论文部分内容阅读
近年来，随着我国山地风电资源的相继开发，风电机组覆冰问题日益突出。风力发电机叶片覆冰会改变原有气动外形，影响叶片气动性能，降低机组发电效率。目前，针对覆冰影响叶片气动性能及机组出力的问题，国内外研究大多以理论分析和二维翼型数值仿真为主，较少开展覆冰环境中风力机的现场试验。因此，从仿真和试验相结合的角度进行覆冰条件下风力机功率特性的研究，对覆冰地区风电场发电量预测和风力机性能评估，具有重要的理论意义和工程价值。 本文利用重庆大学雪峰山自然覆冰试验基地300kW风电设备，结合数值仿真和试验研究，系统分析了叶片覆冰对风力机功率特性的影响规律，提出了适用于工程的覆冰条件下风力机输出功率计算模型。论文的具体工作及成果如下: ①基于图像法原理，提出了叶片前缘覆冰厚度的测量方法，分析了自然环境风力机叶片覆冰分布特性。结果表明，覆冰主要集中在叶片迎风面前缘，前缘覆冰厚度从叶根处到叶尖处呈近似线性增长。风速和相对湿度越大，叶片覆冰越严重，随着环境温度和风速的增加，覆冰不均匀度变大。 ②基于风速修正后的风速区间方法(BIN)，提出了覆冰环境风力机功率特性的测试方法，对不同覆冰条件下风力机功率特性统计分析。研究表明，本文研究范围内，当叶片展向95％截面前缘覆冰厚度为48mm、86mm和112mm时，机组最大功率分别降低了56.9％、90.0％和98.5％，转速最大降幅分别为20.5％、38.6％和61.4％，最大风能利用系数分别降低了38.1％、51.5％和95.6％。覆冰降低了实际运行最佳叶尖速比，导致机组运行偏移了原有风轮和发电机的匹配工作点，传统的控制策略不能很好地适应于覆冰地区风电机组的运行。 ③基于计算流体力学方法(CFD)，采用多参考坐标系(MRF)、剪切压力传输(SST)k-ω湍流模型和嵌套网格技术，建立了覆冰风力机三维流场的数值仿真模型。在模型中，提出了翼型覆冰的参数化表征方法，研究了不同覆冰形状、覆冰程度及覆冰分布对风力机功率特性的影响规律。结果表明，该模型计算结果与试验结果最大误差不超过13.7％。叶片展向99％截面覆冰程度为10％的流线冰和角状冰导致额定风速下输出功率分别降低61.5％和76.7％。随着覆冰程度的增加，角状冰带来更多功率损失。越靠近叶尖的覆冰对机组出力影响越大，叶尖处冰层脱落对机组发电性能提升效果明显，在叶片融冰设计上应该优先考虑。 ④根据三维数值仿真结果，从气动特性上分析了覆冰降低机组出力的作用机理。研究表明，覆冰促进了翼型边界层流动分离，减小了前缘侧迎风面与背风面的压力差，造成升力系数降低，阻力系数增加，显著降低叶片展向约60％～90％部位的气动载荷。在大风速下，覆冰叶片更容易运行在失速区。当覆冰变严重时，叶片表面二维流场特征减弱，气体流动分离变大，切向力降低，法向力增加。 ⑤考虑工程实用价值，首次将CFD方法和改进的动量叶素理论(BEM)相结合，建立了覆冰条件下风力机输出功率简化计算模型。在模型中，基于弦长修正后的维特纳方程(Vitema)，提出了全攻角范围内覆冰翼型升阻力系数的计算方法;考虑风轮倾角、方位角、锥角及偏航角的影响，修正了BEM中叶片相对风速及攻角的计算公式。通过对比试验结果，该模型最大计算误差不超过17.3％。 ⑥根据建立的覆冰条件下风力机输出功率简化计算模型，研究了主要因素对覆冰前后风力机输出功率及推力的影响规律。结果表明，覆冰前产生最大输出功率及推力时的风轮倾角、偏航角及锥角约为0°，覆冰后对应偏航角及锥角发生偏移。覆冰导致单支叶片承受的周期性法向载荷波动变大，加剧了叶片振动。覆冰对叶片最佳桨距角改变不明显，保持0°左右。提升转速能够有效改善覆冰后机组的发电性能，但要考虑转速上升后主轴承受额外扭矩的能力。