Influence of Wind Turbine Structural Parameters on Wind Shear and Tower Shadow Effect

To overcome the problems of natural decreases in power quality,and to eliminate wind speed fluctuation due to wind shear and tower shadow effect arising from wind turbine structural parameters,an improved prediction model accounting for the dual effect of wind shear and tower shadow is,in this paper,built.Compared to the conventional prediction model,the proposed model contains a new constraint condition,which makes the disturbance term caused by the tower shadow effect always negative so that the prediction result is closer to the actual situation.Furthermore,wind turbine structural parameters such as hub height,rotor diameter,the diameter of the tower top,and rotor overhang on wind shear and tower shadow effect are also explored in detail.The results show that the wind shear effect became weaker with the increase in hub height.The hub height is independent of the tower shadow effect.The rotor diameter is positively correlated with the wind shear and tower shadow effect.The tower shadow effect is positively correlated with the diameter of the tower top and negatively correlated with the rotor overhang.

Fluid-structure interaction simulation of dynamic response and wake of floating offshore wind turbine considering tower shadow effect

The comprehensive numerical simulation of the tower shadow effect on floating offshore wind turbines(FOWTs),an area less explored compared to fixed-bottom wind turbines,is presented in this study.The atmospheric boundary layer inflow and the joint north sea wave project random wave are used as the operating conditions for FOWT.The combination of computational fluid dynamics(CFD)software simulator for wind farm applications and turbine simulation tool OpenFAST is used to implement fluid-structure interaction calculations.The output power,platform motion,wake velocity deficit and vortex structures are analyzed to reveal the influence of the tower shadow effect on the FOWT.The results indicate that due to the fluctuation caused by the turbulent wind and the floating platform motion,the tower shadow effect of FOWT is less significant for its periodic power decay than that of fixed-bottom wind turbines.And according to the velocity deficit analysis,the influence area of the tower shadow effect on the wake is mainly in the near wake region.

Power fluctuation and power loss of wind turbines due to wind shear and tower shadow

The magnitude and stability of power output are two key indices of wind turbines. This study investigates the effects of wind shear and tower shadow on power output in terms of power fluctuation and power loss to estimate the capacity and quality of the power generated by a wind turbine. First, wind speed models, particularly the wind shear model and the tower shadow model, are described in detail. The widely accepted tower shadow model is modified in view of the cone-shaped towers of modem large-scale wind turbines. Power fluctuation and power loss due to wind shear and tower shadow are analyzed by performing theoretical calculations and case analysis within the framework of a modified version of blade element momentum theory. Results indicate that power fluctuation is mainly caused by tower shadow, whereas power loss is primarily induced by wind shear. Under steady wind conditions, power loss can be divided into wind farm loss and rotor loss. Wind farm loss is constant at 3a（3a- 1）R^2/（8H^2）. By contrast, rotor loss is strongly influenced by the wind turbine control strategies and wind speed. That is, when the wind speed is measured in a region where a variable-speed controller works, the rotor loss stabilizes around zero, but when the wind speed is measured in a region where the blade pitch controller works, the rotor loss increases as the wind speed intensifies. The results of this study can serve as a reference for accurate power estimation and strategy development to mitigate the fluctuations in aerodynamic loads and power output due to wind shear and tower shadow.

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。

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。

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。

运行参数变化时双馈风电机组振荡机理及特性研究

为研究风力机功率在风电机组中传播、变换时与风电机组各环节的耦合关系及机组输出功率振荡特性,以双馈风电机组为例,首先计及塔影效应和风剪切、风速大小,推导各子系统的能量函数;考虑机组阻尼及风速变化,分析各子系统能量变化及机组输出功率的振荡特性;最后,在PSCAD/EMTDC上建模仿真,通过能量变化深入分析风力机功率在机组内传播机理及功率振荡特性。仿真结果表明:含低频振荡分量的风力机功率通过负阻尼双馈风电机组时,与机组的次同步振荡耦合,风力机子系统、发电机及励磁子系统输出能量大幅增加,机组输出功率中既有低频振荡也有次同步振荡,它们随机组阻尼和风速变化而变化;风速变化时双馈风电机组消耗的能量主要由风力机子系统决定。

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。

不同风向下输电塔对气象监测的塔影干扰效应

针对均匀风荷载作用下5C3-SJ3型输电塔的绕流流场开展数值模拟,探究0°~180°风向角范围内,输电塔对气象监测的塔影干扰效应。通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟输电塔周围绕流流场,湍流模型采用Realizable k-ε模型,并且运用切割体网格技术对计算域进行网格划分。通过探究各截面风速变化较小的区域,讨论不同风向下塔影干扰效应最小的截面,揭示了风向角对输电塔塔影干扰效应的影响规律。结果表明:塔腿横隔面和塔身横隔面中迎风侧杆件附近的塔影干扰效应最小,可考虑将气象监测点设置在相应位置上。通过三维计算流体动力学的方法,确定了塔影干扰效应较小的区域,并分析了风向角对塔影干扰效应的影响程度。研究结果对风资源数据的准确评估具有一定的指导意义。

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素,通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应,但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性,基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型,以NREL 5MW风力机为研究对象,在额定风速条件下,研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上,对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明:风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大,同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小,并加快速度亏损恢复,降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果,使得尾流抬升,作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著,而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。

Wind-induced response analysis of a wind turbine tower including the blade-tower coupling effect

To analyze wind-induced response characteristics of a wind turbine tower more accurately, the blade-tower coupling effect was investigated. The mean wind velocity of the rotating blades and tower was simulated according to wind shear effects, and the fluctuating wind velocity time series of the wind turbine were simulated by a harmony superposition method. A dynamic finite element method (FEM) was used to calculate the wind-induced response of the blades and tower. Wind-induced responses of the tower were calculated in two cases (one included the blade-tower coupling effect, and the other only added the mass of blades and the hub at the top of the tower), and then the maximal displacements at the top of the tower of the tow cases were compared with each other. As a result of the influence of the blade-tower coupling effect and the total base shear of the blades, the maximal displacement of the first case increased nearly by 300% compared to the second case. To obtain more precise analysis, the blade-tower coupling effect and the total base shear of the blades should be considered simultaneously in the design of wind turbine towers.

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。

直驱式永磁同步风力发电动态特性的研究

风力机的特性不仅包括静态特性,还包括动态特性。其中动态效应主要包含风的剪切效应(Wind Shear)及塔影效应(Tower Shadow)。在建立完整的直驱式永磁同步风力发电机组的模型基础之上,详细研究了由于风剪、塔影效应引起的转矩脉动量对直驱式永磁同步风力发电系统稳定性的影响。运用等效气动转矩的思想完善了传统风力机的模型,使其更加接近实际情况。在Matlab/Simulink中建立了永磁直驱风力发电机组(Directly Driven Wind Turbine With Permanent Magnet Synchronous Generators,D-PMSG)仿真模型,并对不同风速时机组运行情况进行了仿真。结果验证了风剪、塔影效应引起的转矩脉动频率为风力机旋转频率3倍的结论。仿真结果对于直驱式永磁同步风力发电有着更为实际的意义。

基于方位角和载荷联合反馈的独立变桨距控制策略研究

针对风切变和塔影效应引起的风力机气动载荷周期性波动,展开风电机组独立变桨距控制策略研究。基于叶素动量理论进行风轮叶片气动建模,在Matlab/Simulink平台上编程实现叶片气动载荷计算模型,并与GH Bladed仿真结果进行对比分析。提出了基于方位角和载荷联合反馈的独立变桨距控制策略,根据方位角反馈设置动态权系数,周期性调节每支叶片的桨距角,并在此基础上增加了叶根挥舞载荷PID控制环节,以微调修正桨距角。基于Matlab/Simulink和GH Bladed平台进行仿真分析,结果表明,该联合反馈控制策略可有效平缓周期或随机性的叶片挥舞载荷波动,而且对于减小风轮不平衡载荷以及降低风力机疲劳载荷有较好的效果。

兆瓦级风力发电机组多段权系数独立变桨控制

为了实现风力发电机3个桨叶的独立控制,依据风力机空气动力学原理、风轮扫及面内风速风切特性和塔影效应,提出了基于桨叶方位角信号的多段权系数分配独立变桨距控制方法.根据每个桨叶的方位角信号判断出该桨叶所在的风速区域,选取此区域所对应的相关权系数对3个桨叶统一的桨距角进行重新分配微调,将统一变化的桨距角转化为每个桨叶独立变化的桨距角.系统模型仿真结果表明,该方法不仅可以使3个桨叶桨距角能根据其受风情况做出相应变化,实现3个桨叶独立变桨,在稳定输出功率的同时减小桨叶拍打振动,而且能够根据简化的风力机模型进行变桨控制,方法简洁、有效、容易实现.

大型风力机气动载荷分析与功率控制

在对大型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、悬垂距离等参数对风速计算模型的影响,对一台2MW风力机空气动力载荷进行计算和对比分析,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。

风力机动态模拟器的仿真研究

为了满足实验室研究风力发电技术的需要,该文设计了动态风力机模拟器。在分析实际风力机与模拟系统差异的基础上,综合考虑了风力机的风剪效应、塔影效应及其风力机的大惯量特性,提出了转矩指令动态补偿的转矩模拟方案。详细分析了惯量补偿的原理,并对其正确性进行了数学论证。理论分析和仿真结果表明,模拟系统的动特性与风力机的理论动特性高度吻合,可方便地用于实验室条件下的风力发电技术研究。

风力机的风剪塔影模拟及功率脉动抑制

为了开展风机变流器的实验室模拟研究,设计基于双馈发电机的动态风机模拟器,提出一种在发电机侧进行转矩指令动态补偿的模拟方案,并建立整个双馈风力发电系统对拖模拟平台。对风机的风剪、塔影效应进行定量的分析与模拟,详细地研究由于风剪、塔影效应引起的三次转矩脉动量对双馈风力发电系统的影响。提出一种发电机侧转矩脉动抑制的控制策略,对三次转矩脉动量进行抑制。仿真和实验结果证明了控制策略的有效性和可行性。

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。