海上风机半潜式基础概念设计与水动力性能分析

针对5 MW海上风机动力响应较大的问题,提出了半潜型浮式基础的概念设计,研究了半潜式浮式基础在不同风浪环境下的运动响应和生存能力。考虑叶片空气动力载荷及风浪载荷,以及浮式基础与系泊系统的耦合,建立风机结构系统及水动力模型,采用动量－叶素理论计算叶片空气动力载荷,在频域范围内计算了载荷传递函数。计算分析浮式基础风机系统不同风浪情况下的时域动力响应,评估了半潜型浮式基础在极限海况下的生存能力。结果显示,半潜型浮式基础运动性能良好,且在极端海况下,各系泊缆安全系数均大于1．67,破损状况下安全系数均大于1．33,该浮式基础及其系泊系统具有足够的抵抗极端海况的能力。     

新型6 MW单柱浮式风力机耦合运动

针对100 m水深条件,设计新型6 MW海上单柱浮式风力机;利用气 -液-固-弹性数值模拟软件FAST,对该浮式风力机进行全耦合时域动力响应分析. 整个风力机系统的气动力分析采用叶素动量理论,浮式基础的水动力分析基于势流理论同时考虑采用Morison公式计算得到的黏性阻尼,系泊系统采用等效的弹性杆单元. 数值仿真结果表明：浮式基础纵荡和纵摇耦合作用较明显;平台运动响应主要取决于风载荷,波浪载荷会改变平台在平衡位置附近的振荡运动;风浪同向会激发较大的运动响应;风浪的夹角越大,平台首摇运动越明显;在额定海况下,环境载荷方向的变化对垂荡运动的影响较小;delta-line能够很好地控制首摇运动,可以避免锚链缠绕现象发生;设计出的6 MW浮式风力机具有良好的总体运动响应,系泊系统设计方案能够保证风力机系统的安全运行.     

新型6 MW单柱浮式风力机耦合运动分析

针对100 m水深条件,设计新型6 MW海上单柱浮式风力机;利用气-液-固-弹性数值模拟软件FAST,对该浮式风力机进行全耦合时域动力响应分析.整个风力机系统的气动力分析采用叶素动量理论,浮式基础的水动力分析基于势流理论同时考虑采用Morison公式计算得到的黏性阻尼,系泊系统采用等效的弹性杆单元.数值仿真结果表明：浮式基础纵荡和纵摇耦合作用较明显;平台运动响应主要取决于风载荷,波浪载荷会改变平台在平衡位置附近的振荡运动;风浪同向会激发较大的运动响应;风浪的夹角越大,平台首摇运动越明显;在额定海况下,环境载荷方向的变化对垂荡运动的影响较小;delta-line能够很好地控制首摇运动,可以避免锚链缠绕现象发生;设计出的6 MW浮式风力机具有良好的总体运动响应,系泊系统设计方案能够保证风力机系统的安全运行.     

风力机叶轮单向流固耦合工程分析方法研究

风力机风轮的叶片根部为叶轮最薄弱的结构位置.为提高风力机的运行可靠性,对叶片根部进行动态响应分析,利用逆向工程重构风力机叶片,运用ANSYS WorkBench搭建流固耦合模型,研究风力机在运行环境风载荷作用下的叶片整体位移和应力分布.依据叶轮叶片在三维流场的动力响应,进一步研究风轮在复杂工况下运行的稳定性,为风力机的...     

海上漂浮式风力机结构振动的主动控制

为实现海上漂浮式风力机结构振动的主动控制,文中通过分析风轮及塔架所受风载荷和漂浮平台所受波浪载荷,建立气动-水动-结构耦合的风力机动力学分析模型.在非规则海浪工况下,建立风波联合作用的AMD控制系统运动方程.研究结果表明:利用最优二次型控制算法,实现了以最小能量消耗来对风力机纵荡位移振动的智能控制.对5 MW漂浮式风力机进行数值模拟,在额定载荷和极限载荷时机舱及塔架振动的最大位移振幅均减小了33%.     

基于反馈控制策略的陆上与海上风力机塔架前后振动控制效果分析

塔架在受到风轮、机舱、自身重力以及各种风况和海况下的载荷作用时会出现振动幅度过大的情况,这可能导致塔筒倒塌、发电功率波动变大等恶劣事故的发生。为得到良好的控制塔架前后振动的效果,采用适合的控制策略是关键。文章分别对美国可再生能源实验室(NREL)提供的陆上和海上5 MW风力机塔架的前后振动采用反馈控制策略进行仿真模拟。仿真结果表明,在相同的控制策略下,陆上风力机的塔架前后振动能够得到很好的抑制,而对于海上风力机来说这种控制策略的效果并不明显。对于海上风力机塔架的前后振动问题还需要考虑其他控制策略。       

地震随机载荷作用下风力机整体振动非线性特性研究

风力机的整体结构属于半刚性结构,且等效质量位于塔顶法兰盘几何中心位置,故导致风力机在抗震特性设计上存在缺陷.同时,在地壳随机激振力的作用下,风轮叶尖及翼型后缘位置易产生"鞭梢效应",放大其激振力响应效果,降低风力机运行安全性.通过计算随机风载荷及地震激振载荷,模拟生成风力机振动加速度的时间历程,提取耦合作用的载荷谱文件...     

装载机铰接系统铰点位置对铰点载荷的影响

研究了装载机车架铰接系统铰点位置对铰点载荷的影响；给出了ＺＬ５０装载机铰点纵向位置、上下铰点距离、下铰点到路面距离与铰点径向、轴向载荷的关系；得出了一些对铰接式车辆铰接系统的设计及改进具有一定指导意义的结论。     

半潜型风电浮式基础运动特性试验研究

针对5 MW海上风机半潜型浮式基础的运动特性进行模型试验研究,考虑系泊线、塔柱及叶片,采用1∶50的比例制作浮式基础在内的风机系统模型,设计加工了人工风场产生风载荷。通过无接触式光学六自由度三维运动测量仪测量模型在风浪联合作用下的运动响应,测试不同海况、不同风速下的风机系统运动响应,得到了风机系统的固有运动特性,幅频响应特性,以及定常风对浮式风机纵荡、垂荡、纵摇的影响规律。通过实验结果,评估了风机浮式基础在不同海况下的发电作业和生存能力。     

一种新型的垂直轴风力机聚风装置

为了提高垂直轴风力机的功率系数,设计一种能将任意方向的自然水平风转变成沿环形顺时针流动的风的环形聚风装置。分析了该装置将自然风转变为环形流时风的流场。计算有效进风面积,推导了半圆柱形叶片风轮和对称翼型的功率系数公式。研究表明,在不计装置对风的加速作用和忽略轮毂半径的情况下,半圆柱形叶片风轮功率系数最大值35.6%;在给定条件下对称翼型NACA0012的功率系数最高为41.5%;装置用于H型风力机,使得风力机具有确定的攻角及良好的启动性能。     

极端运行阵风下后掠型风力机叶片的气动特性研究

基于多体系统动力学和升力线气动模型,考虑柔性后掠叶片动态失速和气动弹性耦合问题,建立了风力机气弹耦合模型,研究极端运行阵风及阵风作用时间对某5 MW后掠风力机叶片气动性能的影响。结果表明：极端运行阵风对叶根挥舞力矩、功率、攻角、升力系数和轴向推力等气动特性具有较大影响。研究工作对风力机的结构优化设计和疲劳寿命设计具有重要作用。     

海上风机单桩基础疲劳损伤计算方法

为提高海上风机基础疲劳损伤计算的准确性,评价不同计算方法的适用性和影响,以海上风机单桩基础为例进行疲劳评价,建立全时域的动力分析模型和基于功率谱密度函数的频域疲劳损伤计算流程,研究气动阻尼比取值、风与波浪联合作用、应力幅概率分布模型对基础疲劳损伤的影响. 结果表明：基础疲劳损伤受气动阻尼比影响突出,风致疲劳损伤对气动阻尼比的敏感性大于浪致疲劳损伤;由于风与波浪联合作用对基础的疲劳损伤有较大影响,简单叠加风致疲劳损伤和浪致疲劳损伤得到的结果较风与波浪联合作用时偏小;确定合适的应力幅概率分布模型十分必要,频域法中采用Dirlik模型得到的风致疲劳损伤和采用快速傅里叶逆变换（IFFT）的浪致疲劳损伤分别与时域法的结果相近,但叠加的总疲劳损伤小于风与波浪联合作用时的总疲劳损伤.     

单桩式海上风力机整体化地震反应

为了探讨风-波浪-地震共同作用下单桩式海上风机（OWTs）的动力行为,以National Renewable Energy Laboratory（NREL）5 MW风力发电机为研究对象,将风、地震作为独立事件,根据风-波浪统计关系确定波浪谱参数. 改进FAST软件以模拟土-结相互作用,考虑停机、运行和应急停机3种工况,采用气动-伺服-水动-弹性耦合方法分析海上风机地震响应. 算例表明,工作状态显著影响海上风机支撑结构的运动和内力,规律与地震强弱有关;地震动显著影响叶片挥舞振动速度;在风-波浪-地震的共同作用下,海上风机支撑结构危险截面剪力和弯矩峰值超过极端风-波浪作用效应.     

风电机组气动载荷控制策略

针对风电机组在风切效应影响下,较大尺寸的桨叶会加剧风轮所承受的不平衡气动载荷问题,提出了基于改进离散模糊控制的同步变桨距和基于桨叶方位角权系数分配的独立变桨距联合控制策略.通过主动变桨距控制来实现风电机组输出功率的稳定,同时降低风轮所承受的轴向气动载荷.仿真结果表明,此联合控制策略在风电机组的额定工作区间,不仅可以使风电机组的输出功率稳定在额定功率附近,而且还可以有效地抑制其轴向气动载荷,也直接证明了所提出的控制策略的有效性.     

海上风力发电机组塔架海波载荷的分析

由于海上风力发电机组的外界载荷条件比陆地上的风力发电机组更加复杂,因此在机组设计中要考虑到海上风机载荷条件.在研究海波性能和运动规律的基础上,给出了海水中的塔架载荷的计算公式;针对海上风力发电机组的结构特点,将研究的海波载荷计算方法用于风机的塔架载荷计算,以1.0 MW风力发电机组为例,对塔架所承受的海波载荷和风载荷进行了计算,经过对比分析可知,风载荷大于海波载荷并为同一数量级的载荷,因此,在设计中更应注意这两种载荷的耦合作用.     

大规模风电外送中的次同步振荡问题

目前,中国正在建设7个千万kW级风电基地,大规模风电外送成为必然.串补交流输电和高压直流输电作为风电外送的2种重要方式可能会诱发次同步振荡问题.分析鼠笼异步型、双馈感应型和永磁同步型风电机组的结构特点,论述次同步谐振、装置引起的次同步振荡以及风电机组控制器引起的次同步振荡,并分析总结不同类型风电机组可能发生的次同步振荡类型.最后,指出亟待研究解决的问题.     

动态入流条件下风力机运行控制的数值模拟

在动态入流条件下,采用基于致动线模型的大涡模拟方法对一台1.5 MW的商用风力发电机组的转速、转矩以及输出功率的响应特性进行数值模拟.在对数风廓线模型的基础上,通过引入正弦波动获得动态入流边界条件.对风力机引入比例积分变桨距控制和转矩控制,实现对动态入流的追踪.研究结果表明,在当前的变桨距控制和转矩控制条件下,风力机的转速、转矩、输出功率能够很好地响应入流风速的变化.在风加速阶段,三者都在额定风速时达到额定值;当入流风速减到额定风速后,变桨距控制以及转速、转矩、功率的下降都存在10 s的延迟;模拟得到的功率曲线与风力机实际功率曲线整体上吻合良好,不过在风速小于9 m/s的区间段还存在着一定的偏差,有待于进一步优化.     

基于PSCAD/EMTDC的双馈感应风电机组变桨距控制仿真分析

提出一种简化的风力机变桨距控制模型,通过发电机转速和风力机输出功率的反馈信号分别调节桨距角,控制发电机的转速恒定和风力机输出功率平稳.采用PSCAD/EMTDC仿真软件建立该变桨距控制模型,对整个风力发电系统（包括双馈电机和并网装置等）进行仿真,验证该风力机变桨距控制方法的可行性.     

升力型风力机与升阻型风力机气动性能分析

为深入研究升阻型风力机与升力型风力机的气动性能,基于CFD软件,采用k—wSST湍流模型,利用双滑移网格技术对2者的启动风速和切入风速进行流场计算,研究在低风速下2种风力机的气动性能。结果显示：升阻型风力机具有较大的启动力矩、较小的切人风速以及较小的启动风速;升阻型风力机在低风速下比升力型风力机更容易启动,且在失速之前升阻型风力机的输出功率较大,但在失速之后升阻型风力机输出功率低于升力型风力机。     

风轮机的风能转换及空气动力学分析

基于流管概念,分析不考虑风轮机叶片旋转等因素时理想情况下风轮机的功率输出及最大风能利用系数．从角动量守恒的角度出发,分析考虑风轮机叶片旋转及由此产生的旋转尾波情况下水平轴风轮机的功率输出．借助于飞机机翼升力概念及叶片元理论,分析水平轴风轮机叶片元的空气动力,指出了风轮机叶片空气动力分析与飞机机翼空气动力分析的差异。