大型风力机变桨角度对尾流特性影响的研究

以往很少有学者研究大型风力机变桨条件下的尾流,而变桨角度对于大型风力机的尾流特性影响重大。选用美国可再生能源实验室(NREL)大型海上5 MW风力机作为研究对象。根据风力机机械相似准则,将风力机缩小为原尺寸的1/10,基于粘性k-ω风力机的尾流影响的距离越远,所有工况的尾流均在4D左右就开始明显变弱,并且在风力机旋转域周围的风速变化均较剧烈,旋转域后3D内尾流较为对称;背风面速度云图中有着较为清晰的叶轮轮廓,可能是因为旋转域中风力机叶片背风面的边界层的厚度较大,从而使得此处风速降低;受到变桨的作用,外流域尾流气压气流出现偏转现象,距离风力机越远空气流速差也越来越小。

基于静力学分析的新型变桨风力机关键齿轮参数优化

以新型变桨风力机为研究对象,针对其变桨调节机构的齿轮齿条构件,进行了轻量化的优化设计。通过有限元分析,得到不同桨距角下的叶片扭矩以及传动杆推力,并采用风洞试验方法对传动杆推力进行验证,确定齿轮优化的初始载荷条件。基于SolidWorks软件对齿轮齿条构件参数化建模,以质量、齿根弯曲强度、齿面接触强度为优化目标,模数、齿数、齿宽为设计变量,建立了响应面模型,采用多目标遗传算法(MOGA)进行优化设计。优化结果表明:优化后齿轮齿条构件质量减轻43%,齿根弯曲应力增加23%,齿面接触应力减小17%,优化使该风力机变桨调节机构设计更为合理。

双馈风电机组建模与变桨距角控制

当前对于风电机组建模的研究多使用恒定风速下最大功率因数控制的方法,并在MATLAB仿真平台上进行操作,但使用这类方法时无法保证在变风速的情况下完成最优功率因数的选择。针对这个问题,研究了一种包括风力机、发电机、背靠背变流器和变桨距控制的双馈风电机组的数学模型,并在PSCAD仿真平台上建立了仿真模型。首先从变速恒频风力发电系统的运行原理出发,对其结构和数学模型进行了详细的描述;其次,建立了风力机的数学模型及其风力机与传动系统的仿真模型,同时介绍了变流器机侧与网侧部分的控制方法;再次,研究了一种变桨距控制策略,通过改变风电机组的桨距角使风电机组能够以额定功率继续运行,从而实现最优功率因数选择;最后,采用PSCAD仿真平台并结合双馈感应发电机、变流器等对整个风力发电控制系统进行仿真验证。通过观察变风速条件下的有功功率和桨距角值的输出结果,验证了该模型的正确性,同时证明了该模型能够实现变桨距角控制。

螺旋桨多设计点气动优化方法和变桨距角策略

高空太阳能无人机(UAV)在起飞爬升阶段飞行速度慢,爬升率低,爬升时间很长,需要螺旋桨提供大拉力以实现快速爬升,但低空空气密度大,螺旋桨处于小转速、大扭矩状态。在20 km高空飞行阶段,空气密度只有地面的1/14,要求螺旋桨处于高转速、高效率状态。受动力系统的功率限制,定桨距螺旋桨无法匹配这2种状态,需要采用变桨距技术,实现低空的小桨距、低转速、大拉力构型,高空的大桨距、高转速、高效率构型。提出了一种满足多设计点螺旋桨气动外形优化方法和多工况变桨距角策略。建立了基于片条理论的螺旋桨多设计点气动外形优化模型,实现了螺旋桨各剖面弦长和扭转角分布等外形参数优化;在此模型上加入了考虑桨距角变化的快速气动计算模型,实现了多工况下变桨距角策略。通过对比定桨距和变桨距下的螺旋桨气动性能,结果表明,基于螺旋桨多设计点气动外形优化模型设计的螺旋桨在高空多设计点效率均在80%以上,有利于太阳能无人机的长时间飞行;考虑变桨距优化策略的螺旋桨,在起飞爬升工况拉力最高提升78.42%,可以提供更大的爬升率,有利于太阳能无人机在起飞时快速通过对流层到达高空设计点飞行。

新型变桨风力机关键部件载荷特性试验研究

以新型变桨距风力机为研究对象,针对其独特的变桨调节机构,通过风洞试验的方法,采用IMC载荷测试系统,对其关键部件进行载荷测试。试验结果显示:随着桨距角增大,叶根所受弯矩降低,但叶根挥舞弯矩较摆振弯矩减小更明显;塔筒俯仰方向的受力大于侧弯方向,当风轮转速约为243.5 r/min时,塔筒侧弯受力出现突增;不同桨距角下,变桨调节机构的齿条与齿条同步盘测点载荷大小随风速变化趋势一致,但随着桨距角的增加,表现为先增加后减小再增加的趋势。

风力发电机组直驱永磁同步电机高风速下宽转速运行控制策略研究

大力发展海上风力发电、构建以可再生能源为主体的电力系统是实现“双碳”的途径之一。而随着风电接入电网的容量不断增加,电力系统在频率稳定方面面临更多挑战。本文基于变速运行特性,分析了直驱永磁同步电机在高风速下风力发电机组的转速范围。风力发电机组的可变转速可形成虚拟飞轮储能装置,从而释放能量与吸收能量,故可使用该虚拟飞轮储能系统作为电力系统短期调频用。本文推导了风力发电机组机侧变换器与网侧变换器的控制策略,并给出了有功功率参考值给定方法。同时,分析了变桨距角控制策略。为验证控制策略,搭建了仿真模型。仿真结果表明在随机高风速工况下,风力发电机组可输出平滑的功率,具有短期调频能力。

一种基于变速恒频的双馈风力发电MPPT设计

采用双PWM控制型变流器,变速恒频发电技术,变浆距角进行最佳风能追踪(MPPT)控制。分析了如何由绕线式异步电动机参数设计出双馈风力发电最大风能跟踪控制的风力机参数。通过Matlab仿真,分析了风机的切入风速、切出风速、风速过大情况下的变桨距角控制及浆距角随风速减小而自动恢复的最大风能跟踪特性,验证了控制策略的有效性和可行性。

基于涡旋升力线模型的风机后掠叶片性能优化

为精确模拟后掠叶片的气弹特性,基于升力线理论建立后掠叶片非线性气弹耦合模型,并通过计算国家可再生能源实验室(NREL)5 MW直叶片和后掠叶片的稳态响应,验证模型的有效性和准确性.以运行变桨角为设计变量,年发电量为目标函数,以额定功率、叶尖挥舞位移和轴向推力作为约束条件,选择5 MW后掠叶片为原型,寻找5~25 m/s风速范围内各风速对应的最优变桨角,并将结果进行对比分析.结果显示,变桨角优化的后掠叶片,相比于原型叶片以及直叶片,年发电量分别提高8.58%、7.59%.

双馈风电系统全风速下的功率控制策略

为了实现全风速条件下的功率调节,对双馈风力发电机组的功率控制策略进行了研究。额定风速以下采用基于叶尖速比的最大功率追踪控制,实现最大风能捕获;额定风速以上采用变桨距角控制,输出功率维持恒定,保证整个系统安全稳定地运行。利用MATLAB建模并进行了仿真,仿真结果表明:在较大的风速变化区间内,双馈风电机组能实现对输出功率的有效调节,两种功率控制策略切换时系统能保持较好的稳定性。

基于VSC-HVDC海上串联拓扑风电场低电压穿越控制策略研究

本文提出了一种在海上柔性直流输电中,直驱永磁同步风力发电机串联拓扑风电场在电网电压跌落期间的一种协调控制策略。机组在低电压穿越期间采取机侧变流器控直流侧母线电压以及在发电机输出端饱和时进行弱磁控制,网侧岸上MMC换流站向大电网输送无功功率,以维持总直流电压稳定。并对每台机组的叶桨距角进行协调控制,有效的对多台机组的转速进行调节,在整个风场系统在安全稳定的情况下储存更多的风能,最终实现在电网电压故障期间的低电压穿越。仿真表明该方案使系统在电网电压跌落期间整体运行效果稳定,并可很好的实现对多机组转速的协调控制,在工程上有一定的应用参考价值。

基于记忆的分散式直驱风电机组控制方法研究

基于对能源需求的增加,建立大型的、分散式的、高效利用率的风电场已是大势所趋。为此设计了一种基于记忆的分散式直驱风电机组控制方法,将记忆控制与分散式永磁直驱风电机组相结合,相比于其他主流控制方法如变结构控制、智能控制、自适应控制等,有其独特的优势。从仿生学角度设计机组控制器,利用当前响应,联系过去响应,产生新的控制指令,仿真结果表明该控制策略可为机组提供高效的风能利用和可靠的变浆控制。