基于自由涡方法的控制过程中风轮气动特性研究

发布时间：2020-07-23 20:40

【摘要】：低风速风场和海上风场开发的需求,促进了风力机向大型化和智能化方向发展,并对风力机设计制造水平提出了更高的要求。风力机实际运行过程中,风轮气动载荷不仅受到剪切风、偏航风、湍流与阵风的作用,而且与控制系统变桨变速调节相互影响。风轮气动特性不仅与叶片及塔架疲劳载荷紧密联系,而且与机组控制策略和发电性能直接相关。因此,研究风轮在控制过程中的气动特性,对于认识风轮气动载荷变化规律,优化风力机控制策略,提高机组设计水平具有重要的意义。为此,基于自由涡方法建立了模拟风轮非定常气动特性和涡尾迹运动特性的数值模拟方法。并且建立了风轮非定常气动载荷模型与机组动力学模型和发电机及控制系统模型耦合的计算方法。不仅研究了风轮处于剪切风、偏航风条件下的非定常气动载荷,而且研究了风轮在控制条件下,处于变桨、偏航、电网电压跌落和风速变化过程中的非定常气动、气弹特性。为了准确模拟风轮的非定常气动特性,分别基于Hess-Smith面元法、Weissinger-L升力面方法和非线性升力线方法建立了风轮气动力计算方法,并对不同方法进行了比较和分析。为了改进升力线计算的收敛性,提出了一种基于Newton-Raphson方法的升力线环量迭代算法。为了有效模拟风轮涡尾迹的运动特性,建立了基于时间步进法的自由涡尾迹计算方法,提出了一种由自由涡面和叶尖涡线构成的混合涡尾迹模型,显著提高了自由涡尾迹的计算效率。在风轮稳态运行条件下,研究了剪切风、偏航风和两者合作用对风轮气动特性的影响。研究发现,偏航剪切风条件下,风轮正偏航角会减小风剪切造成的叶根挥舞力矩波动；风轮负偏航角会进一步增大叶根挥舞力矩的波动。研究了叶片桨矩角偏差对风轮气动特性的影响。研究发现,桨矩角偏差显著增加了风轮俯仰力矩和偏航力矩的波动,不同叶片桨矩角偏差量的差值决定了风轮俯仰和偏航力矩的波幅。在风轮动态控制过程中,研究了风轮变桨、偏航、电网电压跌落和风速变化对风轮气动、气弹特性的影响,并且研究了风轮气动力变化与变桨、变速调节之间的相互作用。首先,给定了风轮桨矩角和偏航角变化时序,研究了变桨和偏航过程中风轮气动力的变化规律。研究发现,风轮变桨过程中涡尾迹的运动以及尾涡环量强度的滞后变化是造成叶片气动力过度变化的主要原因；风轮偏航过程中的气动力,不仅受到偏航风的影响还受到偏航运动引起的相对速度变化的作用。然后,建立了基于自由涡方法的气动载荷模型与MATLAB/Simulink平台的发电机及控制系统模型耦合计算的方法,研究了电网电压跌落对控制条件下风轮气动特性的影响。研究发现,电网电压极短时间的跌落会引起风轮气动力较大幅度、较长时间的波动。叶片推力和叶根挥舞力矩在电网电压跌落过程中波幅较大,叶根摆振力矩波幅较小。最后,建立了基于自由涡方法的气动载荷模型与风力机动力学模拟软件FAST耦合计算的方法,研究了阵风和极端风切变过程中,风轮气动、气弹特性与机组变桨、变速控制之间的相互作用。研究发现,阵风和极端风切变过程中,由于风力机变桨调节的滞后,可能出现桨矩角调节目标与风速变化过程相反的情况,从而进一步增加风轮及叶片气动载荷极值,并导致叶片和塔架较大变形。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK83

【参考文献】