基于自由渦方法的控制過程中風輪氣動特性研究.pdf

1、低風速風場和海上風場開發(fā)的需求，促進了風力機向大型化和智能化方向發(fā)展，并對風力機設計制造水平提出了更高的要求。風力機實際運行過程中，風輪氣動載荷不僅受到剪切風、偏航風、湍流與陣風的作用，而且與控制系統(tǒng)變槳變速調節(jié)相互影響。風輪氣動特性不僅與葉片及塔架疲勞載荷緊密聯(lián)系，而且與機組控制策略和發(fā)電性能直接相關。因此，研究風輪在控制過程中的氣動特性，對于認識風輪氣動載荷變化規(guī)律，優(yōu)化風力機控制策略，提高機組設計水平具有重要的意義。為此，基于自由

2、渦方法建立了模擬風輪非定常氣動特性和渦尾跡運動特性的數(shù)值模擬方法。并且建立了風輪非定常氣動載荷模型與機組動力學模型和發(fā)電機及控制系統(tǒng)模型耦合的計算方法。不僅研究了風輪處于剪切風、偏航風條件下的非定常氣動載荷，而且研究了風輪在控制條件下，處于變槳、偏航、電網電壓跌落和風速變化過程中的非定常氣動、氣彈特性。
　　為了準確模擬風輪的非定常氣動特性，分別基于Hess-Smith面元法、Weissinger-L升力面方法和非線性升力線方法建

3、立了風輪氣動力計算方法，并對不同方法進行了比較和分析。為了改進升力線計算的收斂性，提出了一種基于Newton-Raphson方法的升力線環(huán)量迭代算法。為了有效模擬風輪渦尾跡的運動特性，建立了基于時間步進法的自由渦尾跡計算方法，提出了一種由自由渦面和葉尖渦線構成的混合渦尾跡模型，顯著提高了自由渦尾跡的計算效率。
　　在風輪穩(wěn)態(tài)運行條件下，研究了剪切風、偏航風和兩者合作用對風輪氣動特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，偏航剪切風條件下，風輪正偏航角會

4、減小風剪切造成的葉根揮舞力矩波動;風輪負偏航角會進一步增大葉根揮舞力矩的波動。研究了葉片槳矩角偏差對風輪氣動特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，槳矩角偏差顯著增加了風輪俯仰力矩和偏航力矩的波動，不同葉片槳矩角偏差量的差值決定了風輪俯仰和偏航力矩的波幅。
　　在風輪動態(tài)控制過程中，研究了風輪變槳、偏航、電網電壓跌落和風速變化對風輪氣動、氣彈特性的影響，并且研究了風輪氣動力變化與變槳、變速調節(jié)之間的相互作用。
　　首先，給定了風輪槳矩角和偏航

5、角變化時序，研究了變槳和偏航過程中風輪氣動力的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，風輪變槳過程中渦尾跡的運動以及尾渦環(huán)量強度的滯后變化是造成葉片氣動力過度變化的主要原因;風輪偏航過程中的氣動力，不僅受到偏航風的影響還受到偏航運動引起的相對速度變化的作用。
　　然后，建立了基于自由渦方法的氣動載荷模型與MATLAB/ Simulink平臺的發(fā)電機及控制系統(tǒng)模型耦合計算的方法，研究了電網電壓跌落對控制條件下風輪氣動特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，電網電壓極短時

6、間的跌落會引起風輪氣動力較大幅度、較長時間的波動。葉片推力和葉根揮舞力矩在電網電壓跌落過程中波幅較大，葉根擺振力矩波幅較小。
　　最后，建立了基于自由渦方法的氣動載荷模型與風力機動力學模擬軟件FAST耦合計算的方法，研究了陣風和極端風切變過程中，風輪氣動、氣彈特性與機組變槳、變速控制之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，陣風和極端風切變過程中，由于風力機變槳調節(jié)的滯后，可能出現(xiàn)槳矩角調節(jié)目標與風速變化過程相反的情況，從而進一步增加風輪及葉片氣