复杂工况下的大型风力机气动弹性响应和尾迹数值分析研究

在复杂工况下,大型风力机受到载荷更加严重,导致风力机气动和结构耦合响应问题更加明显。主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷,加入了复杂工况的模型,进行了动态失速模型和三维旋转效应模型修正。在考虑气动载荷、惯性载荷和重力载荷影响下,采用有限元法结合模态法建立起风力机解耦动力学方程,并且通过Newmark方法进行数值求解该方程。实现了复杂工况数值模拟计算,比较不同复杂工况的气动弹性响应结果。最后,得出大型风力机在复杂工况下的气动性能、载荷、动态响应和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的迟滞时间。这为推进自由涡尾迹方法应用于大批工况载荷计算,以及提高大型风力机载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。

柔性风力机的H_∞鲁棒控制律设计及仿真

针对柔性风力机在实际运行过程中存在的叶片俯仰阻尼小、工作稳定性差和疲劳载荷严重等特点。将H∞鲁棒控制理论引入到具有柔性的风力机控制律设计中,再结合柔性风力机动力学模型,给出选择合适加权函数的方法。基于这种控制律设计方法,设计出3个不同H∞鲁棒控制器,并对其进行抗干扰和鲁棒性分析。通过仿真结果分析,得到综合考虑发电机工作稳定性、变桨结构性能及叶片广义位移、速度都较佳的H∞鲁棒控制器。

基于小波逆变换方法的风力机风场数值模拟研究

针对风力机随机风场的特点,采用小波逆变换方法,仿真出相互独立的风力机随机风场,并对其进行空间相关性修正。以1.5 MW风力机为算例,分析了3种风功率频谱的差异特点,基于空间变化的改进Von karman功率频谱模型,采用Littlewood-Paley小波基作为小波逆变换的正交基函数,利用小波系数和功率频谱密度函数的关系进行了空间相关性修正,模拟出风场36个节点风速时程,并通过时域分析、频域分析以及时频联合分析,得到模拟频谱与目标频谱吻合较好的结论。该结论表明了风力机风场的非平稳性、局部相似性和间隙性,以及高非线性风速功率频谱的逼近性,证明了小波逆变换方法在模拟风力机随机风场的有效性和准确性。

风力机变速变桨的LQG/LTR鲁棒控制

针对变速变桨风力机实际工况下同时存在外界输入噪声及内部测量噪声的问题,采用线性二次型/回路传输恢复(Linear quadratic Gauss/loop transfer recovery,LQG/LTR)方法设计改善某风力机叶轮转速及塔架前后弯曲模态的控制器,增强风力机系统在随机干扰下的鲁棒性能。根据风力机空气动力学的圆盘理论和叶素理论,求解风力机受到的扭矩和推力。基于变速变桨风力机的线化模型,分别进行LQG和LQG/LTR控制器设计,分别仿真输出风力机的叶轮转速、塔架塔顶位移和桨距角时间变化曲线。仿真结果表明,LQG/LTR控制器在满足系统控制目标的情况下,可显著提高风力机系统的鲁棒性能及稳定性。

考虑土-结相互作用大型风力发电结构风致响应分析

以南京航空航天大学自主研发的某5MW大型风力发电结构为研究对象,建立考虑叶片离心力的"叶片-机舱-塔架-基础"一体化有限元模型,并通过在基础和土体交界面上设置质量弹簧和阻尼器来考虑土-结相互作用(简称SSI)效应;然后基于谐波叠加法和改进的叶素-动量理论模拟考虑旋转和相干效应的风力发电结构脉动风场;最后进行风力发电结构的风致响应分析。结果表明考虑SSI效应的大型风力发电结构风振响应具有多振型响应和多模态耦合特性,叶片和塔架的风致背景、共振响应及其耦合项作用机理不同。研究认为SSI效应对大型风力发电结构的风致响应影响明显。

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.

考虑叶片旋转和离心力效应风力机塔架风振分析

为分析叶片旋转和离心力效应对风力机塔架风振反应的影响,建立考虑叶片离心力效应的风力机塔-轮整体有限元模型分析系统动力特性,采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论模拟考虑旋转效应的叶片和塔架脉动风速时程,结合笔者提出的风振精细化频域计算方法分析塔架与叶片在脉动风作用下的动力反应。研究表明:旋转效应会增大叶片的气动载荷和塔架的动力响应及风振系数,离心力效应增大了风力机系统频率并减小了塔架的风振反应及风振系数。

海上风力机随机风场模拟及风振响应分析

为研究海上风力机的风振特性,进行风力发电塔-轮系统的随机风场模拟和风振动力响应计算。采用谐波叠加法模拟塔架和风轮的来流风速时程,进而基于改进的叶素-动量理论(MBEM)模拟考虑风轮和塔架相干效应、风轮旋转效应的风轮脉动风速时程。结合已提出的柔性结构风振精细化频域计算方法"一致耦合法",对海上风力发电系统结构进行风振动力响应和风振系数计算。研究结果表明:海上风力发电塔-轮系统的风振动力响应以共振效应为主,但背景响应和耦合项不能忽略,风振呈现多模态耦合和多振型响应2个显著特征;系统风振系数的分布差异较大,其中风轮尖部最大(2.35),塔架中下部位最小(1.40)。

张力腿漂浮式风力机的运动响应计算

漂浮式风力机与近海桩基式风力机、陆上风力机差异很大,特别是漂浮平台设计复杂,对仿真工具要求更高。海上风力机除受气动载荷之外,还需进一步考虑海洋环境所施加的各种其他载荷。采用自由涡尾迹方法计算风力机气动性能,分别采用线性波和PM频谱模拟波浪运动并应用Morison方程计算波浪载荷。构建张力腿漂浮平台结构动力学方程,以气动载荷和波浪载荷为激励,得到平台响应,并反馈至气动计算,从而完成气动、结构和水动的耦合计算。最后以大型风力机NH1500为例,对张力腿式海上风力机进行仿真模拟,对比分析来流风速、浪高和波浪入流角对漂浮平台运动和风力机气动性能的影响,采用PM频谱模拟真实海况并计算漂浮式风力机动态响应,为漂浮式风力机设计提供了依据。

大于切出风速的大型风力机运行控制策略研究

运用非定常叶素动量(BEM)理论计算气动载荷,叠加重力载荷和惯性载荷,建立并数值求解全机动力学模型。基于快速非支配排序遗传算法(NSGA),在切出风速以上,优化得到变速变桨和定速变桨两种控制规律曲线,实现大型风力机在25m/s^40m/s风速之间正常运行的目的。比较两种控制策略的输出功率、风轮推力和转矩,得出变速变桨控制策略更适合于25m/s^40m/s之间风力机运行控制的结论。计算稳态工况时8种叶根载荷的极限值,由各载荷的变化趋势可知,Fy在25m/s之后增大9%,其他载荷均安全。

考虑平稳风修正和塔架干扰的风力机叶片3-D风场模拟

为准确模拟风力机纵向、横向和垂直向的3-D随机风场,以南京航空航天大学自主研发的NH1500风力机为例,首先采用考虑沿高度变化的指数模型、塔影效应影响的潜流模型和上游风机尾流影响的涡流粘度模型对平稳风进行修正。然后基于空间变化的改进Von Karman风谱模型,结合谐波叠加法模拟风力机的来流脉动风速时程,再利用改进的叶素-动量理论获得考虑叶片旋转效应和塔架-叶片相干效应的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。该方法充分考虑风力机风场模拟的外界干扰因素和自身特性,提高了风力机系统风场模拟的准确度。算例分析表明,本文方法可以准确地模拟给定风环境的风力机系统3-D风场。

复杂工况下的大型风力机气动性能和尾迹研究

在复杂工况下,大型风力机非定常特性会更严重,导致风力机气动性能变化和尾迹预测更加复杂。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,基于自由涡尾迹方法,嵌入复杂工况的模块,加入了动态失速模型和三维旋转效应模型修正,实现了复杂工况数值模拟计算,比较了不同复杂工况的气动载荷和尾迹形状。最后,得出了风力机在复杂工况下的气动性能、载荷和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的气动载荷超调量和迟滞时间。对推进自由涡尾迹方法应用于风力机工程的大批工况载荷计算,提高大型风力机的载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。

漂浮式海上风力机全机结构自振特性仿真

针对漂浮式海上风力机全机结构的动力特性问题,以某3 MW漂浮式海上风力机系统为例,基于有限元方法分析了系统自振频率和振型的分布特征,并进行漂浮式海上风力机全机自振特性的参数分析,最后给出全机结构基频和倾覆频率的计算公式。分析表明,漂浮式海上风力机系统自振频率非常低且分布密集。系统基频与拉索锚固深度以及叶片长度呈线性递减关系,与浮筒半径呈反比,与拉索的总截面面积以及塔架高度呈二次曲线关系。倾覆频率与参数的关系则牵涉高次项,较上述关系更为复杂。文中给出的拟合公式计算值与有限元值吻合较好,说明其在预测漂浮式海上风力机系统自振频率方面具有较高可信度。

摆式振荡翼塔筒尾涡潮流能捕获系统的水动力性能分析

为实现对海上风电场中潮流能有效利用,提出一种将振荡水翼潮流能捕获装置与海上风力机水下塔筒结合的摆式振荡翼塔筒尾涡潮流能捕获系统。联合格子玻尔兹曼和大涡模拟方法,对NACA0015翼型在有无塔筒尾流效应时,不同运动参数对其水动力特性及能量收集效率的影响进行数值分析,并从水翼运动过程中的旋涡结构分析了俯仰振幅、升沉振幅及振荡翼弦长对系统捕能效率的影响。结果表明,塔筒尾涡显著提升振荡翼的能量收集效率,同时振荡翼的加入能减慢塔筒涡脱,降低由钝体绕流引起的疲劳载荷。摆式振荡翼在塔筒尾涡区域内的捕能效率最高可达30.72%,与传统振荡翼潮流能捕获装置相比具有明显优势,为提高海上风场整体能源利用率提供了一种有效的方式。

大型风力机的几何非线性动态响应研究

随着风力机大型化、柔性化发展,风力机叶片的变形越来越大,几何非线性效应也越来越明显。采用自由涡尾迹方法提高风力机气动载荷计算精度,应用有限元方法建立了风力机叶片结构梁模型。应用伽辽金方法建立叶片的几何非线性刚度矩阵,同时构建了叶片的非线性动力学方程。采用Newmark直接积分法进行时间步长推进,并采用修正的Newton-Raphson方法进行增量迭代计算,实现了大型风力机叶片气动与非线性结构耦合计算模拟。最后,通过美国可再生能源实验室的Phase VI风力机实验数据验证了计算模型的准确性和可靠性。同时以大型风力机NH1500为算例,计算了叶片的线性与非线性动态响应,分析了叶片几何非线性对动态响应和气动性能的影响。这对于提高大型风力机设计水平和各个部件载荷计算准确度具有重要意义。

阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性

风力机实际运行中入流工况复杂,风电场中多台风力机之间的尾流效应呈现高度非定常特性,下游风力机的气动载荷亦会因此受到严重影响。本文开展了阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性研究。首先,建立了LES耦合致动线模型方法,以Nibe风力机为算例验证了方法的可行性和准确性,并研究了单台风力机尾流速度的发展规律;然后,以NREL 5 MW大型风力机为例,开展了多台风力机在阵风工况下的数值模拟,获得了非定常尾流效应和尾流干扰特性,揭示了尾流中阵风涡系的发展演变规律;最后,分析总结了阵风工况下的风力机气动载荷特性。研究内容及结论对风电场布局和风力机载荷强度设计具有指导意义。

Dynamic Loads and Wake Prediction for Large Wind Turbines Based on Free Wake Method

With large scale wind turbines,the issue of aerodynamic elastic response is even more significant on dynamic behaviour of the system.Unsteady free vortex wake method is proposed to calculate the shape of wake and aerodynamic load.Considering the effect of aerodynamic load,inertial load and gravity load,the decoupling dynamic equations are established by using finite element method in conjunction of the modal method and equations are solved numerically by Newmark approach.Finally,the numerical simulation of a large scale wind turbine is performed through coupling the free vortex wake modelling with structural modelling.The results show that this coupling model can predict the flexible wind turbine dynamic characteristics effectively and efficiently.Under the influence of the gravitational force,the dynamic response of flapwise direction contributes to the dynamic behavior of edgewise direction under the operational condition of steady wind speed.The difference in dynamic response between the flexible and rigid wind turbines manifests when the aerodynamics/structure coupling effect is of significance in both wind turbine design and performance calculation.

基于LabVIEW的风力机叶片振动特性与控制实验系统

针对高校新能源、电气和自控专业学生普遍缺乏针对风力机叶片振动控制的实践环节,提出了基于LabVIEW的风力机叶片振动特性与控制仿真实验设计方案,该方案利用LabVIEW搭建了风力机叶片的经典颤振模型,建立叶片振动特性与控制仿真实验系统。整个仿真实验系统,可在多种典型风速场景下进行叶片振动特性实验,同时,可自行设计控制参数,进行叶片PID振动控制和自适应振动控制的仿真。通过直观的虚拟仿真交互系统,有效克服了场地和设备带来的时间、空间上的局限,促进学生对于风力机叶片振动特性的了解,增强了叶片振动控制设计的实践能力。

抛物方程(PE)方法在风电场噪声传播中的应用研究

随着风力机的大型化和分散式布局的推进,风电场的噪声污染越来越不可忽视。依托建设在平坦地形的某风电场项目,选取某兆瓦级大型风电机组。首先采用噪声源计算软件,基于抛物方程(PE)方法,分析了声传播过程中的衰减特性。然后,结合声传播模型和声叠加模型,利用MATLAB软件编程计算,给出了噪声云图,分析了风电场噪声传播分布。最后,对比了WindPro软件与抛物方程(PE)方法的特点和计算结果,讨论了抛物方程(PE)方法的可靠性。结论表明,抛物方程方法有足够的准确性和可靠性模拟风电场的噪声传播分布,可在将来风电场建设布局时,为降低噪声对居民的影响提供参考。

基于自由涡尾迹方法的大型风力机动态响应和尾迹研究

针对大型风力机,在当作柔性和刚性风力机时,可以通过气动和结构耦合动力学用来研究两者尾迹和载荷的区别。在设计和校核阶段,需要考虑风力机结构载荷影响的动态特性和气动性能变化。采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷。在考虑气动载荷、惯性载荷和重力载荷影响下,分析了叶片挥舞和摆振动态响应。采用模态法建立起风力机解耦动力学方程,并且进行数值求解该方程。结果表明:风力机考虑柔性变形后,对尾迹形状、动态响应和气动性能产生一定影响。这种柔性和刚体风力机的差异表明气动结构耦合效应对风力机的设计和性能计算具有重要意义。