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风力机组尾迹控制策略研究

动力工程学报 2017年第7期37卷 584-589,596页

作者：王渊博李春缪维跑丁勤卫郝文星上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 上海市动力工程多相流与传热重点实验室上海200093

为减小风力机尾迹的影响,以实现风场总功率最大化及风力机组气动性能全局协调控制的目标,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,基于致动线模型,利用开源CFD软件OpenFOAM对9种风力机组偏航控制及9种风场错列布置进行数值模拟,... 详细信息

为减小风力机尾迹的影响,以实现风场总功率最大化及风力机组气动性能全局协调控制的目标,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,基于致动线模型,利用开源CFD软件OpenFOAM对9种风力机组偏航控制及9种风场错列布置进行数值模拟,比较这18种方案的风场总功率,并结合流场参数分析不同尾迹控制策略影响风场下游风力机的流动机理.结果表明:尾迹对下游风力机气动性能影响严重;2种尾迹控制方法均可实现全风场优化,其中各偏航控制下,风场总功率最大可提高35.3%,风场错列布置时最大可提高68.5%.

关键词：风力机组尾迹偏航错列 OpenFOAM 致动线模型

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风力机组尾流模型适用性评价

南方能源建设 2024年第1期11卷 42-53页

作者：李胜葛文澎吴嘉诚曲春明孙睿明阳智慧能源集团股份公司广东中山528437

[目的]风力机组的尾流效应是风电场能量损失的重要因素,研究机组尾流有利于优化机组排布,提升风电场的经济性。[方法]分别对8种常见尾流模型的尾流风速衰减、湍流强度预测情况进行对比研究。为确保评估的合理性,基于风场测量数据及风洞... 详细信息

[目的]风力机组的尾流效应是风电场能量损失的重要因素,研究机组尾流有利于优化机组排布,提升风电场的经济性。[方法]分别对8种常见尾流模型的尾流风速衰减、湍流强度预测情况进行对比研究。为确保评估的合理性,基于风场测量数据及风洞实验数据进行定量分析,对比数据范围限定于风机下游距离3倍到10倍风轮直径。[结果]分析结果表明:对于尾流风速预估,二维模型较一维模型与实际尾流风速分布结构更契合,其中Jensen-Guass有着更好的尾流宽度预测,而2D-k-Jensen尾流中心风速预测精度更高且多工况适应性更强,最大平均偏差及偏差标准差分别为8.7%、5.5%,均适用于机组尾流风速预估。一维模型中的Jensen模型尾流中心风速预估能力虽最好,部分工况平均偏差低于10%,但Park模型在尾流风速水平分布预测上表现更佳,案例2中预测性能与二维模型相当,各工况平均偏差均低于10%,较前者更适合尾流速度预测。对于湍流强度的预测,Ishihara模型在湍流结构的预测展现出明显优势,平均偏差均低于10%,但尾流中心处湍流强度预测结果较差,不利于下游机组位置处湍流强度的预测,其余模型中Frandsen、Jensen-Guass在低环境湍流强度工况的预测相对较好,但高环境湍流强度下两者存在相反趋势,Frandsen模型预测精度更高,适合机组湍流强度预估,而Jensen-Guass的预估结果远大于实验值,预测结果较不稳定。高上游风速下各模型尾流风速预估精度均有较大的提升,环境湍流强度的提高对模型尾流风速和湍流强度预估精度有一定的促进作用,Jensen-Guass模型除外。[结论]Jensen-Guass和2D-k-Jensen模型尾流风速预测值与实测数据吻合较好,Frandsen模型湍流强度预测性能更佳,可作为海上风场机位排布优化及尾流控制分析的参考尾流模型。

关键词：风力机组尾流模型风速衰减湍流强度实测数据对比研究

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大型失速型风力机组的建模与仿真

太阳能学报 1997年第1期18卷 13-21页

作者：肖劲松倪维斗姜桐清华大学大型电站设备安全控制与仿真国家重点实验室汕头大学能源与环境科学研究所

建立了大型失速型风力发电机组在标称状况下的非线性数学模型，将其线性化后，在不同风速下进行了不同输入（风速ｖ和电网电压Ｕ１变化）条件下的开环仿真。

关键词：失速型风力机组建模仿真

风力机组气动载荷特性研究与变桨控制系统设计

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风力机组气动载荷特性研究与变桨控制系统设计

作者：程明杰兰州理工大学

学位级别：硕士

目前风力发电是新型能源与可持续发展能源战略目标的重要组成部分,但是风能能量密度较低,随机性大等特点严重影响风电机组的安全运行,此外,参数的外部干扰、不确定性和非线性因素也会对变桨控制系统的稳定性产生不利影响。先进的控制技... 详细信息

目前风力发电是新型能源与可持续发展能源战略目标的重要组成部分,但是风能能量密度较低,随机性大等特点严重影响风电机组的安全运行,此外,参数的外部干扰、不确定性和非线性因素也会对变桨控制系统的稳定性产生不利影响。先进的控制技术是风力发电机安全可靠的前提,因此从风力机域流动及气动载荷特性出发,研究先进变桨距控制策略及设计一种有效抗干扰的风力机组变桨控制系统具有重要意义。首先本文总结了风力发电变桨控制技术研究现状以及控制技术所面临的问题,对S809翼型风力机组叶片、轮毂、永磁直驱电机、机舱及塔架等零部件分别建模,及组装风力机风轮整体模型,构建了风力机组周围风场,进行网格划分,并进行了网格无关系检查,阐述了风力机数值模拟以及边界设置方法。其次对数值计算方法、风能理论、风力机空气动力学、变桨控制系统在风力机方面应用进行详细的论述总结,发现变桨距角操作有益于捕获能量,当风速大于额定风速时,控制功率可以通过调整桨距角实现。分析了风力机叶片表面速度和风力机周围风场流动特性,叶片扰流特性,叶片径向各断面受力、叶片翼型升力、轴向力和切向力等气动载荷特性,结果表明在轮毂与风轮叶尖位置有较大的湍流动能强度,轮毅中心高度位置的湍流强度约为0.09076,上叶尖高度位置对应的湍流强度约为0.09744,整个风机平面湍流强度沿径向呈现非对称分布规律。在翼型顶部受伯努利效应影响造成局部低压区,风轮推力矩在不同频率下峰值有所区别,其功率谱随频率的增加而降低,最大峰值位置为叶片通过频率的整数倍,风轮气动载荷的功率谱峰值与风轮以及的叶片的通过周期有关,开展了叶片扰流特性,叶片径向各断面受力、叶片翼型升力、轴向力和切向力等气动载荷特性相关研究。最后介绍了风力机组变桨控制系统的组成,分析了大型风力发电机组变桨距控制系统组成,推导出了风力发电机组各个模块的数学模型,包括风速模型、叶轮模型、传动链模型、发电机模型和变桨控制系统模型,设置相关参数,在matlab仿真计算软件中Simlink搭建了仿真模型,分析各个仿真结果,得到的数据完全符合实际风电机组的要求,以发电机功率控制为目标,通过常规的PID控制和模糊PID控制,仿真结果显示,模糊PID控制功率的波动性较小,优于常规的PID,从而,为设计风电机组变桨距控制系统实际的实验提供了可靠的理论依据。基于研究风力机组与气动载荷特性之间关系,设计了变桨控制系统软件,搭建了1kW风力机组变桨控制试验台,测试结果表明该变桨控制系统软件具有很高的可靠性。

关键词：风力机组流动特性气动载荷变桨控制系统数值分析

风力机组齿轮箱传动系统的动力学计算与齿轮故障特征分析

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风力机组齿轮箱传动系统的动力学计算与齿轮故障特征分析

作者：冯保华天津工业大学

学位级别：硕士

为了研究齿轮故障对传动系统的影响以及复合故障时振动信号的特征,对风力机齿轮传动系统进行实验信号的采集与分析。针对行星齿轮传动系统振动信号的不稳定性、故障特征信号难以提取等特点,分别建立了多刚体动力学模型和刚柔耦合的动力... 详细信息

为了研究齿轮故障对传动系统的影响以及复合故障时振动信号的特征,对风力机齿轮传动系统进行实验信号的采集与分析。针对行星齿轮传动系统振动信号的不稳定性、故障特征信号难以提取等特点,分别建立了多刚体动力学模型和刚柔耦合的动力学模型,研究了齿轮故障时振动信号的特征以及对传动系统的影响。首先从理论对齿轮的主要故障振动信号的时域和频域进行了分析,并介绍了齿轮故障特征频率的计算方法。建立了风力机齿轮传动系统的有限元模型,分析了其低阶固有频率和相对应的振型,掌握了齿轮传动系统有可能发生的共振频率范围以及相应的振动方式。在故障诊断时对提取加速度信号的测点布置提供了指导作用。实验信号中,在定轴高速主动轮单一故障时中速级啮合频率及其2倍频附近的频带幅值较高,复合故障时在中速级啮合频率2倍频附近出现了幅值较高的频带且其倍频高于基本啮合频率,在低频区中行星轮的故障特征复杂,无法辨别。因此,通过ADAMS建立了风机齿轮传动系统的多刚体动力学模型,利用模拟信号做定性分析,得出定轴高速主动轮故障对各测点影响明显且频域分布特征基本一致,表现为在高速级啮合频率、中速级啮合频率及2倍频附近有较强的频带。复合故障时,行星轮断齿仅对故障源附近影响明显,即行星轮啮合频率及其2、3倍频幅值明显,且以啮合频率及其倍频为中心存在明显边频,其故障对传动系统的其他位置影响微弱。针对实验信号中速级啮合频率2倍频幅值高于其基本啮合频率,通过ADAMS与ANSYS联合建立了风机传动系统的刚柔耦合的动力学模型,分析了中速级啮合频率幅值增强的原因以及行星轮故障引起的频域特征。分别研究了行星轮断齿、定轴高速主动轮裂纹-行星轮断齿复合故障的振动信号特征,得出行星轮断齿对中速级齿轮啮合产生了影响,造成中速级啮合频率的二倍频幅值增强;行星轮啮合频率的幅值明显增强且其倍频的幅值明显高其啮合频率;复合故障时,定轴高速齿轮故障造成了中速级啮合频率2倍频附近的频带幅值增强。

关键词：风力机组加速度 ADAMS 故障影响刚柔耦合角加速度

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变速恒频风力机组变桨距控制系统

农业机械学报 2004年第4期35卷 110-114页

作者：林勇刚李伟叶杭冶邱敏秀金波刘湘琪浙江大学流体传动及控制国家重点实验室浙江机电设计院风电研究所

在风力机空气动力学特性分析的基础上 ,讨论了变速恒频风力机组变桨距机构在低于额定风速阶段和高于额定风速阶段的不同控制策略。将模型与控制方法相结合的数字仿真表明 ,控制曲线与预期要求一致。具体设计了变桨距机构液压控制方案和... 详细信息

在风力机空气动力学特性分析的基础上 ,讨论了变速恒频风力机组变桨距机构在低于额定风速阶段和高于额定风速阶段的不同控制策略。将模型与控制方法相结合的数字仿真表明 ,控制曲线与预期要求一致。具体设计了变桨距机构液压控制方案和电机控制方案 ,并提出了高油压冗余式电液比例变桨距机构的设计思路。

关键词：变速恒频技术风力机组变桨距控制系统数字仿真

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风速特性与风力机组动态特性的仿真与分析

机械设计 2011年第6期28卷 84-87,91页

作者：秦录芳孙涛徐州工程学院机电工程学院江苏徐州221008

对风剪、塔影和尾流对风速的影响进行研究,建立了风力机数学模型。对某风场中的风速进行仿真分析,结果表明风速相对于原先的风速明显减小,从而使得风力机的输出功率明显比自然风速下的功率要小。对风轮的输出功率和电机的输出功率、风... 详细信息

对风剪、塔影和尾流对风速的影响进行研究,建立了风力机数学模型。对某风场中的风速进行仿真分析,结果表明风速相对于原先的风速明显减小,从而使得风力机的输出功率明显比自然风速下的功率要小。对风轮的输出功率和电机的输出功率、风能利用系数和叶尖速比进行了仿真分析,结果表明:在该风场中,所选风力机的输出功率在额定功率以下,风能利用系数和叶尖速比变化范围较小,风力机没有达到合理使用。

关键词：风速特性风力机组动态特性仿真

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兆瓦级风力机组载荷计算与整机动力学分析

兆瓦级风力机组载荷计算与整机动力学分析

作者：周玉俊新疆大学

学位级别：硕士

风机常年工作在自然环境中,承受着不同风力条件的作用,机组运行状况十分复杂;风机的叶片和塔架部件都是柔性体结构,它们的柔性变形将会极大影响风力机组的动态特性。因此为了保证风力机组能够高效平稳的运行,研究风机在不同工况下的动... 详细信息

风机常年工作在自然环境中,承受着不同风力条件的作用,机组运行状况十分复杂;风机的叶片和塔架部件都是柔性体结构,它们的柔性变形将会极大影响风力机组的动态特性。因此为了保证风力机组能够高效平稳的运行,研究风机在不同工况下的动力学特性是非常必要的。本文围绕风力机组的动力学问题展开了研究,具体工作内容如下:1)基于风力机组IEC2005设计认证规范,利用BLADED软件求解了风机在不同设计载荷工况下的时域历程动载荷。重点探讨了DLC1.1工况极限载荷外推计算方法,采用极大似然法求得了期望的载荷外推极值。并且结合DLC6和DLC7工况的载荷计算结果求得了风力机组叶片、轮毂和塔架部件关键位置的极限载荷。2)选取某5MW风力机组钢-混凝土组合塔架为研究对象,采用有限元法建立了塔架的力学分析模型,分析了塔架的刚度和静强度特性。选用Block lanczos法计算了塔架的前六阶固有频率和模态振型。以不同风况作用下风机轮毂动载荷为塔架激励载荷,采用模态叠加法计算得到了塔架的位移动响应,探索了不同动载激励下风力机组的振动特性。选取某兆瓦级风力机组齿轮箱为研究对象,构建了风机传动系统的多刚体动力学分析模型,基于不同扭矩输入条件进行动态模拟仿真,分析了齿轮传动系统的动力学特性。3)选取某兆瓦级风力机组为研究对象,基于设计的机组运动拓扑结构在多体动力学分析软件SIMPACK中构建了风机整机的刚柔耦合多体动力学分析模型。模态分析计算得到了整机前六阶固有频率及其模态振型,分析可知机组在关键转速区间不会共振。与气动力计算软件AeroDyn和控制求解器通过交互接口实现联合仿真,求得了14m/s风速三种不同工况下风机叶片与塔架的位移、加速度动响应以及三坐标方向的叶尖挠度,分析了风机关键部件的时域历程变化规律,探索了风机整机的动力学特性。本文围绕风力发电机的动力学问题展开了研究工作,从动力学分析的输入条件载荷计算入手,先后研究了风机的塔架和齿轮箱的结构力学特性、风机整机的多体动力学模型构建与动力学特性,探讨了不同输入条件下风力机组动力学变化规律,为风力机组的设计与动力学分析提供了理论参考。

关键词：风力机组载荷计算钢-混凝土塔架多体动力学传动系统

基于ANSYS的风力机组发电机轴承故障热分析

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基于ANSYS的风力机组发电机轴承故障热分析

作者：郭艳伸新疆大学

学位级别：硕士

环境污染问题和传统能源的逐渐枯竭极大促进了清洁能源的发展,其中风力发电机组装机容量也逐年迅速增长,单机容量不断增大,当然不断快速发展的同时问题也逐渐凸显出来。风力机组大多处于野外,轮毂高度很大,要经常经受风速突变、沙尘、... 详细信息

环境污染问题和传统能源的逐渐枯竭极大促进了清洁能源的发展,其中风力发电机组装机容量也逐年迅速增长,单机容量不断增大,当然不断快速发展的同时问题也逐渐凸显出来。风力机组大多处于野外,轮毂高度很大,要经常经受风速突变、沙尘、冰雪、高温、低温等等各种恶劣天气的冲击,因此时常发生故障,而风力机组分布分散,主要部件高度较高且较笨重,这就造成维修困难、维修成本高、维修耗时长的问题,所以需要对机组进行科学的分析,进行实时状态监测,掌握机组健康状态和运行情况,消除健康隐患,做到早发现早维护,减少机组故障率,降低机组运维费用,提高机组运行可靠性。.本文对首先分析风力机组结构、传热问题以及有限元理论。以风力机组发电机轴承为研究对象分析它的摩擦生热、散热以及边界条件的合理简化,接着利用ANSYS软件对轴承进行了建模,划分网格并分析网格质量。然后分析稳态运行和风速突变两种工况下的热负荷,结合前面分析的边界条件对轴承进行加载求解,得出了两种工况下的温度场云图、热流密度云图等等热力学量的解析解。通过对这些结果的分析得出了一些有用的结论。最后分析轴承不同的故障类型,研究故障时的发热情况,对轴承加载故障时的热负荷,求解出故障状态下的一些热力学量,对结果进行横向纵向分析。对风力机组轴承实时监控测量和优化设计有一定作用。

关键词：风力机组热分析有限元轴承故障分析