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考虑迟延的风电场模型预测尾流优化控制

中国电机工程学报 2023年

作者：魏赏赏许昌阎洁赵振宙华北电力大学新能源学院河海大学能源与电气学院

降低风电场出力波动性有利于促进电网友好运行，而尾流优化控制是降低整场出力波动的重要措施。现有尾流优化控制大都基于稳态模型，却忽略尾流动态迟延特性。但尾流迟延在风速不确定性基础上会进一步增加风电场出力的波动性。为此，本... 详细信息

降低风电场出力波动性有利于促进电网友好运行，而尾流优化控制是降低整场出力波动的重要措施。现有尾流优化控制大都基于稳态模型，却忽略尾流动态迟延特性。但尾流迟延在风速不确定性基础上会进一步增加风电场出力的波动性。为此，本文基于稳态尾流模型辅以迟延计算，构建了风电场准稳态尾流模型以同时兼顾尾流干涉作用与动态迟延特性。在此基础上提出一种考虑迟延的模型预测平稳控制方法（MPC-D），以指令跟踪与功率波动最小为目标协调各机组出力。最后在WFSim上构建含33台机组的风电场仿真模型，并基于此分析了尾流迟延对风电机组以及整场运行性能影响。结果表明，所建准稳态尾流模型能同时模拟尾流速度损失、机组功率迟延和整场功率阶梯变化等特性。并且MPC-D所得整场出力较基于稳态模型的控制方法平均相对误差、均方根误差以及滑动均方根误差均得到改善，同时能防止机组桨距角频繁动作。

关键词：风电场尾流控制模型预测尾流迟延

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错列布局风电场尾流演变实验研究

中国电机工程学报 2023年第4期43卷 1463-1470页

作者：郑一丹刘惠文郑源赵振宙袁凌河海大学能源与电气学院江苏省南京市211100 国家能源集团联合动力技术有限公司北京市东城区100039

在规模化风电场中,多机组尾流相互干扰对机组能量转换、区域大气边界层结构有着显著的影响。为研究湍流来流条件下错列布局风电场尾流演变统计特性,在边界层型风洞中,错列布置6排15台水平轴风力机阵列,利用热线风速仪对尾流场进行高频... 详细信息

在规模化风电场中,多机组尾流相互干扰对机组能量转换、区域大气边界层结构有着显著的影响。为研究湍流来流条件下错列布局风电场尾流演变统计特性,在边界层型风洞中,错列布置6排15台水平轴风力机阵列,利用热线风速仪对尾流场进行高频率数据采集。结果表明:相比串列布局,错列布局能够显著提高尾流主流向速度恢复水平,具有提高输出功率的潜力;同时,降低风电场内部流动相关性,风力机迎风面的湍流积分尺度变小;风电场采用紧凑布局时,需要考虑上游两侧风力机后方的局部高湍流强度区对下游风力机叶尖载荷的影响。基于速度谱分析,进一步量化在流场能量输运过程中,各尺度涡旋运动对尾流湍动能贡献度的变化,在近尾流区,流场受到风力机旋转的显著影响,而在远尾流场,低频、大尺度的尾流蜿蜒成为主导。

关键词：风电场尾流湍流风洞湍流积分尺度功率谱密度

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尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

太阳能学报 2023年第1期44卷 196-202页

作者：陈明赵振宙孟令玉冯俊鑫江瑞芳河海大学能源与电气学院南京211100 南通河海大学海洋与近海工程研究院南通226000

以PhaseⅥ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,... 详细信息

以PhaseⅥ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明:旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。

关键词：风力机涡脱落计算流体动力学叶片尾随涡气动特性

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大粗糙度弦向分布对风力机气动性能影响

太阳能学报 2022年第5期43卷 359-365页

作者：孟令玉赵振宙吴昊王同光郑源许波峰河海大学能源与电气学院南京211100 南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室南京210016

针对5 mm大尺度蚊虫尸体在叶片上的附积问题,采用带转捩的k-ωSST湍流模型,以NERL Phase VI风力机为研究对象,从不同弦向覆盖位置入手,对大粗糙度下风力机气动性能进行数值模拟。研究结果表明,粗糙度对风力机整体做功具有较大影响,粗糙... 详细信息

针对5 mm大尺度蚊虫尸体在叶片上的附积问题,采用带转捩的k-ωSST湍流模型,以NERL Phase VI风力机为研究对象,从不同弦向覆盖位置入手,对大粗糙度下风力机气动性能进行数值模拟。研究结果表明,粗糙度对风力机整体做功具有较大影响,粗糙度越大效率降低越显著;粗糙度使在叶片靠近叶尖位置的吸力面促成小型低压涡,转捩提前;该效应在大尺度粗糙条件下表现明显,附着涡强度也更大;在叶片压力面添加75%c粗糙度会使翼型产生的气动损失最大。

关键词：风力机粗糙度数值模拟气动性能

基于多自由度运动条件下风力机动力学特性研究

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太阳能学报 2023年第7期44卷 303-310页

作者：张步恩余烈杨磊赵振宙刘惠文郑源水电水利规划设计总院北京100120 可再生能源发电工程质量监督站北京100120 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司长沙410014 河海大学能源与电气学院南京210024

该文提出耦合无规则、多自由度旋转运动的风力机试验方案,通过物理模型试验,研究风电场阵列布置、不同风力机轴向间距工况下,各排风力机来流速度、功率及其波动特性。结合功率时间尺度积分的概念,探究其与风力机平均输出功率的关系,并... 详细信息

该文提出耦合无规则、多自由度旋转运动的风力机试验方案,通过物理模型试验,研究风电场阵列布置、不同风力机轴向间距工况下,各排风力机来流速度、功率及其波动特性。结合功率时间尺度积分的概念,探究其与风力机平均输出功率的关系,并建立预测功率波动特征的数学模型。研究结果表明:风力机的来流速度有大尺度、低频率和小尺度、高频率的信号特征,从功率时间尺度积分的趋势可看出,处于下游的风力机,功率波动逐渐增加。由功率能谱特性曲线可知功率波动的能量随着频率的增大而衰减,在低频率段衰减曲线近似f-2的变化规律;在高频率段,能谱特性曲线近似f-5/3-2的变化规律。

关键词：风力机风电场动力学特性模型平均输出功率功率波动

大型下风向柔性叶片参数化建模及两目标优化设计

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太阳能学报 2023年第3期44卷 147-154页

作者：许波峰李振朱紫璇蔡新王同光赵振宙河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心南京210098 河海大学江苏省风电机组结构工程研究中心南京210098 南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室南京210007

为了应对超大型风力机的发展对叶片带来的挑战,利用叶片多目标设计方法重点研究大型下风向柔性叶片气动与结构参数的优化设计。构建叶片弦长、扭角和挥舞刚度参数模型,以下风向布局的NREL 5 MW风力机叶片为优化对象,基于快速非支配排序... 详细信息

为了应对超大型风力机的发展对叶片带来的挑战,利用叶片多目标设计方法重点研究大型下风向柔性叶片气动与结构参数的优化设计。构建叶片弦长、扭角和挥舞刚度参数模型,以下风向布局的NREL 5 MW风力机叶片为优化对象,基于快速非支配排序遗传算法开展单机年发电量最大和叶根挥舞弯矩最小的两目标下风向叶片优化设计,得到符合预期的Pareto最优解集。取解集中3套具有代表性的最优解进行分析,由于下风向离心力矩可抵消一部分挥舞弯矩,所以叶根挥舞弯矩均有大幅降低,其中A叶片以牺牲0.963%年发电量的代价,使其叶根挥舞弯矩和叶片挥舞刚度分别减小7.951%和27.071%,可实现大型下风向柔性风轮的轻量化优化设计。以选取的3套叶片为基础,分析弦长、扭角、挥舞刚度对优化目标的影响机制,发现叶片挥舞刚度参数对两优化目标的影响最大。

关键词：风力机叶片优化设计遗传算法参数化建模下风向

涡流发生器形状对DU91-W2-250翼型动态失速的影响机理分析

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太阳能学报 2022年第12期43卷 368-374页

作者：冯俊鑫赵振宙刘惠文孟令玉陈明江瑞芳河海大学能源与电气学院南京211100 南通河海大学海洋与近海工程研究院南通226019

以DU91-W2-250翼段为研究对象,分析不同形状涡流发生器(VGs)对动态失速的影响规律。结果表明:改变VGs形状参数对增升效果影响较大,对减阻效果影响较小,矩形VGs增升减阻效果更佳。从作用机理看,影响流动控制的主要是VGs流向涡涡流强度。... 详细信息

以DU91-W2-250翼段为研究对象,分析不同形状涡流发生器(VGs)对动态失速的影响规律。结果表明:改变VGs形状参数对增升效果影响较大,对减阻效果影响较小,矩形VGs增升减阻效果更佳。从作用机理看,影响流动控制的主要是VGs流向涡涡流强度。矩形VGs气动性能提升效果明显最佳。矩形VGs流向涡在x/c=0.30~0.50范围内边界层内外流动掺混剧烈,抑制流动分离效果更佳。

关键词：风力机流动控制气动性能涡流发生器 DU91-W2-250 动态失速形状参数

振荡参数对涡流发生器抑制风力机翼型动态失速影响研究

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机械工程学报 2023年第2期59卷 251-258页

作者：冯俊鑫赵振宙江瑞芳孟令玉陈明许波峰河海大学能源与电气学院南京211100 南通河海大学海洋与近海工程研究院南通226000

动态失速对风力机叶片气动特性具有重要影响,涡流发生器(Vortex generators, VGs)是目前风力机领域应用最为广泛的流动控制技术,对动态分离具有一定的抑制作用。为探索VGs对风力机翼型动态失速的抑制作用,采用SSTk-ω湍流模型,研究振幅... 详细信息

动态失速对风力机叶片气动特性具有重要影响,涡流发生器(Vortex generators, VGs)是目前风力机领域应用最为广泛的流动控制技术,对动态分离具有一定的抑制作用。为探索VGs对风力机翼型动态失速的抑制作用,采用SSTk-ω湍流模型,研究振幅Δα、折合频率k对加VGs的DU91-W2-250翼段动态失速特性的影响。结果表明:振幅增大,动态失速迟滞效应增强,失速角延后,最大升力系数增加,下俯阶段的升力系数减小,平均升力系数降低。折合频率较大时,阻力系数迟滞效应增强,上仰阶段阻力增大,下俯阶段阻力减小,平均升阻力系数随折合频率增大先增大后减小;折合频率越大的工况,流场动态响应明显,加VGs翼段失速严重。与光滑翼段相比较,VGs延迟动态失速效果与振幅成正比,与折合频率成负相关。

关键词：涡流发生器 DU91-W2-250 动态失速振幅折合频率

涡流发生器弦向位置对翼型动态失速的影响机理

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太阳能学报 2022年第11期43卷 253-258页

作者：江瑞芳赵振宙王同光孟令玉陈明冯俊鑫河海大学能源与电气学院南京211100 南通河海大学海洋与近海工程研究院南通226019 南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室南京210016

采用k-ωSST湍流模型,研究加三角翼涡流发生器(VGs)的DU91-W2-250翼段的动态失速过程,从升阻力系数、表面压力系数、流场、VGs脱落涡发展过程等方面,分析VGs弦向位置(x/c)对动态失速抑制作用的影响规律。结果表明x/c对翼型动态失速过程... 详细信息

采用k-ωSST湍流模型,研究加三角翼涡流发生器(VGs)的DU91-W2-250翼段的动态失速过程,从升阻力系数、表面压力系数、流场、VGs脱落涡发展过程等方面,分析VGs弦向位置(x/c)对动态失速抑制作用的影响规律。结果表明x/c对翼型动态失速过程中的增升效果影响较大,VGs增大了翼型的失速攻角。升阻力及压力结果显示,x/c=0.25时增升效果最佳,翼段上表面压力系数Cp较大;x/c=0.20~0.25时尾缘附着流动较好;从涡量峰值变化看,x/c过大、过小时对分离涡的抑制作用有所减弱;从VGs脱落涡的变化看,x/c=0.20~0.25时VGs下游脱落涡强相对较大,旋涡耗散速度较慢。总而言之,VGs在x/c=0.20~0.25时对翼段气动性能提升效果最佳。

关键词：流动控制数值模拟风力机动态失速涡流发生器 k-ωSST湍流模型