【摘要】：运行经验表明，风力发电机叶片覆冰会破坏叶片气动特性，从而导致机组出力下降。因此，预测风力发电机叶片覆冰与研究覆冰对机组出力的影响，对电网的安全稳定运行具有重要的实用价值和理论意义。本文研究了现有叶片覆冰计算方法存在的问题，在此基础上，针对叶片空气流场计算、过冷水滴局部撞击系数计算、液态水局部冻结系数计算方法和覆冰密度等方面进行改进，并研究了覆冰对机组出力的影响。具体工作如下： （1）叶片不同部位翼型空气流场的巨大差异，对叶片表面的覆冰分布情况具有显著影响。三维叶片空气流场计算虽然能得到叶片不同部位的空气流场，但存在计算时间长，存储空间大等不足，，严重影响了叶片覆冰预测的可行性。本文在二维翼型空气流场计算模型的基础上，引入相对速度，使用该模型计算了叶片不同部位翼型的空气流场，从而得到了叶片不同部位空气流场数据。既保证了计算精度，又大大减小了计算时间。 （2）过冷水滴局部撞击系数是叶片覆冰预测的重要参数。目前，拉格朗日法是计算过冷水滴局部撞击系数的主要方法，但由于该方法过冷水滴轨迹与空气流场计算采用的坐标系不同，导致计算过程繁杂，效率较低。本文基于直角坐标系下空气流场计算结果，在直角坐标系下建立了过冷水滴运动轨迹微分方程，避免拉格朗日法过冷水滴局部撞击系数计算过程中的坐标转换，实现了过冷水滴局部撞击系数计算。在保证计算效果的基础上，提高了计算效率。 （3）覆冰表面液态水冻结系数对叶片覆冰类型起决定性作用。本文针对Messinger覆冰模型在液态水冻结过程中，没考虑气流剪切力与水膜流动等因素对局部冻结系数的影响。根据覆冰表面的水膜受力平衡，建立覆冰表面水膜流动模型对Messinger覆冰模型进行改进，并使用该改进模型，研究了气象因素对覆冰表面液态水的局部冻结系数的影响。 （4）在覆冰表面液态水局部冻结系数确定的前提下，覆冰密度决定了覆冰形态。针对目前国内覆冰计算时都将覆冰密度设为固定值，没有考虑气象因素对覆冰形态的影响。本文引入Macklin覆冰密度经验公式，采用时序模拟推进法，实现了叶片覆冰的自动预测。 （5）针对大气相对湿度不能作为叶片覆冰预测计算参数。本文根据风电场采集的现场云雾滴谱和实时监测的风速、温度等参数，实现了叶片不同部位覆冰预测。并利用风电场叶片实际覆冰情况和人工气候室内叶片翼型覆冰试验，验证本文叶片覆冰预测计算方法的有效性和准确性。 （6）叶片覆冰是导致机组出力下降的主要原因。针对目前无法预测覆冰期风力发电机机组的出力情况，基于风力发电机空气动力学理论，建立三维覆冰叶片空气流场计算模型，首次提出从气动特性方面，研究覆冰对机组出力的影响，并验证了该模型的准确性，为预测覆冰期风力发电机机组出力提供了一种有效手段。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【参考文献】
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本文编号：
2358311
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