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动态入流条件下风电机组偏航控制研究

动态入流条件下风电机组偏航控制研究

作者：常斯语华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

尾流效应是影响风电场发电量的主要因素之一,可能导致20-30%的年发电量损失。通过优化风电机组偏航角来提高风电场整场发电量的方法已被证实可行,具有较好的应用前景,成为当前研究的前沿和热点。然而,大多数研究集中于稳态条件下的偏航... 详细信息

尾流效应是影响风电场发电量的主要因素之一,可能导致20-30%的年发电量损失。通过优化风电机组偏航角来提高风电场整场发电量的方法已被证实可行,具有较好的应用前景,成为当前研究的前沿和热点。然而,大多数研究集中于稳态条件下的偏航控制优化,未考虑湍流入口和流动延迟特性,与风电场实际运行环境偏差较大。本文通过流场时空相关性研究确定风电机组间流动延迟时间,对基于遗传算法的静态偏航控制策略进行改进,建立动态偏航控制策略,并在湍流入流条件下,对动态偏航控制策略进行数值模拟验证。论文主要研究内容和研究成果包括:（1）采用风电场建模工具SOWFA进行中性大气边界层流场和风电机组阵列尾流场大涡模拟计算,获得高精度流场数据,对流场数据进行时空相关性分析研究机组间流动延迟时间的计算方法,发现:1)流场中流向速度时空相关性曲线和相邻上下游风电机组功率时空相关性曲线均具有高斯分布特征;2)时空相关性曲线极值点所对应时间与流场流动时间的相对误差低于5%,时空相关性分析方法完全可以满足机组间流动延迟时间的计算。由此,提出了一种根据时空相关性曲线极值点确定机组间流动延迟时间的方法,可为建立动态偏航控制提供关键输入数据。（2）在风电机组阵列上游较远距离处设置来流风速监测点,将来流速度时间序列分为多个相等的时间段,风电机组在每个时间段内依次偏航动作,偏航角由基于遗传算法的静态偏航优化算法确定,相邻时间段的偏航动作延迟时间由时空相关性曲线确定,由此建立了动态入流条件下的风电机组动态偏航控制策略。（3）对无偏航控制、静态偏航控制和动态偏航控制下的风电机组阵列进行大涡模拟计算,结果表明静态偏航和动态偏航控制下,风电机组阵列总发电量比无偏航控制下分别提高11.5%和12.5%,动态偏航控制的总发电量提升能力比静态偏航控制高约8.7%,这是由于相较于静态偏航控制,动态偏航控制下风电机组尾流区湍流强度更高,机组间尾流发展更为充分,尾流速度可更快恢复至更高水平。本文提出的动态偏航控制策略可为动态入流条件下的风电场偏航运行控制提供重要参考,进一步提升风电场年发电量,且输入数据易于采集,可实施度较高,具有较高的实际工程应用价值。

关键词：动态入流风电机组大涡模拟偏航控制

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动态入流条件下风力机运行控制的数值模拟

浙江大学学报（工学版） 2018年第11期52卷 2128-2135页

作者：袁仁育罗坤汪建文冀文举张立茹王强樊建人浙江大学能源清洁利用国家重点实验室浙江杭州310027 内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部省部共建重点实验室内蒙古呼和浩特010051

在动态入流条件下,采用基于致动线模型的大涡模拟方法对一台1.5 MW的商用风力发电机组的转速、转矩以及输出功率的响应特性进行数值模拟.在对数风廓线模型的基础上,通过引入正弦波动获得动态入流边界条件.对风力机引入比例积分变桨距控... 详细信息

在动态入流条件下,采用基于致动线模型的大涡模拟方法对一台1.5 MW的商用风力发电机组的转速、转矩以及输出功率的响应特性进行数值模拟.在对数风廓线模型的基础上,通过引入正弦波动获得动态入流边界条件.对风力机引入比例积分变桨距控制和转矩控制,实现对动态入流的追踪.研究结果表明,在当前的变桨距控制和转矩控制条件下,风力机的转速、转矩、输出功率能够很好地响应入流风速的变化.在风加速阶段,三者都在额定风速时达到额定值;当入流风速减到额定风速后,变桨距控制以及转速、转矩、功率的下降都存在10 s的延迟;模拟得到的功率曲线与风力机实际功率曲线整体上吻合良好,不过在风速小于9 m/s的区间段还存在着一定的偏差,有待于进一步优化.

关键词：致动线动态入流风力机大涡模拟变桨距控制转矩控制

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柔性风轮的动态入流效应研究

空气动力学学报 2013年第3期31卷 401-406页

作者：陈严沈世马新稳刘雄汕头大学能源研究所广东汕头515063

基于BEM修正模型和Pitt-Peter模型,推导出非定常流下的动态入流模型。利用四阶Runge-Kutta法求解动态入流模型中的一阶微分方程。考虑大型机组柔性叶片工作过程中发生大尺度变形的特点,加入柔性结构变形对动态入流模型的反馈。分别研究... 详细信息

基于BEM修正模型和Pitt-Peter模型,推导出非定常流下的动态入流模型。利用四阶Runge-Kutta法求解动态入流模型中的一阶微分方程。考虑大型机组柔性叶片工作过程中发生大尺度变形的特点,加入柔性结构变形对动态入流模型的反馈。分别研究风力机在风剪、风湍流、偏航、叶片桨距角和风轮转速变化过程中的诱导因子的渐变机理。运用MATLAB进行编程,对某5MW风力机进行动态诱导因子计算,建立起诱导因子的动态描述,得到适合柔性叶片翼型的动态入流模型及分析方法。通过对比几种不同模型的计算结果,验证了加柔性结构反馈的动态入流模型的正确性和实用性。

关键词： BEM模型 Pitt-Peter模型柔性结构反馈动态入流

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动态入流条件下的串列叶栅流场

科学技术与工程 2018年第34期18卷 129-138页

作者：王建明王雨婷明晓杰马阳朱建勇沈阳航空航天大学航空发动机学院辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室沈阳110136

在航空发动机轴流压气机流动通道中,为提高流场品质在高低压转子之间常会引入串列叶栅结构。叶栅上游叶片的转动会引起串列叶栅流场的动态入流(非定常入流)效应。动态入流会造成流场强烈脉动,影响串列叶栅的性能;研究动态入流串列叶栅... 详细信息

在航空发动机轴流压气机流动通道中,为提高流场品质在高低压转子之间常会引入串列叶栅结构。叶栅上游叶片的转动会引起串列叶栅流场的动态入流(非定常入流)效应。动态入流会造成流场强烈脉动,影响串列叶栅的性能;研究动态入流串列叶栅流场的特性具有重要的工程意义。为了研究压气机串列叶栅在动态入流条件下的流场运动特性,选取了三个不同转子频率,运用用户自定义函数(UDF)实现进口马赫数随着时间正弦变化;进行压气机串列叶栅流场的数值模拟。结果表明动态入流下的串列叶栅流场比恒定来流的串列叶栅流场分离现象更加严重,叶栅流场的流通能力降低,入流频率越低流通能力越差。

关键词：压气机串列叶栅非定常流动动态入流

动态入流对叶片气动性能和叶面压力分布影响的数值分析

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可再生能源 2019年第5期37卷 728-735页

作者：马剑龙李学彬吕文春吴雨晴汪建文内蒙古工业大学能源与动力工程学院内蒙古呼和浩特010051 内蒙古机电职业技术学院科技与职教研究中心内蒙古呼和浩特010070

基于稳定风、渐变风、阵风等入流方式,建立了不同变风阶段叶片气动载荷非稳态计算模型,研究了不同风速变化速率对叶片气动性能以及叶面压力分布的影响规律。研究结果表明,在相同风速下,不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响,且风的... 详细信息

基于稳定风、渐变风、阵风等入流方式,建立了不同变风阶段叶片气动载荷非稳态计算模型,研究了不同风速变化速率对叶片气动性能以及叶面压力分布的影响规律。研究结果表明,在相同风速下,不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响,且风的加速度越大,其影响越显著。同风速下的压力面渐变风压力小于稳定入流压力,且两种入流方式的压力差随展向位置逐渐增大,而吸力面上的压力分布差异较小,但压力变化梯度随展向位置却有明显不同。阵风入流中,在相同风速的阵风加速与阵风减速时刻,压力面、吸力面的压力分布差异较大,但其压差随叶片展向位置波动较小;在叶根到叶片展向位置0.7R处,阵风加速出力大于阵风减速;在0.7R处到叶尖位置,阵风减速出力效果相对更好。

关键词：动态入流叶片气动性能压力分布数值分析

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动态入流工况下风力机尾迹声特性分析

动态入流工况下风力机尾迹声特性分析

作者：赵鑫鑫内蒙古工业大学

学位级别：硕士

风力机运行在极其复杂多变的非稳态自然环境中,风况条件作为风机工作环境的关键因素之一,不仅决定着风力机的输出功率而且在一定程度上造成严重的噪声污染问题。噪声污染对附近居民生活和工作环境有较大的影响,因此随着风电场的大规模建... 详细信息

风力机运行在极其复杂多变的非稳态自然环境中,风况条件作为风机工作环境的关键因素之一,不仅决定着风力机的输出功率而且在一定程度上造成严重的噪声污染问题。噪声污染对附近居民生活和工作环境有较大的影响,因此随着风电场的大规模建设,风电机组产生的噪声污染成为人们普遍关注的问题,而对于风机叶片气动噪声的产生机理与降噪方法也随之成为风机叶片优化设计的热点。然而在风力机实际运行中,由于自然界风速的动态变化无法准确预测,并且流场高速监测设备发展的滞后使得实验研究难以展开。因此通过模拟计算方法为分析动态风载下风力机尾迹的气动噪声特性提供一定的参考依据。本文以分布式水平轴风力机为研究对象,根据实验基地自然界风速变化的特点和风力机实际运行条件,拟合出了阵风、渐变风、扰动风三种典型的动态入流函数,通过在模拟计算中自定义UDF实现速度的动态变化并作为入口边界条件,同时建立不同变风工况下的非稳态计算模型,采用Fluent计算平台分析风轮近尾迹区域的流场及声场的发展规律。首先对不同风况下叶片表面的压力脉动进行分析,提取各个监测点处的压力脉动数据,发现各入流工况下时域图均呈周期性的波动特征,加载动态入流后压力脉动峰值具有不同程度的增大趋势,扰动风对其影响最大,叶片中间位置的压力脉动峰值明显高于叶尖和叶根,并且叶片后方压力脉动值大于叶片前方。其次通过研究风轮尾迹声辐射传播特性发现,动态风载施加前后风轮的旋转噪声主要集中在基频及其倍频上,并且在基频位置处噪声值最大。声压级随轴向距离增大呈减小趋势且位于0.5m附近达到最大;不同变风工况在同一轴向位置处声能量沿径向方向表现出先增大后减小的规律,其中扰动风对其影响最大,同时声压级峰值随轴向距离增大在径向方向逐渐向叶尖位置靠近。在以上研究的基础上,进一步分析动态风载下涡量场的变化特征,通过观察不同位置处的涡量曲线走势发现,涡量大致关于尾迹中心呈对称分布,并且涡量峰值位置与上述声压辐射规律相一致,运用涡声理论揭示涡量变化对气动噪声的作用机理。本文通过加载动态入流函数,实现了风速动态变化下风力机气动噪声特征的模拟计算,同时较好的贴合风力机实际工作中的运行特点,对风力机气动噪声传播开展研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。为风力机的降噪处理及叶片结构的优化设计提供了一定的理论依据。

关键词：动态入流叶片压力脉动气动噪声涡量特征

倾转旋翼机在转换飞行时的旋翼尾迹弯曲非定常动态入流模型

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中国科学（E辑） 2009年第12期39卷 1992-2000页

作者：岳海龙夏品奇南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室南京210016

倾转旋翼机在旋翼倾转过程(即转换飞行)中的气动力、动力学响应及气弹耦合问题异常复杂.传统的准定常假设模型已经不能反映旋翼倾转过程中的非定常气动问题,基于涡流理论的CFD方法虽然能够得到较好的结果,但需要耗费大量的计算资源.本... 详细信息

倾转旋翼机在旋翼倾转过程(即转换飞行)中的气动力、动力学响应及气弹耦合问题异常复杂.传统的准定常假设模型已经不能反映旋翼倾转过程中的非定常气动问题,基于涡流理论的CFD方法虽然能够得到较好的结果,但需要耗费大量的计算资源.本文以直升机的Peters-He旋翼动态入流模型为基础,首先建立了倾转旋翼机的旋翼尾迹弯曲动态入流模型,然后结合ONERA非定常气动力模型,建立了一个倾转旋翼机在旋翼倾转过程中的旋翼尾迹弯曲非定常动态入流模型,并用孤立旋翼大机动上仰飞行的实验数据验证了本模型的正确性.采用本文建立的倾转旋翼动态入流模型计算了一个倾转旋翼机模型在旋翼倾转过程中旋翼的动力学响应,响应规律符合物理解释.

关键词：倾转旋翼动态入流尾迹弯曲非定常气动力

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基于动态入流的无人直升机操纵特性研究

航空计算技术 2003年第2期33卷 45-47页

作者：孙文胜海军航空工程学院青岛分院航空机械系山东青岛266041

无人直升机操纵响应特性研究的关键是有准确的旋翼诱导速度模型。本文介绍了确定旋翼非定常入流分布特性的最新方法—旋翼动态入流模型。并以欧拉方程为基础,结合动态入流模型,计算了某型无人直升机的操纵响应特性。

关键词：无人驾驶直升机操纵响应诱导速度动态入流气动力矩

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基于格子玻尔兹曼方法的风力机尾流特性研究

中国电机工程学报 2022年第12期42卷 4352-4362页

作者：薛飞飞许昌黄海琴韩星星 SHEN Wenzhong 王金城河海大学能源与电气学院江苏省南京市211100 中国电建华东勘测设计研究院浙江省杭州市311122 丹麦科技大学风能系 Lyngby-2800Denmark

为研究风力机尾流特性,采用基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)和大涡模拟方法(large eddy simulation,LES),通过壁面自适应局部湍流模型数值模拟New MEXICO(model rotor experiments in controlled conditions)风力机尾流并验证模型。然后研究不同入流湍流强度及动态入流条件下NREL 5MW(National renewable energy laboratory)风力机尾流结构。结果发现:LBM模型准确模拟了实验风力机轴向和径向速度分量及涡量分布,但是叶片中段附着涡耗散偏快;高湍流入流工况下,叶尖涡和叶根涡更早发生破坏;动态入流工况下,风力机尾涡耗散速度随着入流风速增加而变慢,螺旋结构的涡间距增大,尾涡持续距离变长,尾流膨胀效应减弱。入流风速变化10s后稳定,风力机的推力系数保持剧烈波动。

关键词：格子玻尔兹曼方法风力机尾流动态入流湍流涡