高海拔高速运行高铁车顶绝缘子风压分布及海拔修正

车顶绝缘子是高铁动车组列车重要的组成部件,高海拔地区运行中车顶绝缘子在高速气流作用下周围风压分布形成负压区导致其综合气压远低于实际海拔对应的气压进而影响车顶绝缘子电气性能。该文基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),建立仿真模型,分析高速气流作用下车顶绝缘子周围风压分布特性及影响因素,并提出高海拔高速气流综合作用下车顶绝缘子电气强度修正方法。结果表明:车顶绝缘子的风压低值分布在侧风面伞裙根部(大伞在下表面根部,小伞在上表面根部);迎风面风压、背风面和侧风面风压的绝对值都随风速的增大呈指数增长,且海拔越低,增长越快;攻角为80°左右时将形成更明显的低压区;海拔4000m、运行速度为360km/h综合作用下车顶绝缘子形成负压相当于4599米海拔对应的气压,车顶绝缘子外绝缘修正应予以考虑。

基于混合分解和PCG-BiLSTM的风速短期预测

为降低风速的随机性对风力发电的影响,提高风速短期预测的精准度,提出一种基于混合分解、双通道输入、多分支PCG-BiLSTM深度学习模型的短期风速预测方法。首先,将全年风速数据分为春、夏、秋、冬4个季度,选取春季作为主要实验对象;其次,利用奇异谱分解(SSD)和变分模态分解(VMD)以降低原始春季风速数据复杂度,生成具有不同模态且复杂度低的子分量,两种不同模式子分量组合为混合分量,实现不同模式分解算法的优势互补;最后,将混合分量以双通道的形式输入到多分支PCG-BiLSTM深度学习模型中,其模型的每个分支由卷积神经网络(CNN)与门控循环单元(GRU)并联组成时空特征提取模块,用于提取两种分解分量组合的混合分量的时空特征,各分支提取对应混合分量的时空特征经聚合后再由双向长短期记忆网络(BiLSTM)进一步提取风速信号的正向和反向双向波动规律,进而得到最终的风速预测结果。多组实验结果表明:提出的组合预测方法在短期风速预测中具有较高的精度和泛化能力,优于其他传统预测方法。

柔性光伏系统颤振性能的节段模型试验研究

柔性光伏支架的频率低、质量轻,极易在风荷载作用下发生大幅振动。以某实际柔性光伏项目为工程背景,借鉴桥梁抗风的研究经验,对该柔性光伏支架的颤振性能进行研究。首先,考虑严格的相似比关系,设计并制作了弹性悬挂节段模型系统,并对其动力特性进行了测试;然后,进行不同光伏组件倾角(-39°~+39°)下的弹性悬挂节段模型测振风洞试验,研究光伏组件风致响应随风速的变化规律,得到各倾角下柔性光伏节段模型的颤振临界风速值,探讨2种气动措施对提高柔性光伏支架颤振稳定性的效果。结果表明:在0°~39°的正倾角工况下,柔性光伏支架的颤振临界风速随光伏组件倾角的增大,呈现先减小后增大的趋势,最小颤振临界风速出现在12°~21°光伏组件倾角范围内,折算成实际风速为9.6m/s;在-39°~0°的负倾角工况下,颤振临界风速随光伏组件倾角的增大,也呈现先减小后增大的趋势,最小颤振临界风速出现在-21°~-12°光伏组件倾角范围内,折算成实际风速为10.1m/s;设置中央稳定板的气动措施难以有效提高柔性光伏支架的颤振临界风速。

动态风向变化下风力机叶片和塔架应力及功率特性分析

风向变化显著影响风力机气动载荷分布,从而影响风力机稳定高效的运行,而气动载荷是风力机结构应力和功率变化主要影响因素之一。该文以S翼型三叶片水平轴风力机为研究对象,在旋转平台上进行风洞实验,对不同风向变化速度(0.5°、1°、1.5°、2°/s)下风力机叶片和塔架的应力以及风力机功率特性进行分析。结果表明:风向变化速度为0.5°/s时,在风向由0°变化到30°时,叶片弦向和展向应力值和风力机功率下降幅度最大;在风向由0°变化到20°时,叶片应力值和功率下降较为缓慢,风向变化结束后,风力机应力与功率会进一步减小;风向变化角度在0°~20°范围内,受叶片转速和气动载荷下降速度与风向变化耦合作用的影响,塔架应力值出现较大波动,并随风向变化速度的增加,波动出现的区间从15°~20°提前到0°~5°;风向变化结束后,叶片转速持续下降,造成塔架应力仍有不同程度的波动。结果可为考虑风向变化下运行的风力机结构设计提供一定理论依据。

基于混合有限元法的油浸式变压器稳态流-热耦合场并行计算方法

针对油浸式变压器2维流-热耦合仿真计算效率低的问题,提出了基于混合有限元法的并行计算方法。首先,在Visual Studio 2019中采用C++语言实现无量纲最小二乘有限元法以及迎风有限元法的串行计算方法。然后,基于图形处理器(graphic processing unit,GPU)实现流体场的并行计算,针对单分区分匝模型对比分析了不同GPU卡在不同网格条件下的并行计算效率,分析结果表明数据规模越大,GPU卡流处理器越多并行效果越好。其次,基于Intel MKL(Intel math kernel library)函数库结合共享存储并行编程(open multi-processing,OpenMP)实现了2维温度场的并行计算,并对比分析了不同网格数量对并行效率的影响。最后,在此基础上提出了根据不同仿真条件的混合并行计算方法,并应用到大型油浸式变压器绕组模型的2维温升热点分析中。结果表明,相较于串行程序,混合有限元并行计算方法的加速比达到了69.5,实验测试结果进一步验证了并行计算结果的准确性,研究成果为大型油浸式变压器流-热耦合问题的快速计算奠定了基础。

风力发电机叶片防除冰涂层(二):温升数值计算及防除冰性能

针对电热超疏水涂层覆冰过程中表现出的三类不同冰层形貌,该文建立了电加热融冰数值计算模型,并对仿真计算结果进行了相应的试验验证,验证结果与仿真结果基本一致,该模型能有效模拟融冰过程和温度分布。临界融冰功率的计算结果表明,电热超疏水涂层融冰所需功率大于非超疏水电热涂层,尤其在乳突状冰层出现后,融冰功率将大幅增加。电热超疏水涂层防冰试验结果表明,在雨凇覆冰环境中,超疏水性能单独作用时,叶片在覆冰前期能延缓覆冰;电热性能与超疏水性能共同作用时,叶片无覆冰形成。电热超疏水涂层用于风力发电机防覆冰具有较好的效果,但用于覆冰后的融冰时将需要更多的能量。

考虑移动氢能存储的港口多能微网两阶段分布鲁棒优化调度

为有效应对海上风电固有的间歇及波动性给港口多能微网带来的不确定性风险,提出一种考虑移动氢能存储的港口多能微网两阶段分布鲁棒优化调度模型。首先,结合Wasserstein距离实现风电出力概率分布模糊集的精确刻画,并通过非参数核密度估计拟合海上风电预测误差概率分布,获得不同置信水平下风电出力区间及场景。其次,分析氢能船舶、汽车等移动氢能存储资源对间歇性风电出力的能源存储潜力,并结合用能心理、交通属性差异,将两者分别建模为激励型、价格型需求响应,实现港口移动氢能存储灵活性资源的高效聚合。再次,针对含移动氢能存储的港口多能微网,构建基于概率分布模糊集的日前-日内两阶段分布鲁棒优化调度模型,并运用线性决策规则与强对偶理论将其转换为混合整数线性规划模型求解。最后,基于海上风电实测数据进行仿真验证。结果证明,移动氢能存储可显著提升港口多能微网的低碳灵活性,所提模型在兼顾港口多能微网经济性的同时,可进一步保证风电不确定性风险下的鲁棒性。

基于LBM的典型建筑布局树木风环境模拟

在建筑方案设计阶段定量评估景观绿植对建筑风环境影响,对于提高行人区域热舒适性具有重要实践意义。结合格子玻尔兹曼计算流体力学方法和多孔介质模型,开展了边界层流场-建筑-树木耦合模拟和关键参数验证,针对城市街道区域典型矩形建筑平面布局存在的风速加速现象,开展树木挡风效应分析。研究结果表明:模拟方法能够重现出与试验吻合一致的树木尾流区平均风速和湍流特征;基于不同阻力系数的树木透孔率对树木背风区下游1H~3H范围内挡风效应影响明显;基于等效原则提出的圆柱体简化模型能够计算出与树木原型一致的挡风效应变化规律;建筑两侧和迎风端布置合理间距的树木能够减小矩形建筑两侧风速加速比和加速区域面积,可以通过经济合理的树木布置方案实现建筑周围风环境舒适度优化和通风廊道畅通。研究成果可应用于景观植被风环境优化设计,为方案设计阶段绿色建筑自然通风评估提供新的计算参考。

基于IWOA-SA-Elman神经网络的短期风电功率预测

由于风力发电的随机性和不确定性使其短期功率的预测工作十分困难,而神经网络模型依靠其强大的自学习能力在风电功率预测领域有着广泛的应用。但神经网络预测精度受初始权重影响较大,且易出现过拟合的问题。为此构建一种基于改进鲸鱼算法和模拟退火组合优化的Elman神经网络短期风电功率预测模型,模型首先利用改进鲸鱼算法结合模拟退火策略获得高质量神经网络初始权值,接着引入正则化损失函数防止其过拟合,最后以西班牙瓦伦西亚某风电场陆上短期风电功率为研究对象,将该算法与BP、LSTM、Elman、WOA-Elman、IWOA-Elman 5种神经网络算法进行算法性能测试对比,结果表明IWOA-SA-Elman神经网络模型预测误差最小,验证了该算法的合理性和有效性。

风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究

风电机组采用虚拟惯量参与电网调频时,其本质是带延时的快速功率响应,但虚拟惯量延时对频率控制的非线性影响尚不清晰。同时,虚拟惯量存在测频精度要求高、延时大、频率微分环节放大量测误差等固有缺陷。为此,提出了风电机组虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究的思路。首先,通过将风电机组虚拟惯量和下垂控制的延时特性近似等效为一阶惯性环节,建立风电调频使用虚拟惯量和下垂控制的系统频率响应模型;其次,基于劳斯近似法对高阶模型进行降阶解析,求得系统频率最低点的解析表达式;然后,解析求解风电调频仅使用下垂控制的系统频率响应模型,并在频率最低点指标下给出与虚拟惯量和下垂控制相同调频效果的下垂控制系数设定方法。进一步,在设定下垂控制参数下,对比两种控制方式下的最大频率变化率、稳态频率等关键指标关系,得出结论:适当改变下垂系数可替代带延时虚拟惯量,并能取得比虚拟惯量和下垂控制更佳的调频效果。最后,建立仿真模型,并从系统频率响应动态、调频能量需求、风电机组响应功率等方面验证了分析的正确性。

基于遗传算法的风电齿轮传动系统参数优化设计

齿轮箱是风力发电系统的重要部件,其体积大、重量高等问题制约了风电清洁能源的发展.以1.5 WM风力发电机组为研究对象,建立齿轮传动系统轻量化数学模型,并采用遗传算法进行优化求解.结果表明,采用遗传算法是可行的,优化后齿轮传动系统体积减少了4.59%,这将进一步减小齿轮传动系统箱体体积和总质量.通过计算行星轮系的传动效率,验证了优化结果的可行性,该研究将为风电齿轮传动系统轻量化设计提供新方法.

基于Matlab/Simulink的转速控制系统设计与应用

风力发电机组由于受到风切变的影响会产生各种冲击,造成行星齿轮的破损和风电设备的各种故障。针对不同转速下风力发电机行星齿轮故障信号及振动运行情况开展实验教学与研究,利用实验室现有风电齿轮箱试验台,基于Matlab/Simulink设计、开发一套转速控制模块。通过该模块可有效控制及模拟风电发电机组的启、停及波动情况下运行状态;利用采集到不同运行状态下行星齿轮断齿运行情况,通过后续数据分析对比验证了设备的可靠性,为今后开展行星齿轮各种运行状态下的实验教学及科研提供了实验平台。

考虑时段划分的高风电渗透率系统储能配置

随着风电渗透率不断升高,其波动性、随机性的特点使得电力系统出现严重的弃风及调峰困难问题。为此,提出一种考虑时段划分的高风电渗透率系统储能优化配置模型。首先,在净负荷的基础上计算峰谷隶属度,综合考虑风电消纳、峰谷差和用户满意度,采用量子粒子群算法寻优;其次,在最优时段的基础上综合考虑火电机组和储能的成本及收益,以净成本最小为目标函数优化出最优储能配置方案;最后,通过不同风电渗透率的算例分析验证所提优化模型的合理性和有效性。

基于CLD的风电叶片挥舞疲劳试验寿命预测方法

随着风电叶片长度的不断增加,挥舞疲劳测试时叶片自重和夹具重量对叶片产生的影响已无法忽略。本文以株洲时代新材料科技股份有限公司某90 m级叶片挥舞疲劳试验主梁失效为研究对象,测试了主梁拉挤板在不同应力比情况下的疲劳S-N曲线,基于Goodman等寿命图提出一种新的复合材料疲劳寿命预测方法。通过考虑平均应力对主梁疲劳寿命的影响,文章对比分析理论试验预测损伤及疲劳试验实际损伤,得出两个重要结论:(1)现有不考虑叶片自重的挥舞疲劳试验载荷等效方法已不能反映叶片的实际受载情况;(2)本文提出的考虑均值的Goodman疲劳寿命计算方法能够较准确地预测叶片的疲劳试验寿命。

某SUV气动减阻优化及其流场机制

为了提高整车燃油经济性,本文以某款SUV车型为研究对象,将仿真与试验相结合改善汽车行驶过程中的气动阻力系数。首先通过风洞试验确定对整车气动阻力有重要影响的区域或部件,其次对气动阻力系数贡献值较大的部件或区域进行减阻优化。结果表明,前轮阻风板、尾灯和尾翼对整车气动阻力系数贡献值较大。对前轮阻风板的改型,有效降低正压区面积以及减弱车轮干扰阻力;对尾灯和尾翼的优化设计,改善了尾部负压区,缩短了分离流在后窗上部的再附着的距离。基于本征正交分解方法进行局部流场信息的提取和分析可知,1阶与2阶模态主要构成了该SUV尾流场的关键流态。经试验与仿真验证,相比于初始方案,气动优化组合设计减阻率可达7.5%。本文为新一代SUV改型与升级换代提供了理论基础与技术支持。

基于频域分析的高速列车侧风倾覆机理

侧风作用下列车的动态环境以轮轨相互作用为主向,以空气动力作用为主演变,列车的侧风倾覆行为成为威胁列车行车安全性的主要诱因.首先,采用精细化车-轨耦合模型开展列车侧风倾覆的频域特性分析,以明确侧风倾覆响应对列车模型的敏感性;基于考虑模态特性的频域分析框架,推导脉动风及轨道不平顺与列车倾覆动力响应间的传递函数,结合相应参数进行分析,以直观揭示列车的侧风倾覆机理.结果表明:列车倾覆行为受绕车体下心侧滚模态和车体沉浮模态控制影响,其风荷载影响要明显大于轨道不平顺;在轨道不平顺激励下,第一阶模态贡献主要由轨向不平顺引起,第二阶模态贡献主要由高低不平顺引起,在脉动风荷载激励下,其顺风向脉动风分量起主要贡献;车速、风速和风向角的增大都会引起列车动力响应的增大,进而降低列车安全运营时的最大允许风速;失效概率的增大会降低动力响应的极值,进而提高安全运营风速.

考虑分岔角度和火源位置的地铁分岔隧道火灾临界风速研究

为探究地铁分岔隧道的分岔角度和火源位置对隧道火灾烟气蔓延的影响规律,使用火灾动力学模拟软件FDS对不同火源位置、火源功率以及分岔角度等火灾场景下的地铁分岔隧道烟气温度分布、临界风速进行研究。研究结果表明:地铁分岔联络隧道的临界风速受表征顶棚最高温升系数α和表征分岔隧道分流量的速度损失系数ζ的耦合影响;临界风速时,隧道火源下游烟气温度符合双指数模型衰减;在本文研究的火源功率范围内,分岔隧道内无量纲临界风速与无量纲火源功率的1/3次方成正比;相同火源功率下,分岔角度对临界风速影响较小,而火源位置对临界风速影响较大,火源位于分岔后的临界风速大小约为分岔前的1/(1-ζ)倍。研究结果可为地铁分岔联络通道的通风排烟系统工程设计提供一定程度的参考。

含静止无功发生器的直驱风电并网系统稳定性分析及振荡抑制策略

风电并网系统稳定性分析及振荡抑制策略大多集中于风电场本身,针对含静止无功发生器(SVG)的直驱风电并网系统研究较少。基于特征值灵敏度筛选出对含SVG的直驱风电并网系统稳定性较显著的控制通道,然后基于独立通道分析设计理论将并网系统由多输入多输出耦合系统等效拆分为多个单输入单输出控制通道,在定性分析并网系统稳定性的同时定量评估不同控制通道间的交互作用程度。为抑制控制通道间的交互作用,提出了基于H∞鲁棒控制的次同步振荡抑制策略。通过电磁暂态仿真,验证了基于独立通道分析设计理论分析并网系统稳定性的正确性以及基于H∞鲁棒控制的次同步振荡抑制策略的有效性。

考虑风电机组故障电压穿越特性的连锁故障关键线路辨识

新能源的接入提高了电网连锁故障发生的概率,给故障传播中关键线路的辨识增加了难度。为此,建立了考虑风电机组故障电压穿越特性和线路可靠性的连锁故障仿真模型,从线路失负荷严重程度、失负荷不均匀性和结构脆弱性3个角度建立了线路综合风险指标评价集。基于状态故障网络计及线路失负荷程度和线路失负荷不均匀性,分别定义了失负荷风险指标和不均匀风险指标;基于电气介数提出了考虑分布式新能源接入的脆弱结构指标;同时,考虑电网的网络结构和状态转移特性,采用模糊熵权法定义综合风险指标,以衡量线路开断的综合影响。通过IEEE 39节点和IEEE 118节点系统算例验证所提方法用于关键线路辨识的有效性,且针对关键线路的缓解措施能显著降低大停电风险。

宽转子极无轴承开关磁阻电机径向力模型全周期拓展

针对单绕组宽转子极无轴承开关磁阻电机在定转子极非完全交叠区间的径向悬浮力模型空白、已有定转子极完全交叠区间径向悬浮力模型推导过程复杂且计算量大的不足,首先通过磁场有限元分析,分别确定了该电机在定转子非完全交叠区间和完全交叠区间的电磁场几何分布,计算了气隙磁密,再根据麦克斯韦应力法分别推导了这2个区间的径向力表达式,从而建立该电机在一个完整周期范围内的径向力数学模型,并通过与三维有限元计算结果的对比验证该模型的准确性。相比于利用等效磁路图推导径向力模型而言,该建模过程更简便,计算量也更小。全周期径向力模型的建立,不仅能为电机本体和控制器设计提供理论参考,还有助于提高该电机控制策略设计的灵活性,也可以提高与传统单绕组无轴承电机控制器的通用性。