塔影效应对平均风速和湍流强度影响的外场试验研究

风场的准确测量在风工程中意义重大。测风塔是最常用的风场观测平台,而塔影效应是测风精度评估中需主要考虑的因素。基于我国3个不同区域测风塔1年的外场数据,研究了塔影效应对平均风速、湍流强度的影响,通过塔影效应影响因子(Tower Distortion Factor,TDF)和离散因子(Scatter Factor,SCF)量化分析了塔影效应的平均值和离散度。结果表明:塔体对下游气流影响明显,塔影效应可使平均风速降低15.5%、湍流强度增大26.1%;塔体对上游气流的阻挡效应弱于塔影效应,可使平均风速降低2.2%、湍流强度增大0.4%。塔影效应与平均风速、湍流强度的关系为负相关,相关系数为–0.864,线性拟合的斜率为–0.443。塔影效应对湍流强度的影响更显著,是对平均风速影响的2.257倍。在平均值上,平均风速TDF、湍流强度TDF的分布范围分别为0.0141~0.0314、0.0214~0.0385,塔影效应对平均风速和平均湍流强度影响的贡献分别为34.6%、49.0%;在离散度上,平均风速SCF、湍流强度SCF的分布范围分别为0.0179~0.0240、0.0648~0.0845,塔影效应对平均风速和平均湍流强度影响的贡献分别为10.5%、10.8%。塔影效应对平均湍流强度的影响高于对平均风速的影响,对二者离散程度造成的影响接近。

塔影效应下风轮仰角对风力机气动特性的影响

考虑风力机塔影效应的影响,针对风轮仰角导致风力机气动特性更为复杂的问题,文章对不同仰角水平轴风力机流场进行了数值模拟,分析了风力机叶片截面压力分布、涡量以及塔筒表面压力随相位角的变化规律,探究了风轮仰角对风力机输出功率的影响。结果表明:增大风轮仰角会降低叶片表面压力,减小叶尖部分压差,使得叶片表面高涡量区域减小;添加风轮仰角会使叶片对塔筒影响减小,塔筒表面高涡量区域随着风轮仰角的增大逐渐减小,降低塔筒表面压力波动。当叶片经过塔筒时,塔影效应对风力机影响较大,风力机输出功率降低;当叶片竖直向上时,风力机输出功率达到最大。为风力机添加仰角后,随着风轮仰角的增大,风力机的输出功率与输出功率波动均呈现先增大后减小的趋势;风力机输出功率在风轮仰角为3°时最大,输出功率波动在风轮仰角为6°时最小。

大型海上测风塔塔影效应的数值模拟研究

海上测风塔塔架尺寸大、结构宽、塔影效应明显,会造成海上测风误差与风电场发电量计算偏差。然而,由于缺乏海上测风数据,目前对于大型海上测风塔塔影效应的研究较少。针对该问题,本研究采用计算流体力学方法研究海上测风塔的塔影效应。研究结果表明:在测风装置放置位置方面,不同方向测风点处风速与入流风速的差值有很大不同,外伸距离越小,速度衰减越快。在测风塔不同结构影响方面,对比测风塔内部结构的塔影效应,在各测风点位处横材的影响均大于斜材。在塔影效应规律方面,对比不同高度测风塔塔段,塔影效应均在外伸长度4m处后逐渐稳定,且塔影效应随外伸长度的变化规律符合指数衰减规律。研究结果对海上测风塔的结构设计及测风数据修订具有指导意义。

风资源精细化测量评估-测风塔塔影效应分析

在风电项目开发中,塔影效应分析至关重要。选用实际风电场测风塔10 min实测风数据,根据风电行业风资源评估标准及国际IEC对于风资源数据评估的要求,借助Windographer软件对同一座测风塔同一高度不同风速仪安装朝向所测风数据进行处理分析。首先对比2个风速仪不同朝向的风速相关性,然后利用标准及软件对塔影效应的风向进行处理,得到风速仪拟合后不受塔影效应影响的风速结果,将其与该风塔塔影效应影响的风速对比,即得塔影效应对风速影响的程度。

风切变与塔影效应下5 MW大型风力机气动性能数值模拟研究

以NREL 5 MW大型风力机为研究对象,采用数值模拟的方法研究了风切变和塔影效应对风力机工作的影响。对均匀来流风轮模型、均匀来流整机模型、切变来流风轮模型、切变来流整机模型四种情况进行了研究。发现风切变会降低风力机平均推力和功率,降低值分别为3.2%和2.8%,塔影效应会使风力机在一个旋转周期出现3次明显压力脉冲。风切变与塔影效应共同作用使风力机平均功率降低更多。数值模拟能给出速度、压力分布等详细流场信息,为风力机的设计和安全运行提供参考。

基于风剪切和塔影效应的大型风力机载荷分析与功率控制

为了捕获最大风能和改善风力机工作性能,通过深入分析三桨叶上风向水平轴风力机的风剪切和塔影效应,得到整个风轮扫掠面上的风速动态模型.然后,分析了空气动力数据、桨叶翼型参数、轮毂高度、轮毂风速、风剪切系数、叶片半径、塔架半径、悬垂距离等参数对计算模型的影响.以一台额定功率为2MW的风力机为例,分别在考虑风剪切、塔影效应和不考虑风剪切、塔影效应的2种情况下,对其摆振载荷和挥舞载荷进行了计算和对比分析.结果表明,随着风力机容量的增大,风力机整体尺寸相应变大,风剪切和塔影效应对风力机载荷和功率的影响也变得不容忽视.因此,相比统一变桨控制技术,独立变桨控制技术更具有应用前景.

基于风剪切和塔影效应的风力机风速动态建模

在对三桨叶上风向水平轴风力机的风剪切和塔影效应深入分析的基础上,得到了整个风轮扫掠面上的风速动态模型。并考虑了轮毂高度、轮毂风速、风剪切系数、叶片半径、塔架半径、悬垂距离等参数对计算模型的影响,对一台2MW风力机进行了计算和对比分析,为深入研究风力机的独立变桨、功率控制、疲劳、动力稳定性等奠定了基础。

高尖速比下风力机塔影效应及叶片载荷特性研究

基于刚性运动网格和动态拼接网格的两种非定常计算网格策略,对NREL Phase Ⅵ风力机非定常塔影效应开展数值模拟研究。流动控制方程选取雷诺平均N-S方程,时间求解应用＂双时间步＂离散求解,湍流模型为单方程SA模型。通过对有/无塔架流动情况进行模拟,发现有/无塔架两种状态得到的叶片各站位压力系数分布与试验值基本吻合,表明采用的非定常计算方法是可行的;有塔架下叶片相位角Φ=90°状态的前缘吸力峰较相位角Φ=270°偏低;有塔架相位角Φ=270°附近流场结构简单,而相位角Φ=90°附近流动受塔架干扰明显。在此基础上,分析有塔架下单个叶片推力与扭矩随相位角的变化曲线,发现扭矩与推力均存在随相位角变化的两种波动现象,表现为大＂凹坑＂与小幅抖动的特征。进一步的分析表明,载荷＂凹坑＂由风力机塔架引起,而载荷小幅抖动由叶根过渡区的流动分离引起。叶片载荷随相位角变化特性机理的阐明对于风力机叶片动态载荷设计具有一定工程价值。

风切变和塔影效应对风力机变桨距控制的影响分析

随着单台风力机功率的不断增大,变桨距控制对于风力机起动、制动性能的改善和对输出功率的稳定作用不断显现。单台风力机功率的不断增大也导致了塔架的增高和风轮直径的增大,风切变和塔影效应对风轮旋转平面风速分布产生的差异也不断变大。为了验证风速差异对变桨距控制的影响,建立了考虑风切变、塔影效应的风速模型以及基于叶素理论的风力机模型。采用1.5 MW风力机的数据进行研究,仿真验证表明,在集中变桨时,即使参考风速稳定,风速分布的差异也会使实际的风轮输出转矩产生脉动,桨距角产生周期性脉动,从而导致输出功率产生脉动,影响电能质量,同时叶片上产生不平衡的弯矩,增加了叶片的疲劳载荷,缩短了叶片的寿命。大型风力机应采用独立变桨技术来解决这些问题。

考虑风切和塔影效应的风力机风速模型

首先利用流体力学理论和指数(赫尔曼乘幂)公式推导并建立了三桨叶风力机扫风平面内含塔影效应及风剪切的风速模型,然后对此模型进行了化简,并对模型中各个参数的选择及模型的使用范围做出了解释,最后用Matlab软件对所建立的风速模型进行了对比和分析。该模型考虑了塔架半径、悬垂距离、叶片半径、轮毂高度、轮毂处风速、风剪切系数等因素。结果表明塔影效应相比风剪切对不均匀风速场的贡献更大。该模型简洁有效,适用于电力系统中时域的风力机仿真,为风力机扭矩、风力机控制、风力机载荷等相关研究打下基础。

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。

下风向风力机的塔影效应研究

从风力机获取能量角度出发,充分考虑风剪切与塔影效应,精确推导出作用于下风向风力机风轮扫掠面积上理论风功率的计算式。研究表明,风功率是塔架高度、风速廓线指数和塔架直径的函数。通过算例得出塔影效应是不容忽略的,可采用减小塔架直径的方式使风力机输出更多的功率,所有这些都将进一步完善风力机的设计理论。

减小塔影效应载荷波动的独立变桨距控制研究

针对塔影效应引起风电机组载荷波动的情况进行研究,对其引入独立变桨距控制。建立风电机组风轮的线性时变模型,并将其写成状态方程的形式,进而引入Coleman变换将其变换成线性时不变模型。然后,在此模型基础上,加入PID控制器,从而完成独立变桨距控制系统的设计。在塔影效应的影响下,分别对独立变桨距控制和统一变桨距控制情况下风电机组的载荷波动进行仿真对比研究,并利用雨流统计法对风电机组进行疲劳分析。研究结果表明:在塔影效应影响下,采用独立变桨距控制策略的风电机组载荷波动较采用统一变桨距控制策略的风机有明显改善,削弱了塔影效应载荷波动的影响,并延长了机组的使用寿命。

风切变下塔影效应对大型水平轴风力机气动性能的影响

以NH1500三叶片上风向型水平轴风力机为研究对象,基于CFD方法分析了风剪切来流下塔影效应对风力机叶片与风轮的气动载荷、空间流场的影响.结果表明:对于风剪切条件下有/无塔架的2种模型,叶片表面压力分布的差异主要体现在前缘和吸力面;在1个旋转周期内,有塔模型的载荷波动幅值大于无塔的风轮模型,风轮的载荷波动幅值相对于单支叶片的较小;方位角150°~210°的时域为塔架模型的塔影中心区;塔影效应是导致风力机输出功率周期性波动的主要因素;塔架模型在叶片相位角180°时刻较无塔的风轮模型流场结构更为复杂;当叶片经过塔架时,流动分离点发生偏移,引起塔架两侧速度不对称.该研究结果为进一步研究塔影效应对风力机气动特性和空间流场的影响提供了一定参考.

塔影效应引起的风电机组输出功率波动问题

建立了描述塔影效应和风剪切效应的风速模型,并对风电机组输出功率的波动问题进行了分析。

基于塔影效应分析的风电信息化管理和评估系统

在风力机大型化发展的趋势下,塔架越来越高,叶片半径越来越长,塔影效应对风力机性能和风电机组输出功率的影响也越发显著。为了探究塔影效应的具体影响并缩小影响利于风电评估,风电信息化管理和评估系统将采集到的测风数据进行抽取和清洗,通过算法分析,得到同一高度下统一的测风数据,实现自动化的准确的风资源评估,同时提供风电场信息化的管理,助于推动风电产业智能化与现代化,以及环保事业的发展。

综合考虑风剪切塔影效应的脉动风速模型

风速是影响风机输出功率的重要因素。运用谐波叠加法在Matlab软件中进行仿真建模和分析,建立脉动风作用下的模型,并使用Von Karman目标功率谱对模拟风速谱进行校核,以保证风速时程曲线的准确性。通过分析风机风轮和塔架等特点,阐述了风速和方位角的关系。综合考虑脉动风、风剪切和塔影效应对轮毂风速、平均风速的影响,通过分析风轮扫掠面上各点的风速动态模型,得到模型时空分布特性。结果表明,该模型既考虑自然风的突变性和不确定性,又考虑了风机自身结构特性引起的风速周期性波动,能够理想的反映实际风速,对于模拟风机运行状况具有直接意义。

风切变和塔影效应的影响分析

通过对3个叶片上风向水平轴风力机的风切变和塔影效应的深入分析,得出了整个风力涡轮机扫掠面风速的动态模型。然后简化模型,并解释模型中每个参数的选择和模型的范围。最后,通过Matlab软件对建立的风速模型进行了比较和分析。模型考虑了塔架半径、悬距、叶片半径、风切变系数、轮毂高度、轮毂风速等因素。结果表明塔影效应和风切变对风力发电系统具有很大的影响。该模型简单有效,适用于电力系统中风力机的仿真。为风力机控制、风力机扭矩和风力机负荷的研究奠定了基础。

大型水平轴风力机塔影效应特性研究

为了研究塔影效应对大型水平轴风力机的影响,选取NREL 5MW风力机作为研究对象,利用Fluent软件对单台风力机的不同工况进行数值模拟。结果表明:塔影效应的影响主要发生在叶片方位角为140°~210°的时域内;当叶片扫掠过塔筒时,其不同周向位置的转矩和轴向推力出现大幅波动,转矩的相对波动幅度随来流风速的减小而减小,叶片所受轴向推力的相对波动幅度随来流风速的减小而增大;由于叶片尖部周向线速度较大,在研究塔影效应时需考虑叶轮旋转效应的影响;对于风力机尾迹流场,旋转半径越大处,塔筒造成的尾迹越明显,其长度约为叶轮直径的2倍。

5MW风力机塔影效应双向流固耦合分析

为了分析塔影效应对兆瓦级风力机的影响,以NREL 5 MW大型风力机为研究对象进行了风力机双向流固耦合的数值模拟。结果表明:塔筒会导致风力机叶片气动载荷的波动程度增加,叶轮受到的周向转矩与轴向推力的波动幅度是无塔筒时的3倍以上,这导致在风力机运行过程中叶轮和叶片产生的形变和应力波动加剧,且数值在总体上也有所增大,说明有塔筒时叶轮的运行状态更不稳定,塔影效应对风力机的稳定性有不利影响。