湍流風(fēng)場(chǎng)模擬與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷特性研究.pdf

1、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處的外部環(huán)境復(fù)雜多變，建立合理且正確的湍流風(fēng)場(chǎng)模型、空氣動(dòng)力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，不但能準(zhǔn)確獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性，同時(shí)也是其設(shè)計(jì)的前提條件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片在風(fēng)場(chǎng)中做周期性的運(yùn)動(dòng)，使得湍流風(fēng)場(chǎng)的建模和氣動(dòng)載荷的計(jì)算需要考慮風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，而旋轉(zhuǎn)湍流風(fēng)速激勵(lì)下機(jī)組的隨機(jī)載荷脈動(dòng)和響應(yīng)需要在頻域范圍內(nèi)進(jìn)行分析。復(fù)雜外部環(huán)境條件和各種影響因素下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和載荷特性的研究對(duì)改善風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

2、，優(yōu)化控制策略，保證機(jī)組安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本課題在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目“風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站集群控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)(No.2011AA05A104)”的資助下，完成了以下研究工作。
　　(1)建立了三維湍流風(fēng)場(chǎng)模型，詳細(xì)推導(dǎo)了改進(jìn)的VonKarman譜，歸納了影響三維湍流風(fēng)場(chǎng)的塔影效應(yīng)和尾流效應(yīng)的計(jì)算模型。介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉素動(dòng)量理論，并分析了葉素動(dòng)量理論的不足。為了考慮風(fēng)輪空氣動(dòng)力的三維效應(yīng)，引入了葉尖

3、輪轂損失修正、推力系數(shù)修正、攻角修正和風(fēng)切變速度修正?？偨Y(jié)了現(xiàn)有的幾種結(jié)構(gòu)建模方法，對(duì)比了三種結(jié)構(gòu)建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　(2)推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)Fourier自譜和互譜準(zhǔn)確的解析表達(dá)式，分析了旋轉(zhuǎn)Fourier譜的物理本質(zhì)，旋轉(zhuǎn)Fourier譜為無(wú)數(shù)個(gè)源譜經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍平移再乘以相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)的疊加，其中加權(quán)系數(shù)為平移之后旋轉(zhuǎn)頻率的n階模態(tài)即相干函數(shù)的Fourier展開(kāi)系數(shù)。旋轉(zhuǎn)Fourier自譜本身既包含幅頻特性，也包含相頻特性

4、。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)主要通過(guò)相干函數(shù)和時(shí)滯參數(shù)體現(xiàn)出來(lái)，相干函數(shù)體現(xiàn)幅值譜的變化，時(shí)滯參數(shù)體現(xiàn)相位變化。相干函數(shù)的選取對(duì)旋轉(zhuǎn)Fourier譜的分布具有重要的影響。對(duì)傳統(tǒng)的Davenport指數(shù)相干函數(shù)進(jìn)行修正可以消除旋轉(zhuǎn)Fourier譜在旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍頻處出現(xiàn)的跌落。風(fēng)切變改變了平均風(fēng)速在垂直平面上的分布，從而改變了源譜譜值的大小和旋轉(zhuǎn)采樣點(diǎn)的選取。
　　(3)基于譜表示方法分別模擬了塔架和風(fēng)輪葉片上不同點(diǎn)的湍流風(fēng)速時(shí)程，提出了引入

5、相位延遲因子的湍流風(fēng)譜譜表示方法。對(duì)比了多時(shí)間尺度的旋轉(zhuǎn)采樣點(diǎn)和靜止采樣點(diǎn)模擬得到的風(fēng)速時(shí)程。旋轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)葉片上計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程脈動(dòng)頻率明顯要高于靜止葉片上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程。計(jì)算譜與目標(biāo)譜變化規(guī)律具有高度的一致性，結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)Fourier譜和引入相位延遲因子的譜表示方法能夠準(zhǔn)確有效地模擬旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪葉片上的風(fēng)速時(shí)程。
　　(4)在頻域里推導(dǎo)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在湍流風(fēng)作用下的動(dòng)態(tài)載荷譜，指出了載荷譜旋轉(zhuǎn)模態(tài)與感應(yīng)系數(shù)和旋轉(zhuǎn)Fouri

6、er譜各階模態(tài)的相關(guān)關(guān)系。得到了其揮舞運(yùn)動(dòng)的幅頻譜和旋轉(zhuǎn)葉片的載荷譜以及考慮葉片揮舞運(yùn)動(dòng)的單葉片、雙葉片和三葉片風(fēng)輪的載荷譜。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨隨機(jī)高斯湍流風(fēng)輸入的響應(yīng)為線性系統(tǒng)時(shí)，頻譜分析可以獲得系統(tǒng)的各種統(tǒng)計(jì)特性。通過(guò)彎矩功率譜可以預(yù)估疲勞載荷，通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法則可以預(yù)估機(jī)組的疲勞壽命。
　　(5)計(jì)算分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在各種外部環(huán)境條件和機(jī)組狀態(tài)下的極限載荷和疲勞載荷以及重要工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和疲勞載荷特性。機(jī)組正常發(fā)電時(shí)，葉尖位移