基于自由渦方法的控制過(guò)程中風(fēng)輪氣動(dòng)特性研究.pdf

1、低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)和海上風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)的需求，促進(jìn)了風(fēng)力機(jī)向大型化和智能化方向發(fā)展，并對(duì)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)制造水平提出了更高的要求。風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)輪氣動(dòng)載荷不僅受到剪切風(fēng)、偏航風(fēng)、湍流與陣風(fēng)的作用，而且與控制系統(tǒng)變槳變速調(diào)節(jié)相互影響。風(fēng)輪氣動(dòng)特性不僅與葉片及塔架疲勞載荷緊密聯(lián)系，而且與機(jī)組控制策略和發(fā)電性能直接相關(guān)。因此，研究風(fēng)輪在控制過(guò)程中的氣動(dòng)特性，對(duì)于認(rèn)識(shí)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷變化規(guī)律，優(yōu)化風(fēng)力機(jī)控制策略，提高機(jī)組設(shè)計(jì)水平具有重要的意義。為此，基于自由

2、渦方法建立了模擬風(fēng)輪非定常氣動(dòng)特性和渦尾跡運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬方法。并且建立了風(fēng)輪非定常氣動(dòng)載荷模型與機(jī)組動(dòng)力學(xué)模型和發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)模型耦合的計(jì)算方法。不僅研究了風(fēng)輪處于剪切風(fēng)、偏航風(fēng)條件下的非定常氣動(dòng)載荷，而且研究了風(fēng)輪在控制條件下，處于變槳、偏航、電網(wǎng)電壓跌落和風(fēng)速變化過(guò)程中的非定常氣動(dòng)、氣彈特性。
　　為了準(zhǔn)確模擬風(fēng)輪的非定常氣動(dòng)特性，分別基于Hess-Smith面元法、Weissinger-L升力面方法和非線(xiàn)性升力線(xiàn)方法建

3、立了風(fēng)輪氣動(dòng)力計(jì)算方法，并對(duì)不同方法進(jìn)行了比較和分析。為了改進(jìn)升力線(xiàn)計(jì)算的收斂性，提出了一種基于Newton-Raphson方法的升力線(xiàn)環(huán)量迭代算法。為了有效模擬風(fēng)輪渦尾跡的運(yùn)動(dòng)特性，建立了基于時(shí)間步進(jìn)法的自由渦尾跡計(jì)算方法，提出了一種由自由渦面和葉尖渦線(xiàn)構(gòu)成的混合渦尾跡模型，顯著提高了自由渦尾跡的計(jì)算效率。
　　在風(fēng)輪穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，研究了剪切風(fēng)、偏航風(fēng)和兩者合作用對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，偏航剪切風(fēng)條件下，風(fēng)輪正偏航角會(huì)

4、減小風(fēng)剪切造成的葉根揮舞力矩波動(dòng);風(fēng)輪負(fù)偏航角會(huì)進(jìn)一步增大葉根揮舞力矩的波動(dòng)。研究了葉片槳矩角偏差對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，槳矩角偏差顯著增加了風(fēng)輪俯仰力矩和偏航力矩的波動(dòng)，不同葉片槳矩角偏差量的差值決定了風(fēng)輪俯仰和偏航力矩的波幅。
　　在風(fēng)輪動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中，研究了風(fēng)輪變槳、偏航、電網(wǎng)電壓跌落和風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)、氣彈特性的影響，并且研究了風(fēng)輪氣動(dòng)力變化與變槳、變速調(diào)節(jié)之間的相互作用。
　　首先，給定了風(fēng)輪槳矩角和偏航

5、角變化時(shí)序，研究了變槳和偏航過(guò)程中風(fēng)輪氣動(dòng)力的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)輪變槳過(guò)程中渦尾跡的運(yùn)動(dòng)以及尾渦環(huán)量強(qiáng)度的滯后變化是造成葉片氣動(dòng)力過(guò)度變化的主要原因;風(fēng)輪偏航過(guò)程中的氣動(dòng)力，不僅受到偏航風(fēng)的影響還受到偏航運(yùn)動(dòng)引起的相對(duì)速度變化的作用。
　　然后，建立了基于自由渦方法的氣動(dòng)載荷模型與MATLAB/ Simulink平臺(tái)的發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)模型耦合計(jì)算的方法，研究了電網(wǎng)電壓跌落對(duì)控制條件下風(fēng)輪氣動(dòng)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)電壓極短時(shí)

6、間的跌落會(huì)引起風(fēng)輪氣動(dòng)力較大幅度、較長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。葉片推力和葉根揮舞力矩在電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中波幅較大，葉根擺振力矩波幅較小。
　　最后，建立了基于自由渦方法的氣動(dòng)載荷模型與風(fēng)力機(jī)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FAST耦合計(jì)算的方法，研究了陣風(fēng)和極端風(fēng)切變過(guò)程中，風(fēng)輪氣動(dòng)、氣彈特性與機(jī)組變槳、變速控制之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，陣風(fēng)和極端風(fēng)切變過(guò)程中，由于風(fēng)力機(jī)變槳調(diào)節(jié)的滯后，可能出現(xiàn)槳矩角調(diào)節(jié)目標(biāo)與風(fēng)速變化過(guò)程相反的情況，從而進(jìn)一步增加風(fēng)輪及葉片氣