基于改进虚拟振荡器和滑模控制的光储微电网控制策略

针对下垂控制模式下的光储微电网动态响应性能较差、受外界扰动时超调量较大的问题。文章提出了一种基于改进虚拟振荡器控制和滑模控制的光储微电网控制策略。光储微电网中光伏系统采用两级式结构,前级DC-DC变换器采用滑模控制,以增强微电网对外部干扰的鲁棒性;后级逆变器采用引入最大功率点追踪算法的虚拟振荡器控制,使光伏电池实现最大功率点追踪控制,提高了微电网的动态响应速度。储能系统逆变器采用虚拟惯性的虚拟振荡器控制,将惯量及阻尼特性引入虚拟振荡器控制中,为光储微电网提供可靠的功率和频率支撑。最后,基于Matlab/Simulink平台搭建了光储微电网的仿真模型,与传统下垂控制策略的仿真结果进行对比,验证了本文所提控制策略的可行性及有效性。

单块双肋梁装配式风电基础结构受力特性研究

以节约耗材、施工快速、质量可控等为目标,结合陆上风电梁板式基础结构特点,提出一种新型单块双肋梁装配式基础。目前对装配式梁板基础结构受力特性的研究较少,该文通过建立基础整体有限元模型及开展室内模型试验,研究预制装配式梁板基础受V(竖向荷载)-H(水平荷载)-M(弯矩荷载)复合荷载下的结构受力特性,并重点分析基础肋梁、底板、台柱等的承载及破坏模式。研究表明,新型单块双肋梁装配式基础结构具有良好的承载及结构力学性能,安全储备可达设计值的1.44倍;基础整体稳定性良好,各项指标满足现有规范设计要求;同时,台柱-肋梁交接处为此类型基础结构承载及荷载传递的关键部位,设计及施工时应重点关注。

2MW风力机全尺寸组合叶片的实验测试及仿真分析

针对由DU+NACA翼型组合的风力机叶片,在完成其气动性能分析的基础上,构建全尺寸叶片的实验测试方案与有限元仿真分析模型,提出载荷转换的计算方法及其实验测试加载方式,对全尺寸组合叶片进行正挥舞、负挥舞、正摆振、负摆振4个方向的静力试验和固有频率测试,以及模态分析与静强度仿真分析,所得结果显示叶片仿真分析所得到的固有频率与实测结果的相对误差小于3%,且第一阶固有频率与3倍叶片激励频率相接近,满足叶片的动力学性能要求;全尺寸叶片实验测试得到的应变与仿真分析结果具有相同的变化规律,证实了所建立全尺寸叶片测试方案与有限元仿真模型的可行性,同时所设计叶片具有良好的气动性能和较高的功率系数。

基于旋转采样谱的海上风机叶片翼尖摆振特性评估

为了评估叶片旋转受风场作用的时频振动特性,本研究开展了基于旋转采样谱的海上风机叶片振动特性评估方法研究。以NREL-5 MW海上单桩风机叶片为研究对象,基于脉动风谱与旋转采样理论,对比分析了旋转风谱的能量扰动机制。然后,结合Prandtl叶尖损失修正和Grauert修正来评估叶片空气动力载荷,详细分析风机叶片翼尖在静止与运行状态下的摆振动力响应规律。结果表明,基于旋转采样谱的频域叶片翼尖摆振响应可准确表征风机叶片在运行状态下的1~3P(1~3倍风轮转动频率,0.2~0.6 Hz),同比湍流风作用的时域静态叶片摆振位移上限幅值增加42.21%,即考虑旋转效应对于叶片疲劳寿命评估具有重要工程价值。

风浪联合作用下驳船型海上浮式风机的非线性耦合模型与TMD振动控制研究

海上浮式风机是捕获深远海风能的重要装置,是风能开发的主要研究方向之一。驳船型风机多采用二维低阶简化动力学模型和非线性最小二乘参数识别方法,建立高阶耦合动力模型能更准确地反映其动力特性。本文关注驳船型海上浮式风机的多体系统,建立风浪联合作用下的16自由度耦合动力学模型,通过数值仿真验证模型的准确性。其中,利用修正的叶素动量理论计算叶片气动荷载,利用线性势流理论计算波浪荷载,采用准静态法计算系泊张力。此外,为减小驳船型海上浮式风机的结构振动,在考虑发电机转矩控制和叶片集体变桨控制的基础上,提出将双向碰撞调谐质量阻尼器置于机舱中,并引入限位装置控制振子行程。随后,通过穷举法和遗传算法进行控制参数优化。仿真分析表明,本文所建模型可准确计算驳船型海上浮式风机的动力响应;双向碰撞调谐质量阻尼器对结构振动有较好的控制效果。

基于应变模态的风力机动态偏航工况下叶片振动感知方法

针对现阶段运行状态下风力机叶片振动测量方法中,加速度传感器常布设到风力机机头靠近风轮处,导致测量结果易受干扰的问题。基于叶片受力分析和应变模态理论,将叶片上应变传感器采集的原始信号分解为叶片应变信号与振动信号的叠加,设计一种基于应变模态理论和变分模态分解的叶片振动感知方法。通过设计静态模态实验和模拟动态偏航的叶片振动实验,对叶片表面应变和机头振动信号进行对比分析,表明叶片振动感知方法在频域和时频域上均能正确识别叶片振动特征,且其谱线更清晰,受干扰更小,从而为动态偏航运行工况下风力机叶片振动测量提供了一种新方法,可为风力机叶片安全、可靠运行提供技术支持。

基于神经网络的风力机叶片三维失速模型研究

以PhaeⅥ风力机为研究对象,采用CFD方法对多种工况风力机的流场进行计算,通过反向动量叶素理论方法提取攻角和翼型的三维气动数据。在此基础上,建立以周速比、实度、攻角、扭角和二维气动参数为输入参数,三维气动参数为输出参数的BP神经网络修正模型。所建BP模型预测的升阻力系数同CFD计算所得结果误差在5%以内。将该模型同动量叶素理论相结合对PhaseⅥ风力机进行计算,结果表明可显著提高风力机气动性能的预测精度。

基于Meteodyn WT的复杂地形测风塔布置

风资源分析对于风电场的建立至关重要,而测风数据的获取是风资源分析的重要前提。测风塔的布置方案直接影响了测风数据获取的准确性。文章以复杂地形下某风电场为例,基于计算流体力学(CFD)方法,使用Meteodyn WT软件对该风电场的风资源情况进行了模拟。从不同数量、位置测风塔布置方案下的测风塔风速和风电场年发电量两方面进行对比分析。分析结果表明:复杂地形下测风塔所能代表的范围极小,选取代表性测风塔时,须要对不同地形进行分区,建议使用多塔综合的方式;特殊地形下的测风塔不能作为整个风电场的代表性选择,但当出现遮挡或者跨地形的情况时,须要在该位置单独设立一座测风塔从而降低误差。该结果可为复杂地形下的测风塔选址和数量提供参考,从而提高风资源分析的准确性和合理性。

锤击过程导致的海上风电大直径单桩结构疲劳损伤特性

[目的]大直径单桩基础在我国海洋工程中应用广泛,其通常由锤击贯入的方式完成基础的安装。由于桩锤的锤击作用,桩体在沉桩过程中受到连续的冲击荷载,易出现疲劳问题。因此对大直径单桩基础的贯入过程及所致疲劳损伤的研究就显得尤为重要。[方法]文章以大直径单桩基础为研究对象,基于工程现场测试数据,为解决单桩连续贯入计算量过大的问题,提出分段预置建模方法,实现了对单桩锤击贯入过程的分段计算,验证了该方法计算单桩锤击过程中桩身的力学响应的可行性,得到了单桩桩身测试断面在单次锤击作用下的位移、速度和应力的时程响应。基于S-N曲线和Palmgren-Miner理论计算了桩身变截面焊接位置处的疲劳损伤。[结果]研究结果表明,所提出的分段预置建模方法能够较好地反映锤击作用下桩身的力学响应,与现场实测数据相比,位移、速度、应力变化趋势均吻合较好。模拟所得的应力最大值与实测值之间误差均在10%以内。[结论]单桩目标截面单次锤击损伤与所受有效锤击能的大小直接相关。单桩经历1017次锤击作用后桩身变截面焊接位置处的疲劳损伤为7.578%,占构件设计安全前提下疲劳寿命的22.734%。因此,应重视单桩锤击贯入过程中由于锤击作用所导致的桩身疲劳损伤。

端到端的神经网络相位解包裹方法

相位解包裹为重要的信号处理过程,其目的是将被包裹相位恢复到原始相位。文章探讨了基于U型神经网络结构(UNet)对测量区域的包裹相位进行相位展开的方法,该方法可以有效地处理包裹相位区域,能够从噪声包裹相位中直接估计平滑的展开相位。以圆域和花瓣状域的包裹相位数据为例来建立训练数据库,通过模拟数据验证该方法的解包裹性能。分析表明,在噪声情况下UNet方法的均方误差小于传统解包裹算法,通过实测数据验证了UNet方法的性能。

兆瓦级风力发电机组偏航制动系统摩擦特性试验分析

[目的]风电偏航制动系统具有低压偏航和高压重载的应用工况,摩擦副之间的摩擦性能受到机组偏航制动部件之间各参数影响。[方法]基于盘式制动器的拖磨试验台,模拟风机不同工况下制动器运行情况,研究了不同材料对偶件、同种对偶件材料不同压力、速度和温度下的有机复合材料摩擦特性,并从摩擦学角度揭示了不同参数对摩擦系数的影响因素。[结果]结果表明:在同等表面参数下,不同对偶件材料对摩擦系数有较大影响;在同种对偶件材料情况下,制动压力和摩擦副相对运动速度越大摩擦系数越小,且制动压力对摩擦系数影响因子更大;摩擦系数受温度影响较大,摩擦副之间温度越高摩擦系数往往越小。[结论]此研究为风机偏航制动系统的参数选用及制动控制逻辑提供了重要参考思路和依据。

基于混沌映射和动态协同机制的风力机翼型气动性能综合优化

为在不提高目标函数维度的前提下,满足实际运行中风力机翼型对于范围攻角综合性能气动性能和设计工况点气动性能兼优的设计需求,提出一种耦合混沌映射及动态协同机制的翼型优化方法。通过Bezier曲线构建翼型几何参数化模型,引入改进的Logistic-Tent混沌映射提高设计空间全局搜索能力,以提升翼型升阻比为设计目标,将动态协同函数嵌入自适应多目标算法,可实现翼型在攻角范围内的气动性能、设计工况点气动性能的优化。经CFD数值验证,优化后翼型在范围攻角内的升力系数平均提升4.6%、7.0%,升阻比平均提升4.2%、7.4%;设计点升阻比提升7.53%、9.19%,证明了方法的可行性。

大气边界层中风力机载荷及功率特性的实验研究

该文在风洞中构建出两种平均风切变指数和湍流强度的大气边界层风场,并开展均匀来流和大气边界层条件下风力机载荷及功率特性的实验研究。结果表明:风力机偏航运行时,机组轴向载荷减小,疲劳载荷增大,随着偏航角增大,风轮功率系数减小,最优叶尖速比降低。在大气边界层来流条件下,风轮平均倾覆力矩系数和功率系数较均匀来流增大,机组疲劳载荷、极端载荷,及输出功率的非定常特性显著增加,且功率系数的概率分布更符合高斯分布。此外,风轮功率系数频谱与大气边界层来流速度频谱存在一定程度的关联性,在耦合区间出现Φ_(p)/Φ_(u)-f^(-2)的幂率关系。而功率系数频谱在超过约3倍转频后基本维持水平趋势,表明湍流来流与输出功率的调制作用在该频率处开始解耦,解耦后风力机功率输出受湍流来流的影响较弱,其功率谱响应主要取决于风轮的自身特性。

浮式风力机纵荡过程气动稳定性分析

气动稳定性对于浮式风力机的运行安全具有重要影响,该文采用升力线自由尾迹模型,通过气动功对浮式风力机纵荡过程中翼型及风轮的气动稳定性进行分析。结果表明,浮台的纵荡运动会造成翼型及风轮所受气动力的周期性波动,由此导致的气动阻尼会对风力机的气动稳定性产生影响。此外,来流风速也会对风力机的气动阻尼产生影响,当风速较大时叶片中段的翼型会进入深度失速状态,使翼型在一个纵荡周期内的气动功为负。在较宽的纵荡工况和来流风速范围内风轮均受到正气动阻尼作用,但随着纵荡频率和幅值的增加,风轮的气动阻比尼降低;当纵荡工况较为剧烈时,风力机会进入螺旋桨状态,其所受推力的方向会发生改变,增加风轮的气动功;此外在开启控制后,系统的变转速及变桨控制会改变叶片及风轮载荷的绝对值及波动幅值,从而影响风力机的气动功。

数字孪生驱动的风力发电机远程监控系统研究

针对目前风力发电机监控系统可视化程度低、数据无法进行远程实时传输等问题;提出一种数字孪生驱动的风力发电机远程监控系统框架,从6个模块进行研究。通过利用实体建模、模型轻量化、行为规则模型和动态模型构建、远程实时数据传输、Unity3D引擎可视化等技术,开发数字孪生驱动的风力发电机远程监控系统。最后,通过实验验证系统的可行性和有效性,实现了实时动态状态监测、故障报警、人机交互的风力发电机的远程智能化监控。

考虑可变俯仰角的垂直轴风力机翼型优化设计方法

针对设计垂直轴风力机翼型时普遍将俯仰角(θ_(p))设定为固定值,导致不能很好地发挥翼型的气动性能的问题,文章首先提出了一种考虑可变θ_(p)的垂直轴风力机设计方法,并将其应用于翼型优化;然后,基于制动圆柱理论不断迭代计算其功率系数(C_p),以极大功率系数直接作为目标函数,利用遗传算法耦合RFOIL软件优化翼型廓线与θ_(p)分布;最后,优化得到垂直轴风力机新翼型VAWT250。与参考翼型AIR001相比,无论是光滑条件,还是粗糙条件,新翼型的气动性能具有明显提升,尤其是粗糙条件,其最大升力系数与升阻比分别提升了16.1%和17.1%;在粗糙条件下,考虑俯仰角时,风力机的最大C_(p)提高了6.81%。该结果对垂直轴风力机翼型的优化设计具有一定的指导意义。

气动双弹片对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对叶片流动分离导致垂直轴风力机气动性能下降,基于鸟类羽毛随阵风轻微抬起维持气流在其外翼再附着的特点,在叶片两侧加装气动弹片,通过计算流体动力学方法研究其对垂直轴风力机的作用机理以及对其气动性能的影响,并基于动态模态分解对比分析气动弹片作用下垂直轴风力机尾迹流场模态特征。结果表明:气动双弹片可抑制叶片表面流动分离,提升整机气动性能,有效增加流场稳定性;可大幅提升垂直轴风力机叶片瞬时转矩、切向力及翼型吸力面压力系数,且使低尖速比成为最佳尖速比,有效提高自启动性能及运行过程中的稳定性,从而提升垂直轴风力机气动性能,流场动态模态分解表明双弹片有助于抑制尾流涡强度。

风力机叶片尾随涡对涡流发生器流动控制影响机理研究

风力机旋转叶片产生的尾随涡影响叶片表面的流动。涡流发生器(VG)安装在叶片表面,其流动控制作用也必然受到尾随涡的影响。为了探究尾随涡的影响,文章以PhaseⅥ风力机为研究对象,建立与其旋转条件下沿展向环量分布相同的模拟叶片进行数值计算研究。研究结果分别与光滑叶片、加VG翼型段进行比较,发现VG的添加使得吸力面气流流速更大、压力系数(C_(p))值更小,提高了吸、压力面压差。

来流风速对风力机性能及尾流特性的影响

以酒泉职业技术学院最新搭建的风力机变桨控制试验台作为研究对象,进行了变风速气动性能影响试验,为了研究来流风速对尾流的影响,精确预测尾流区域旋涡分布,数值计算选用LES Smagorinsky模型。研究结果表明:额定工况点模型和真机试验的推力系数、功率的偏差分别为4.5%、3.7%,计算模型具有可信性。来流风速(0~10)m/s范围内,最大推力系数、功率分别为0.57kW、2.01kW,额定风速之后的持续的风速增加对风力机功率影响微弱,功率波动不超过1.5%。尾流区有明显的速度亏损,影响区域主要在径向±0.1m范围内,风速越大,速度恢复越困难。来流速度对旋涡强度有所影响,对旋涡结构形式影响较小,风轮平面内存在顺、逆时针旋转涡交替现象,尾流区被大型的顺时针旋涡所主导。研究结果对改善风力机流动特征有积极意义。

湍流风场下三风机气动功率优化

[目的]在全球能源结构转型和气候变化应对的大背景下,风能作为清洁、可再生的能源之一,其利用效率的优化已成为当前能源领域研究的重点。为减小因风机间尾流效应对风电场输出功率的影响,提高风电场效率,对风机进行合理布局是很有必要的。[方法]运用Fast Farm模拟技术,分别研究了串列以及错列布置下随着风机间间距的改变对于湍流风场中3台NREL 5 MW风机输出功率及功率提升率的变化情况。[结果]当风机间间距增大时,可以明显提升后排风机的输出功率,但其提升程度有所不同,其中,当风机纵向间距由5D增加到6D及10D增加到11D时,可使风电场发电量得到较大提升;对于风机间横向间距在合理取值范围内,可使得风电场布局达到最优。[结论]文章对风机间间距进行了较为详细的划分,通过不同工况下对风电场功率影响程度分析可知在串列及错列条件下对于风机的优化布局存在差异,为风电场的布局优化提供了一定的参考。