机为基础,建立了一套定桨矩直驱式非并网风力发电测试和实验系统.通过该系统,在风洞里测试了定桨距风力机的气动特性,为风力机气动特性的理论研究和实现风力发电系统的最大功率跟踪控制提供了实验依据.另外,在风洞实验结果的基础七,对转速反馈最大功率跟踪方法进行了建模仿真,仿真结果对设计和开发定桨矩直驱式风电系统具有很好的指导意义.