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。

改进风力机三维尾流模型及其风速预测准确性研究

针对大型风力机受来流风切变影响,风速差最大达到30%的问题,文章以2D_K Jensen尾流模型为基础,提出了一种改进的三维尾流模型。该模型基于质量守恒理论,通过综合考虑入流的风切变效应、尾流区域的湍流强度分布和各异性的尾流扩展率等因素,修正垂直剖面尾流速度的非对称分布,提高了尾流模型在近尾流区的预测精度。通过与风洞实验测试数据进行对比分析,发现文章提出的修正模型在近尾流区与风洞测试数据吻合较好。该模型能够较好地预测单个风力机尾流区域的速度分布,且无需数值模拟确定经验参数,可用于风电场的微观选址和发电量评估。

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。

风力机三维尾流模型研究与验证

考虑风剪切效应,提出一种高斯形状的三维尾流模型(3DG-k)。该模型定义尾流半径rw等于两倍的高斯特征参数σ,并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系,来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据,对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型(3DG)及三维椭圆高斯模型(3DEG)进行对比分析。研究结果显示,3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度,更适用于工程实际应用。

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.

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。

考虑风切变的风电场尾流模型实验研究

针对当前一维和二维尾流模型只能预测平坦地形风电场内风力机轮毂中心高度平面内的风速分布问题,该文基于Jensen模型,考虑风切变效应和高斯分布特点,提出一种预测复杂风电场内垂直高度平面风速分布的尾流模型。为分析垂直高度平面内尾流分布特点和验证所提出模型的准确性,采用两台不同类型的地基式多普勒激光雷达在河北某风电场进行测风实验。实验数据表明由于风切变效应的影响,垂直高度平面内尾流风速分布呈现非对称分布特点。与此同时,通过对比两个不同下风向位置处实测数据和尾流模型预测风速,结果表明新提出的尾流模型可以很好地预测垂直高度平面风速分布特点,与实测数据吻合度高,符合真实的尾流流场分布。

计及风剪效应的垂直轴风力机叶片倾角优化

风剪效应易使垂直轴风力机叶片受到的载荷不均匀,造成叶片产生振动及疲劳损坏。针对一种1. 5 MW H型对称翼垂直轴风力机,采用双致动盘多流管理论分析不同倾角下对应叶片的受力情况;以叶片倾角优化前后的风功率相等为目标函数,对叶片倾角进行优化计算。提出采用方差评价叶片受力不均的衡量方法。结果表明:风轮运行一周过程中,风剪效应对叶片载荷的影响主要集中在法向力载荷上。对于该1. 5 MW风力机,最优叶片倾角为-7°。经过倾角优化后,一周内表征受力不均匀的最大方差由1. 53降到0. 96,方差平均值由0. 66降到0. 52,垂直轴风力机叶片受力情况得到明显改善。

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。

H型垂直轴风力机气动参数对主轴偏振效应的影响

针对1种1.5 MW H型对称翼垂直轴风力机(VAWT),采用双致动盘多流管理论,分析主轴偏振效应的产生机理,提出采用变差系数来衡量主轴合成力的振荡程度,并对不同风力机参数对偏振效应的影响进行分析。研究结果表明:风力机叶片在旋转1周范围内产生的气动力合成到主轴位置上后不能互相抵消,发生振荡且作用方向不定;对于大型垂直轴风力机,风剪效应的存在有利于降低主轴偏振效应;在H型垂直轴风力机气动设计中,当叶片数为3片时,主轴振动幅度最小;当高径比为0.5088时,主轴振动幅度最小;当展弦比为14.2015时,主轴振动幅度最小。

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。

中小型风机功率波动的影响因素及量化指标

风电系统输出功率波动导致电能品质下降,并影响系统设备的使用寿命。风电输出功率的波动主要来源于非恒定转矩的变化,为研究中小型风机转矩波动的影响因素,文章从风速特性和机组自身结构特性两方面入手,在时域范围内,研究风速的变化对功率波动幅值的影响,根据实测数据计算得出湍流强度与功率幅值波动随时间尺度的增大而增大;在频域范围内,利用Matlab仿真,得出风剪切和塔影对风速变化均有周期性影响,引起的波动频率为风轮转速频率的3倍。

长波调整背景下陕西关中东部强对流天气过程分析

利用常规高空和地面观测资料、FY-2E卫星云图资料、多普勒天气雷达及地面加密气象站资料,对2014年7月1日发生在陕西渭南的一次强对流天气过程进行分析。结果表明:本次强对流天气过程是在500 h Pa长波调整过程中,冷空气不断从切断低压底部扩散南下,与中纬度中尺度切变线相互作用所致;垂直温度梯度大对渭南市强对流天气有较好的潜势预报意义;地形作用导致中低层风向垂直切变增强和地面小尺度辐合线形成。其中,垂直风切变的增强致使中层干空气卷入对流云团中,新鲜空气补充了云凝结核源,经过渭河之后,近地面气温升高、相对湿度增大,有利于冰雹转成短时暴雨。地面小尺度辐合线触发了不稳定能量进一步释放;强的垂直风切变和低层辐合共同作用,使对流云团增强,降雨强度增大。

延安市冬季边界层风、温场特征分布

本文利用1985年12月25日—1986年1月9日的实测资料,分析了延安市冬季边界层风、温场特征。结果表明:延安市冬季低层逆温持续时间长、强度大,逆温持续期近地面几十米表现为混合层结构。边界层风场十分复杂,时空变化大,地面常为小风状态,风向、风速沿垂直方向有明显切变,低层流场有显著渠道效应,山谷风明显。

用EVAP方法反演冷流暴雪的风场及检验

EVAP(Extended VAP)雷达反演方法是在忽略空气垂直运动速度而考虑云雨粒子下落速度影响的条件下,导出从雷达多仰角多普勒速度资料产生不同高度上的水平径向速度计算公式,然后利用VAP方法来反演出等高面上的二维水平风场。利用烟台多普勒天气雷达资料,采用EVAP方法反演了2005年12月山东半岛两个风场背景条件和暴雪落区均有明显差异的冷流暴雪个例水平风场。将雷达实测的径向速度、反射率因子插值到各等高面上,并与反演的同等高面风场叠加显示,以此分析反演的风场是否与原始雷达数据相符。此外,还与地面自动站风场、高空风场等实测资料进行对比,综合检验反演结果的合理性和可靠性,并进一步分析了冷流暴雪的中尺度风场结构。结果表明,反演风场与实测资料相符;EVAP方法对强风和弱风的冷流暴雪个例都可反演出不同高度的中尺度风场结构,反演的西南风与东北风、西北风与东北风之间的切变线和强回波带相对应,揭示了暴雪产生的动力机制,说明EVAP方法对不同风场条件的暴雪中尺度系统都有一定的反演能力。高时空分辨率的EVAP反演风场弥补了天气图上仅能分析出山东半岛西北风的缺憾,且反演过程中一个体扫的计算时间不足1 min,因此EVAP反演的中尺度风场信息适合在冷流降雪的短时临近预报业务中应用。

风力机湍流滤波器设计与等效风速的产生

准确构建湍流风速模型对风力机全系统仿真、平稳功率控制、系统动态特性、控制系统设计等方面至关重要。针对湍流发生实时性不强的问题,提出了应用于实时仿真的湍流谱滤波器的设计方法,将高斯白噪声通过所设计的湍流谱滤波器能够获得实时仿真湍流风速,仿真分析表明湍流滤波器能够应用于实时湍流风速的产生。同时,提出了融合风切变、塔影效应、湍流和旋转采样的等效风速实现方法,并在仿真软件中建立了等效风速发生系统。通过对某实际湍流风速仿真分析表明,基于所设计的湍流滤波器的等效风速发生系统是有效可行的。

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。

风力发电机组的独立变桨控制

为了实现风力发电机组3个桨叶的独立控制,依据风力机空气动力学原理和风剪切效应,提出了基于桨叶方位角信号的权系数分配独立变桨距控制方法。通过权系数对3个桨叶统一的桨距角进行重新分配,将统一变化的变桨角转化为每个桨叶独立变化的桨距角。以2MW变速变桨风力发电机组为研究对象,基于Bladed软件平台对该控制策略与传统的变桨控制策略进行仿真比较。结果表明,相对传统的变桨距控制,独立变桨距控制使风力发电机组能够在额定转速下保持稳定的电功率输出的同时还能减小齿轮箱转矩尖峰。

基于风电场等效平均风速的风电功率日前预测研究

提出风电机组风速模型及风电场等效平均风速模型,并由此得到基于风电场等效平均风速的风电功率预测方法,与以往基于平均风速的预测方法进行工程应用效果对比,该方法较基于平均风速的预测方法在预测精度方面有明显提高,且模型简易可行,具有通用性。