浓缩风能型风力发电机改进模型流场与功率输出特性(简报)

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能型风力发电机改进模型是由相似模型改进而成。采用车载法对改进模型的流场特性进行了试验并与原相似模型比较,研究表明：改进模型中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.38倍,比原模型提高了5.34%;气流动能增至来流风能的2.65倍。采用车载法对改进模型功率输出特性进行了试验,当自然风速为 10.83 m/s时,叶轮转速额定,叶轮风能利用系数Cp为0.182,机组输出功率117.6 W,此时发电机效率为0.655,试验结果证明：叶轮安装处风速是前方相同面积来流风速的1.37倍,气流动能增至来流风能的2.57倍。试验为浓缩风能型风力发电机叶轮设计提供了重要依据。     

浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性模拟与试验

对于大型风力发电机组,风切变的影响不容忽视。浓缩风能型风力发电机可以提高风能密度,改善风能的不稳定性。为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置风切变的流动规律,该文以浓缩风能装置为研究对象,进行了流场风切变特性的数值计算和风洞试验研究。采用具有风速梯度4.2 s-1的风洞进行浓缩风能装置模型的风切变风洞试验。结果证明浓缩风能装置具有减轻风切变的能力;浓缩风能装置使来流的风速梯度由4.2 s-1减小为3.4 s-1,有效地提高了叶片载荷均匀度和风力发电质量;数值计算结果与试验结果相符。研究结果可为风切变研究和完善浓缩装置与叶片的设计提供参考。     

聚碳酸酯材料的浓缩风能装置流固耦合分析

浓缩风能装置是浓缩风能型风力发电机的核心部分,其选材直接影响到浓缩风能型风力发电机的推广应用。该文应用流固耦合分析方法,采用CFD软件进行流场分析,对浓缩风能装置在特定风场下进行仿真模拟,得到了浓缩风能装置所处流场的风速和风压分布。将流场计算结果作为载荷加载到浓缩风能装置上,该装置在风中所受最大应力3.267 MPa,远小于拜耳makrolon 2407型聚碳酸酯的屈服应力66 MPa、断裂应力65 MPa以及弯曲强度98 MPa,因此该型号聚碳酸酯在强度上满足浓缩风能装置要求,可以替代目前所用材料冷轧钢板。该研究结果可为后期的结构改进和优化设计提供理论依据和参考。     

浓缩风能型风力发电机的整体模型风洞实验（第Ⅲ报）——发电对比实验

低速风洞内进行的实验结果表明：当风速为５．５０ｍ／ｓ时，浓缩风能型风力发电机模型的输出功率为１００Ｗ，是直径相等的普通型风力发电机（风力机和发电机的总机械效率为０．３３２时）的输出功率的３．８倍；其输出功率相当于目前我国草原上使用的小型风力发电机输出功率的６倍；并且该机组的起动风速比相同叶轮普通型风力发电机模型的起动风速低     

浓缩风能型风力发电机的整体模型风洞实验（第Ⅲ报）

低速风洞内进行的实验结果表明：当风速为５．５０ｍ／ｓ时，浓缩风能型风力发电机模型的输出功率为１００Ｗ，是直径相等的普通型风力发电机（风力机和发电机的总机械效率为０．３３２时）的输出功率的３．８倍；其输出功率相当于目前我国草原上使用的小型风力发电机输出功率的６倍；并且该机组的起动风速比相同叶轮普通型风力发电机模型的起动风速低     

浓缩风能型风力发电机的研究与进展

浓缩风能型风力发电机的理论核心是将稀薄的、呈湍流运动特征的自然风浓缩后利用,有效地对自然风进行加速、整流,改善了风能密度低和不稳定性等弱点,提高了风力发电机工质的品位.通过风洞实验和在中国、日本进行的小型机组实际运行实验,验证了浓缩风能理论的合理性,证明了浓缩风能型风力发电机具有切入风速低、发电量大、噪音低、安全性高、寿命长、度电成本低等特点,论证了浓缩风能型风力发电机向中、大型机组发展的可能性.     

对扩散管边界层进行的喷射和抽吸实验(第五报)——浓缩风能型风力发电机的整体模型风洞实验

浓缩风能型风力发电机是把稀薄的风能浓缩后利用的一种新型风力发电机组。依据大量的风洞实验数据，分析论证了不使用其它动力源，利用浓缩装置前方入口外侧形成的高压和浓缩装置侧面形成的低压，采用高压喷嘴喷出和抽吸孔对浓缩装置内扩散管的边界层进行喷射和抽吸可提高浓缩风能效果，使风力发电机输出功率增大。     

对扩散管边界层进行的喷射和抽吸实验(第五报) 浓缩风能型风力发电机的整体模型风洞实验

浓缩风能型风力发电机是把稀薄的风能浓缩后利用的一种新型风力发电机组。依据大量的风洞实验数据，分析论证了不使用其它动力源，利用浓缩装置前方入口外侧形成的高压和浓缩装置侧面形成的低压，采用高压喷嘴喷出和抽吸孔对浓缩装置内扩散管的边界层进行喷射和抽吸可提高浓缩风能效果，使风力发电机输出功率增大。     

浓缩风能型风力发电机相似模型流场特性试验——车载法试验与分析

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能的目的是为了有效地提高风能品位、单机输出功率和风能资源利用率,降低风电度电成本。200W浓缩风能型风力发电机是由风洞测试后的浓缩风能型风力发电机整体试验模型简化改进的实用机型。采用车载法对200W浓缩风能型风力发电机相似模型的流场进行了测试,运用皮托管和数字压力计测试了各断面特征点的总压、静压,获取了流场流速分布等特性。试验表明：相似模型的中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.31倍,风能增至来流风能的2.25倍。通过相似模型的车载法试验结果分析研究,找出了流场流速分布的规律性。     

200 W浓缩风能型风力发电机的应用及运行效果

浓缩风能型风力发电机是使自然风通过聚能装置把稀薄不稳定的风能浓缩和均匀化之后利用的一种风力发电装置。200 W小型机组已经在中国和日本多个地区应用,当自然风速为10 m/s时,发电机效率为0.603,机组功率达到了208.6 W,风能利用系数为0.52,运行效果良好。与其它国内外优秀机组相比具有风轮直径较小,起动风速低,风能利用系数较高等特点。该机组采用6叶片风轮,高风速时可自动限速,安全性高,应用前景广阔。     

螺旋型垂直轴风力机的气动性能研究及结构参数优化

在H型垂直轴风力机的研究基础上,针对其启动性能较差、风能利用系数低等问题,提出了一种螺旋型垂直轴风轮。首先基于流管模型通过MATLAB编程对其性能开展了粗略分析,然后通过Fluent软件对螺旋型风轮进行了数值模拟,研究了风轮结构参数对其气动性能和启动性能的影响规律,并将优化的螺旋型风轮与同扫掠面积的H型风轮进行了对比。结果表明螺旋型风轮在旋转一周过程中,力矩系数波动幅度不超过40%,且力矩系数均为正值,利于其启动;此外,螺旋型风轮的风能利用系数也较H型风轮高2%~3%,尤其是在叶尖速比较低的情况。该文提出的螺旋型风力机较之H型风力机,在旋转过程中力矩系数变化小,在4 m/s风速即可启动,拓宽了可利用的风能范围,在低风速区域更适用,且整体风能利用系数也能有所提升。     

基于复合MPC算法的风电机组降载控制

随着风电机组单机容量的不断增大,风电机组的关键部件承受的载荷也越来越大,对风电机组可靠性的要求也越来越高,因此,要求风电机组控制策略与技术,既能实现功率优化控制,又能实现降载控制。研究基于模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）理论,设计了一种基于风电机组多控制目标的运行区间划分方法的风电机组复合模型预测控制（Multi Model Predictive Control,Multi MPC）控制器。首先建立基于Matlab和TUV GL bladed的联合实时仿真平台,将MPC控制器与传统PI控制器进行对比分析,并以DUV GL Bladed软件中2 MW双馈式风电机组非线性模型作为研究对象,对Multi MPC控制器、MPC控制器和传统的比例积分微分（Proportional Integral Differential,PID）控制器进行了降载控制仿真分析。研究结果表明,Multi MPC控制器能够减小风电机组转速波动幅度,抑制转速超调量,降低传动链的载荷;能够抑制桨距角的波动幅度和变化速率,降低变桨距机构的运行载荷,提高机组运行可靠性。     

风电机组尾流与疲劳载荷关系分析

为了研究风电机组尾流对下游风电机组载荷的影响,假设了几个重要尾流参数:上下游风电机组间距、上游风电机组推力系数、湍流强度等。采用Bladed软件和Matlab幅频程序,分别对1.5与3.0 MW双馈式风电机组进行各参数与载荷响应的关系计算。结果表明:风轮处风速会随着推力系数的增大非线性减小;风电机组处于尾流影响范围内时,在风速和推力系数相同的条件下,通常湍流强度受尾流影响后减小使载荷增大,但当推力系数对载荷的影响起主导作用时,虽然湍流强度受尾流影响后减小但载荷会增大;当风速大于额定风速时,应采用变桨控制减小推力系数,以减小风电机组的疲劳损伤。     

强湍流相干结构对偏航风力机叶根载荷的影响

强湍流风对偏航状态风力机叶片的动态载荷会产生显著影响,叶片根部载荷的动态特性是影响风力机使用寿命和安全运行的关键因素。该研究采用NWTCUP（The NREL National Wind Technology Center Model）风谱模型耦合KHB（Kelvin-Helmholtz Billow）流动,构建了一种强湍流相干结构风况,利用FAST（Fatigue,Aerodynamics,Structures and Turbulence）程序计算了该风况下NREL 1.5 MW风力机在不同偏航角下的气动载荷,研究了KHB湍流相干结构对偏航状态下风力机叶根动态载荷的影响。研究表明,湍流相干结构会使风力机载荷的波动幅值和能量增加。偏航角的增大对叶根摆振力矩影响较小,但对叶根挥舞力矩影响较大,并使二者波动程度增强。湍流相干结构使叶根摆振力矩的最大值、标准差平均升高28.30%和0.64%,最小值和平均值平均降低27.28%和1.903%,叶根挥舞力矩的最大值、标准差和平均值平均升高36.27%、59.57%和2.906%,最小值平均降低89.83%。叶根载荷的小波分析表明,湍流相干结构对摆振力矩频域能量影响较小,且能量主要集中在低频段并与雷诺应力的u′w′、v′w′分量对应较好;对叶根挥舞力矩频域能量影响显著,且能量变化与雷诺应力的u′w′分量对应较好,随着偏航角的增大,叶根挥舞力矩频域能量整体升高。对叶片根部进行加固则可以有效提升叶片的使用可靠性。     

基于LPV增益调度的风电机组控制验证与仿真分析

随着风力发电机组装机容量的持续增加,风力发电机组出力特性及其优化运行成为行业关注的热点。针对湍流风下风电机组的动态响应特性,提出抑制风湍流的LPV增益调度控制方法。基于2 MW风电机组模型进行控制器设计,分别采用PI控制算法与LPV控制算法进行仿真计算。机组载荷的波动主要集中在风轮旋转频率1 P的倍频上。仿真计算结果表明在不同风速下,机组显示出不同的运行特性。在低风速时,塔影效应的作用较为显著,在高风速时,湍流对载荷的影响较为明显。相比于PI控制,LPV控制能够跟随机组运行状态调整控制参数,能更好的抑制湍流对机组的影响。在16 m/s湍流风下,功率和齿轮箱低速轴转矩在3P分量上分别降低了35.1%和41.8%。因此,在LPV控制下,齿轮箱的疲劳损伤降低了,发电机的功率波动减缓了。能够增加风电机组的预期寿命,对电网也更加友好。     

风波流对多平台阵列浮式风机Spar平台运动特性的影响

平台结构的稳定性是浮式风力机安全运行的最基础保障。为探究浮式风力机平台阵列的动态响应特性,该文提出一种3×3方阵排布的共用系泊系统多平台阵列方案,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,通过辐射/绕射理论并结合有限元方法,分别研究并对比了单个平台和3×3方阵排布的多平台的动态响应特性。结果表明:浮式风力机Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇方向响应均集中于低频波浪(波浪频率低于0.5 rad/s时);3×3方阵排布位于四顶点处的平台存在一定的横荡响应,响应范围约为?0.2~0.2 m,其余平台横荡响应可忽略不计;随着环境载荷的加剧,单平台纵荡响应急剧增大,响应范围由?0.25~0.25 m增大到?1.5~1.5 m,多平台时纵荡响应变化不明显,均保持在?1.5~1.5 m,同时,多平台纵摇响应明显低于单平台,验证了该文所提方案的有效,从而为未来海上风电场的建设提供了理论参考。     

低风速适用型水平轴风力机气动性能优化与试验

为开发低风资源适用型风力机,以100 W水平轴风力机为研究对象,分析不同设计叶尖速比和设计攻角对风轮变风况气动性能的影响;考虑低风速地区风资源数据统计特点,以提高年发电量和降低启动风速为目标,以设计叶尖速比、设计攻角、叶片弦长和扭角为变量,采用NSGA-II算法进行全局多目标气动寻优;开展风力机性能测试试验。结果表明,优化后年发电量提高了9.14%,风轮启动转矩提高了9.62%;在不同负载条件下,优化叶片功率输出均有明显提高,启动风速由3.84 m/s降低到3.03 m/s;该方法避免设计陷入局部优化,提供一种低启动风速与高功率输出矛盾解决方案,为低风速水平轴风力机设计与应用提供重要参考。