基于SCADA数据的风电机组关键载荷预测

风电机组关键位置载荷预测对风电机组安全、经济运行具有重要意义。通过建立SCADA数据与载荷间的近似关系对风电机组关键位置载荷进行预测。采用BP神经网络建立SCADA数据和载荷的关系模型,利用SCADA数据与载荷间的相关性来筛选模型输入参量,采用试错法确定BP神经网络的层数与神经元数量。针对某2.5 MW风电机组的7处关键位置进行了载荷实测。研究表明,在不采用风速作为输入参量的情况下,模型的预测结果与实测结果具有良好的一致性,相对误差的均值在1.28%到15.6%之间,决定系数R2在0.951到0.882之间;与试错法选择输入参量相比,基于相关性计算的输入参量选择方法能够更高效地筛选出更多恰当的SCADA参量,从而进一步提高预测准确度。因此,基于BP神经网络建立SCADA数据与载荷的近似关系可作为风电机组关键位置载荷预测评估的有效手段。     

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。     

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。     

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114.83%。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剪应力分量（u′w′、v′w′）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剪应力分量（u′w′）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,MultiMPC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。     

风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性

大气湍流是风力机非定常特性的主要诱因,该研究基于CDRFG（consistent discretizing random flow generation）方法生成湍流入口边界,采用大涡模拟（large eddy simulation, LES）研究风力机翼型气动力非定常特性对湍流的敏感性。结果表明：翼型前缘区域对湍流来流较为敏感,而中部及尾缘区域几乎不受湍流的影响。攻角分别为2°、8°和14°时,吸力面从前缘点到约0.5、0.3和0.1倍弦长位置处表面压力的标准差较均匀来流时幅值增大,表明小攻角时翼型吸力面上压力脉动受湍流影响的区域较大。来流湍流强度分别为9.3%、6.5%和4.8%时,2°攻角下翼型升力系数的标准差是其均匀来流时的6.36、5.42和4.90倍;8°攻角下是其均匀来流时的3.95、3.33和3.02倍;14°攻角下是其均匀来流时的1.78、1.63和1.40倍;表明小攻角时湍流引起的升力系数脉动特性较大攻角时更加显著。翼型前缘点脉动压力的功率谱曲线与湍流来流速度的功率谱曲线在整个频域区间趋势一致,表明前缘点压力的脉动特性主要取决于湍流来流的脉动特性,沿翼型弦向逐渐往后,吸力面上的压力脉动只在低频区域对湍流来流有响应,而高频处的压力脉动取决于自身的流动特性。研究结果可为降低机组功率波动和非定常载荷提供参考。     

低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

为分析低空急流对风力机械结构载荷的影响,该研究采用谐波叠加法对低空急流谱模型进行计算以生成大气入流,并基于叶素动量理论和几何精确梁方法对一台高度为270 m的15 MW风力机进行载荷分析。结果表明,低空急流在风力机高度范围内的速度剖面呈现射流和强剪切的耦合特征;低空急流最大可使风轮功率增大约40%,风轮俯仰力矩增大50%,风轮偏航力矩增大1.5倍,塔基偏航力矩的波动强度增加60%;同时,还会造成风轮偏航和俯仰力矩功率谱特性呈双阶梯型分布特征;当急流高度低于轮毂高度时,风力机俯仰力矩促使风轮向下倾斜,会增加风力机叶片打塔风险。因此,在低空急流多发地区安装风力机等高耸结构物时,应充分考虑低空急流对风力机结构载荷特性的影响。研究可为风力机在内的大尺寸高耸结构物的载荷安全性分析提供参考。     

载荷和胎压对轮胎包容特性的影响

以弹性滚子接触模型为基础,通过不同载荷与不同胎压下的有效路形仿真,从理论上分析了轮胎载荷和胎压对轮胎包容特性的影响。     

不同土壤前期含水量对土壤分离临界水动力学特性及其抗剪强度的影响

通过实测不同土壤前期含水量(5%~23%)和坡度(1°~10°)条件下黄壤坡面土壤分离临界水动力参数,并结合不同土壤含水量(3%~23%)对土壤抗剪强度的影响,综合分析及探讨不同土壤前期含水量、坡度和土壤抗剪强度与临界水动力特性的关系。结果表明:临界流量与不同土壤前期含水量和坡度呈幂函数减小关系,并提出一种能够体现土壤前期含水量和坡度共同作用对临界水动力参数影响的预测方程。在坡度小于5°时,土壤前期含水量对临界水动力学参数影响较小,可直接采用简化的幂函数关系进行计算。土壤黏聚力随土壤含水量的增加先出现峰值后逐渐减小至稳定;与土壤黏聚力的变化趋势不同,土壤分离临界水动力参数则逐渐减小。     

三种土壤改良剂对风沙土抗剪强度的影响

为探明不同土壤改良剂对风沙土力学特征的影响,采用羧甲基纤维素钠、磷石膏及生物炭三种改良剂添加到风沙土中,进行棉花盆栽实验,通过直剪法测定改良前后的土壤内聚力和内摩擦角,分析了两种土壤含水量条件下不同土壤改良剂添加风沙土的抗剪强度。结果表明:(1)无论含水量高低,经三种改良处理的风沙土内聚力均显著大于对照,三者大小关系呈羧甲基纤维素钠磷石膏生物炭,表明施用羧甲基纤维素钠对风沙土抗剪强度改良效果最佳;与对照相比,改良剂处理对内摩擦角影响未达到显著程度(P0.05)。(2)随土壤改良剂添加量的增加,土壤内聚力亦增大,且拟合效果较好,但内摩擦角变化不明显。(3)在同一添加量情况下,低水处理的风沙土内聚力和内摩擦角均大于高水处理,但处理间差异不显著(P0.05)。(4)土壤改良剂及含水量主要通过增大内聚力来提高土壤抗剪强度,但各因素间交互作用均对内聚力无显著影响。     

多种载荷作用下H型垂直轴风力机叶片的结构优化

为改善时变载荷下H型垂直轴风力机叶片的结构性能,通过FSI映射准确、实时地提取气动力并进行多种荷载耦合作用时的多目标结构优化设计。分别应用解析法和有限元法求解构件弯曲变形的应力分量与强度比,比较计算结果验证有限元分析过程的正确性。将坐标旋转变换和缩放横纵坐标系数相结合进行NACA0021翼型尾缘改型,并使翼型中弧线位于风轮圆周上,获得有弯度的尖尾缘翼型NACA0021SC。利用APDL语言建立新翼型叶片的参数化模型,采用FLUENT软件计算其表面实时压力分布,基于FSI映射方法获得气动力。以叶片的质量最小同时层合板强度比最大为设计目标,利用惯性权重余弦自适应和学习因子动态调整改进粒子群算法,进行重力、离心力、气动力共同作用下叶片结构的多目标优化。结果表明:单叶片在各方位角下优化后,质量分别减小13.70%,11.85%,8.09%和9.60%,最大位移、最大应力、最大应变和强度比倒数的最大降幅为9.34%、20.71%、23.77%、9.38%;风轮优化后,质量、最大位移、最大应力、最大应变和强度比倒数最大值减小7.51%、1.90%、8.50%、20.20%和16.11%。研究结论可为风力机叶片在考虑时变载荷影响下的结构优化设计提供指导。     

浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性及试验

为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置的流动规律,该文以浓缩装置为研究对象,进行了流场特性的理论分析、数值计算和试验研究.流体流过浓缩装置,靠壁面流体首先被加速,在中间截面前0.22 m截面超过中心轴流速,之后随轴向距离加大,逐渐形成中间流速大于边缘流速的流场;中央圆筒具有以中心轴为圆心的径向流速梯度,来流风速10.74 m/s时,中间截面径向流速梯度达2.35/s;近壁面形成薄薄的边界层,出现在距中央圆筒壁面50 mm附近,在中间截面前0.11 m截面和中间截面后0.07 m截面出现波峰,波谷出现在中间截面后0.02 m处.试验结果表明,数值计算结果与试验结果相符.研究结果可为完善浓缩装置和叶片的设计提供参考.     

基于本征正交分解的水平轴风力机非定常尾迹特性分析

风力机的尾流效应对下游风力机的气动性能和疲劳载荷均有重要影响。为了研究叶尖速比对水平轴风力机非定常尾迹特性的影响,该研究在中性大气条件下采用基于致动线模型的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法对不同叶尖速比下运行的风力机进行了数值模拟,并采用本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法对风力机尾迹结构进行了分析。结果表明,叶尖速比对风力机下游12D（D为风轮直径）范围内速度分布有显著影响,随着流向距离的增加,叶尖速比的影响逐渐减弱;风轮尾迹中2D处的速度亏损最大,在下游28.5D附近速度完全恢复;叶尖速比对风力机尾迹湍流强度有很大影响,叶尖速比为2时尾流湍流强度最弱,而叶尖速比为3时尾流湍流强度最大,说明该叶尖速比下尾流与大气边界层掺混作用剧烈,有利于尾迹速度恢复;叶尖速比对风力机尾迹结构的尺度和含能大小有显著影响,叶尖速比为3时尾迹中的大尺度结构及其含能占比最高,随着POD模态阶数的增加,尾流结构尺度和含能逐渐减小;风力机尾迹结构由反向旋转的高、低速涡对组成,其垂向尺度可达到整个边界层厚度,而风力机风能吸收利用效率主要体现在尾迹展向湍涡结构的尺度。该研究可为深入理解叶尖速比对风力机尾迹平均统计特征及结构演化的影响提供依据,为风力机优化设计和运行策略制定提供帮助。     

风力机运行对稀相颗粒输运特性的影响

风力机的运行环境复杂多样,海上盐雾、雨滴、沙尘等（体积分数小于10-6）的稀相颗粒流场是当前海、陆风力机经常面临的工作环境,然而风力机运行对稀相颗粒输运特性的影响尚不明晰。该研究采用风洞试验的方法,研究风力机对稀相颗粒输运特性的影响规律。该试验中,风为载流体,沙粒作为惯性颗粒,分别测量了0～100、>100～200、>200～300 μm粒径沙尘在距离风轮平面后1d、2d、3d、5d、8d（d代表风轮直径）处的输沙通量分布。研究发现,三组粒径条件下在1d断面位置处风力机的输沙通量随高度增加出现3次先增大后减小的变化,风力机运行改变了沙尘的输运特性,叶尖高度处出现沙尘聚集现象,叶根高度处的输沙通量则被削弱;通过对比三组粒径条件下风力机的阻沙量发现,叶尖位置>100～200 μm粒径下风力机的阻沙量最多,0～100 μm粒径下风力机的阻沙量次之,>200～300 μm粒径下风力机的阻沙量最少,体现了叶尖涡对不同粒径沙尘颗粒的选择性聚集;对比不同断面位置风力机的输沙通量发现,随着输运距离的增加,风力机尾流逐渐恢复,输沙通量也逐渐减小;总体来看,风力机的存在阻碍了沙尘的输运,且对>100～200 μm粒径的颗粒阻碍作用最大。该试验结果揭示风力机对风沙输运特性的影响特征并对海上盐雾颗粒输运研究具有借鉴意义。