周期性脉动源对风力机功率的影响.pdf
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1、周期性脉动源对风力机功率的影响液压气动与密封/2 0 2 4年第2 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.002摘要:针对WindPACT1.5MW机组,通过大涡模拟探究风轮5仰角时周期性脉动源(仰角、塔影效应、偏航、风剪切)对风力机总功率的影响,并结合逆叶素动量理论,进一步分析功率与升力系数之间的联系。结果表明,仰角、塔影效应加仰角与偏航加仰角均使得风力机总功率产生“3P”的波动规律,而风剪切加仰角使得总功率产生“锯齿状”的高频率波动规律,其中偏航是总功率损失的主要因素,塔影效应是功率波动的主要因素,且发现升力系数波动规律与功率单周期内的波动规律相似。关
2、键词:风力机;大涡模拟;周期性脉动源;功率波动;升力系数波动中图分类号:TH138;TK83(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Abstract:Based on the WindPACT1.5 MW unit,the influence of periodic p
3、ulsation sources(elevation angle,tower shadow effect,yaw,windshear)on the total power of wind turbine at 5 elevation angle is explored by large eddy simulation,and the relationship between power and liftcoefficient is further analyzed by combined inverse blade element momentum theory.The results sho
4、w that elevation angle,tower shadow effectplus elevation angle and yaw plus elevation angle all make the total power of wind turbine fluctuate“3p,while the wind shear plus elevationangle makes the total power produce“sawtooth high frequency fluctuation law.among them,yaw is the main factor of total
5、power loss,towershadow effect is the main factor of power fluctuation,and it is found that the fluctuation law of lift coefficient is similar to that in a single cycle.Key words:wind turbine;large eddy simulation;periodic pulsating source;power fluctuation;lift coefficient fluctuation骤降 3,会引起极大的载荷波动
6、,导致疲劳损伤的增0引言加,在风力机设计时需考虑塔影效应的影响 4。偏航风电机组的输出功率极易受到外部环境因素与机会使得风轮平面受力减小,一定程度上降低负载,减小组结构特性的影响,外部环境的变化将可能造成风电扭矩波动,但对功率的损失较大,且偏航角的增大会使机组输出功率的大幅波动,引起配电网的畸形、电压偏得三维旋转效应随之增强 5。随着风力机的大型化,差、以及短路电流增大,使得电力现货市场出现电量的风剪切使得周期性的交变载荷随之增大 6,与塔影效偏差及亏损。机组结构特性考虑仰角与塔影效应,应均对风轮旋转平面风速的影响逐渐加深,使得轮毂外部环境因素考虑偏航与风切变,其中风轮仰角对风风速不足以代表实
7、际风速,导致在调节功率时产生的力机输出功率几乎没有影响,但在单个周期内会增大控制偏差可能会造成功率损耗 7,以及随着风剪切指叶片的气动交变载荷 2。塔影效应使得在全周期内风数的增大,叶片的载荷逐渐增大 8,且风剪切使得风力力机功率产生“3P”的波动,当叶片经过塔架时气动力机功率产生高振幅波动 9,现场测试不容易识别出收稿日期:2 0 2 3-0 3-14“3P波动特性 10,同时轮毂高度处,风剪切使得风轮基金项目:国家自然科学基金(52 16 6 0 14);甘肃省高等学校产左右平面的轴向速度剖面呈不对称性 。业支撑计划项目(2 0 2 2 CYZC-27)综上所述,仰角、塔影效应、偏航、风剪
8、切均展现出作者简介:李银然(198 3-),男,甘肃古浪人,副教授,博士,主要周期性的波动特性。国内外学者对周期性脉动源引起研究方向为风力机空气动力学。的风力机气动力波动已经做了很多研究,但实际运行10李银然,杨博文,赵(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 30 0 50;2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海2 0 0 2 40)文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 0 10-0 5Effect of Periodic Pulsation Source on Wind Turbine PowerLI Yin-ran,YANG Bo-
9、wen,ZHAO Feng,ZHAO Hui-ting,LI Ye?峰,赵慧廷,李晔2Shanghai 200240,China)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024的大型机组,要考虑叶尖撞击塔架的因素,且无法直接式中,一来流与风力机主轴的夹角进行功率波动的光顺,而风力机功率是由3个叶片上1.4厂风切变加仰角对叶片风速的影响气动力组合而成的,叶片上气动力是由各叶素气动力风切变加仰角对叶片上风速的影响 如式(4)叠加而成的,故在风轮带有仰角时,通过大涡模拟探究所示:周期性脉动源(仰角、塔影效应、偏航、风剪切)对风力Z=Z+rcostIcoso机总功率的影响,
10、并结合逆叶素动量理论,进一步分析z=Z-rcost cosol9功率与升力系数间的联系,为光顺风力机功率波动提V,=V.(Z/Z).cost供理论基础。V,=Q.r+V.(Z/Z).sinsing1 理论基础式中,Z叶素距地面高度当风轮有仰角时,需要对来流风速进行速度分解,并在叶片旋转风速上叠加增大与相消减小,与脉动源耦合时作用相互叠加。1.1仰角对叶片风速的影响仰角对叶片上风速的影响 2 如式(1)所示:V,=V costV=Qr+V.sindsing式中,V,一正对风轮平面的来流风速V一来流风速一风轮仰角V一一叶片的旋转风速Q一叶片角速度轮毂中心到叶素的距离叶片旋转角1.2塔影加仰角对叶片
11、风速的影响塔影加仰角对叶片上风速的影响 31如式(2)所示:G=X+r sintT=N?.(rsine-G)/(rsine+G)?V,=V costV,=V.cost (1+T)V,=Qr+Vsindsing式中,G一塔筒中心线到叶片的水平距X一塔架顶部圆心到轮毂中心的水平距离T一塔架影响因子N一T处塔筒半径1.3偏航加仰角对叶片风速的影响偏航加仰角对叶片上风速的影响 5如式(3)所示:V,=V.cost cosyV,=Q r-V sin coso+V cosy sin sino(3)270900270Z一轮毂中心高度风剪切指数1.5升力系数基于大涡模拟结合逆叶素动量理论 12 1与式(1)式
12、(4)得出如图1所示的计算流程图,计算得出风轮有(1)仰角时,周期性脉动源作用下的升力系数。偏航塔影大涡模拟W2=V?+V?P,-PoCpi=PoW22200Cpi+Cpi+1(Xi+1-x)2CnC200+Cpi+1(Vi+1-y.)20 270Ct90 0 270(2)(4)仰角风剪切CVyp=arctan-VCi=Crcosp+CrsinpCa=Cncosp-C:singp图1升力系数C的计算流程图2仿真模型2.1几何模型及计算域以风轮5仰角的WindPACT1.5MW风电机组为研究对象,其叶片旋转方向为逆时针旋转,相关数据如表1所示。11液压气动与密封/2 0 2 4年第2 期表1Wi
13、ndPACT1.5MW风电机组 13参数数值额定功率/MW1.5叶片数3风轮直径 D/m70仰角/())5轮毂高度/m8411.5额定风速/ms-1额定转速/rmin-!仿真的计算域为长方体计算域,由静止域与旋转域两部份组成。由于仅考虑气动力,不考虑尾流,故旋转域的大小为风轮所在处的外接圆柱体,以减少网格数量,其余区域为静止域,其与旋转域通过共形交界面连接保证数据传输平滑,如图2 所示。8进口9.5D图2 仿真计算域仿真计算域网格的具体设置:采用多面体网格生成器,网格的基础尺寸为15m,叶片表面的最大网格尺寸为基础尺寸的5%,相邻网格的增长比为1.1,在叶片近壁层采用棱柱层网格,共计2 0 层
14、,总厚度为8 10-3m,近壁层网格的第一层高度为8 10-m。静止域与旋转域的共形交界面边界网格尺寸为基础尺寸的1%。为了计算的准确性,对叶片表面进行网格细化,沿叶片展向最小网格尺寸为基础尺寸的1%0.3%。仿真计算域网格的总数量大约是6.310 2.2计算域边界条件及流模型仿真计算域的入口采用速度进口,出口采用压力出口,四周长方形壁面采用对称边界,旋转域的转速通过设置给定,并使用滑移网格旋转。选用大涡模拟的湍流模型进行计算,采用不可压缩的、隐式不定常的分离流求解器,时间步长为510-3s。2.3风力机计算模型验证采用大涡模拟的瑞流模型仿真计算5种不同来流风速下WindPACT1.5MW风电
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