定桨距风力发电机在桨叶深失速区运行研究

定桨距风力发电机结构简单、成本较低,在恒速运行时主要依靠失速性能来调节输出功率.为了进一步提高该型风力发电机的输出功率,需要研究其在叶片深失速区内变速运行,实现在低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制,从而具有与变桨距变速风力发电机相媲美的功率特性.本文采用鲁棒PID控制器设计转速控制系统,其动态响应特性符合设计要求.实验结果表明,定桨距变速风力发电机能够在设计风速范围内稳定运行,其变速控制系统具有良好的动态响应特性,依靠变速控制系统能够实现低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制.     

考虑平稳风修正和塔架干扰的风力机叶片3-D风场模拟

为准确模拟风力机纵向、横向和垂直向的3-D随机风场,以南京航空航天大学自主研发的NH1500风力机为例,首先采用考虑沿高度变化的指数模型、塔影效应影响的潜流模型和上游风机尾流影响的涡流粘度模型对平稳风进行修正。然后基于空间变化的改进Von Karman风谱模型,结合谐波叠加法模拟风力机的来流脉动风速时程,再利用改进的叶素-动量理论获得考虑叶片旋转效应和塔架-叶片相干效应的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。该方法充分考虑风力机风场模拟的外界干扰因素和自身特性,提高了风力机系统风场模拟的准确度。算例分析表明,本文方法可以准确地模拟给定风环境的风力机系统3-D风场。     

利用自然低温的旋转叶片结冰风洞试验系统设计

为开展风力机旋转叶片结冰风洞试验研究,设计了一种利用寒冷地区自然低温环境的具有可变截面试验段的结冰风洞试验系统。该系统在原有常规结冰风洞的基础上改进了试验段,设置了喷雾区与非喷雾区,风力机叶片实验台可设置在非喷雾区内,而旋转叶片在转至喷雾区时进行结冰测试。为测试该系统的各项参数以及研究系统的可行性,对该试验系统的3个主要环境变量:试验段速度分布、温度分布和液态水含量分布进行了测试和标定。在此基础上,进行了绕轴旋转圆柱和叶片段的结冰试验,对2个系统下的无因次结冰面积及结冰形状进行了对比分析。结果显示该系统各项参数稳定,利用2个系统得到的结冰形状相似度高,结冰面积一致性较好,表明该系统可用于进行旋转机械结冰风洞试验研究。     

台风过境全过程大型风力机风荷载特性

台风结构的复杂性导致当处于不同台风生命周期时风力机的风荷载特性差异巨大,目前针对风力机台风过境全过程风荷载的研究尚属空白。本文在总结国内外台风实测研究成果的基础上,提出了一种针对风力机的台风过境全过程风场模拟方法。以美国可再生能源实验室5MW风力机为例,系统研究了台风过境全过程大型水平轴风力机的风荷载分布特性。结果表明,本文搭建的风力机台风过境全过程风场模拟方法可有效重现台风过境时风力机的全过程风荷载特征。台风眼壁干扰阶段的风力显著大于其它台风过境阶段,需要注意的是,台风眼过后的后眼壁阶段的台风影响仍然十分显著,叶片和塔架的弯矩极值分别达到前眼壁阶段的92.83%和93.97%。此外,研究发现台风外围干扰阶段(前后)和台风眼影响阶段的塔筒底部以纵向弯矩为主,而眼壁干扰阶段存在横风向弯矩占据主导地位的情况,大型风力机抗台风设计的关注点应与正常停机工况区别对待。本文研究结论可为进一步研究大型风力机抗强台风设计提供数据输入和参考依据。     

利用自然低温的风力机结冰风洞实验系统设计

为研究风力机叶片的结冰特性与防除冰方法,设计了一种简便、低成本的结冰风洞实验系统。利用北方冬季的自然低温条件,将常规的开口射流风洞加以改造,安装水雾喷射系统和结冰测试段以提供结冰环境条件。在冬季进行了结冰验证实验,对结冰风洞的3个主要参数:温度稳定性、液态水含量和过冷水滴平均直径进行了测试和标定。结果表明,在环境温度相对稳定的冬季时间段内,主要指标可在一定程度上满足风力机结冰实验要求。     

水平轴风力机主动尾流控制综述

对于大型风电场而言,由尾流干扰引起的产能损失最高可达30%～40%。主动尾流控制（AWC）技术通过上游风力机的偏航来诱导尾流侧向偏转,以减弱对后排风力机的尾流干扰、增加风电场的总产能,应用前景极其广阔。本文从无偏航风力机尾流模型、偏航风力机尾流模型、多风力机尾流叠加方法和风电场产能优化四个角度,综述了AWC技术在过去近20年的研究进展,并对该技术走向工程应用中所亟需解决的问题进行了展望。整体来看,该项技术已经基本成熟。研究人员从最初的理论、仿真和风洞实验研究,走向了实际风电场的效果验证。在理论预测层面,高斯尾流亏损模型、基于旋涡诱导横向速度的一次和二次尾流偏转模型、具备动量守恒特性的尾流叠加方法正在成为风电场产能预测的标配。实际工程应用层面,风力机间距、排数、湍流度、大气边界层热稳定性、风向和风速变化均会影响AWC所带来的产能收益;典型条件下,应用AWC技术后,全尾流干扰风向上的风电场产能可提高约5%～15%,各个风向平均后的年均收益约为1%～3%。     

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素,通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应,但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性,基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型,以NREL 5MW风力机为研究对象,在额定风速条件下,研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上,对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明：风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大,同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小,并加快速度亏损恢复,降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果,使得尾流抬升,作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著,而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。     

不同涡脱落模式下垂直轴风力机叶片的气动响应

为研究尾流中不同涡脱落模式下垂直轴风力机(vertical-axis wind turbine,VAWT)叶片的气动响应,基于攻角变化相似性,进行了叶片正弦俯仰振动的比拟实验。研究发现：在弦长雷诺数O(10⁵)范围内,尾流存在3种涡型结构：前缘离散涡(leading-edge vortex,LEV)、蜿蜒尾流(undulating wake,UW)和反卡门涡街(reverse von Kármán vortex street,Rv KVS);随着叶尖速比λ增大,VAWT叶片缩减频率k增大,攻角幅值α m减小;叶轮叶片几何尺度比R/c较小时,在低λ产生LEV涡型的可能性较小,在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较大;R/c较大时,在低λ产生LEV涡型的可能性较大,在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较小。LEV涡型导致轻动态失速,造成VAWT叶片发生高频俯仰振动,但对叶轮转矩和VAWT功率影响不大。Rv KVS涡型的出现,伴随叶片升力和转矩幅值增大以及平均推力的产生,会使VAWT叶片扭矩载荷增大,也会使叶轮转矩和输出功率提升。据此提出基于VAWT的新式风墙构型,在继承N...