一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，步骤如下：步骤S1，构造风力机叶片的全局弦长分布模型；步骤S2，构造风力机叶片的全局扭角分布模型；步骤S3，构造控制变量X；步骤S4，构造叶片弦长C、叶片弯矩M和风轮对塔筒的推力T的约束条件；S5，构造目标函数F(X)；S6，构造含有若干个粒子的粒子群，并对各粒子群进行迭代优化处理，得到最优叶片外形。本发明专利技术使用贝塞尔曲线表征叶片，实现叶片气动外形的全局参数化表达；在选取最优叶片时，叶片年发电量的计算充分考虑不同风速情况下实际发电量，优化设计中同时实现了叶片外形和主机运行特性的设计，可实现设计叶片与目标主机的最佳匹配，提高叶片在低风速区域的气动性能，避免叶片早期失速的发生。

Coupling optimization method for aerodynamic shape of wind turbine blade and host operating characteristic

The invention discloses a shape with the host operating characteristics of coupling optimization method of wind turbine blade aerodynamic comprises the following steps: step S1, global distribution model of wind turbine blade chord structure; step S2, the angular distribution model of global torsional structure of wind turbine blades; step S3, structural control variable X; step S4, constraint force T C, leaf blade chord structure bending moment M and the wind wheel tower; S5, construct the objective function F (X); S6, particle swarm structure contains a number of particles, and the particle swarm optimization iterative processing, get the optimal blade shape. The invention uses Bessel curve to characterize the blade, realize the blade aerodynamic parameterization expression profile; in selecting the optimal blades, calculation of annual power generation blade considering different wind speed under the actual power generation, optimization design and Realization of blade shape and host operating characteristics, the best matching design can be realized with leaves the target host, improve the leaf area at low wind speed and the aerodynamic performance of the blade, to avoid the occurrence of early stall.

【技术实现步骤摘要】
一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法
本专利技术属于风力发电设备
，具体涉及一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法。
技术介绍
风力机的稳态运行特性是指风力机的稳态控制策略，它包括风力机在理想工作状态下叶片桨距角、风轮转速、叶尖速比、功率系数等随来流风速的稳态变化曲线，是准确计算风力机年发电量、设计机组动态控制策略和控制器的基础，是风力机组的本质设计特性。在叶片的优化设计中，叶片的外形形状与风力机的稳态运行特性互为影响和约束，一方面，叶片的外形参数是进行风力机稳态运行特性设计的前提；另一方面，只有在确定了风力机的稳态运行控制策略之后，才能准确的计算叶片的年发电量、载荷等参数。在现有的研究中，一些研究者在叶片的优化设计中将最佳叶尖速比设定为固定值，在最佳叶尖速比下以叶片的气动功率系数最大或年发电量最大为目标进行叶片气动外形(主要是叶片弦长和扭角分布)的优化设计。然而，叶片在实际运行中并不总是工作于最佳叶尖速比下，对不同的来流风速，风力机的基本控制策略应在满足发电机转速和额定转矩的限制条件下，通过改变风轮的转速，设定相应的叶尖速比以尽可能的使风轮的气动功率最大化。在恒定最佳叶尖速比下优化设计叶片的方法只考虑了叶片的最佳工作状态，不能保证设计叶片的全局最优性，特别是低风速工况下的叶片的发电性能。一些论文中提出，以在额定功率系数下的来流风速最小为目标先对叶片外形形状进行优化设计，然后针对优化后的叶片外形设计风力机的稳态运行特性，这种方法考虑叶片基本控制策略的设计问题，但忽略了在优化设计中两者之间的影响关系。
技术实现思路
本专利技术要解决的是现有叶片外形形状的优化设计方法中，不能实现叶片的全局参数化表达、不能实现对叶片气动外形与主机运行特性的一体化优化设计的技术问题，从而提供一种采用多阶贝塞尔曲线进行叶片弦长和扭角全局参数化表达的风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，该方法可实现叶片与目标主机的最佳匹配,可有效提高叶片在低风速区域的气动性能，避免叶尖早期失速。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，步骤如下：步骤S1，构造风力机叶片的全局弦长分布模型。具体步骤如下：S1.1，构造n个控制点，每个控制点的横坐标为定值，第一个控制点c1、第二个控制点c2和第n个控制点cn为固定控制点；第一个控制点c1的纵坐标和第二个控制点c2的纵坐标设定为叶根的直径,第n-1个控制点cn-1的纵坐标为第n-2个控制点cn-2的纵坐标1.5倍，第n个控制点cn的纵坐标为0,第三个控制点c3至第n-2个控制点cn-2的纵坐标为设计变量。S1.2，根据步骤S1.1中的n个控制点得到风力机叶片的全局弦长分布的n-1阶贝塞尔曲线C(u)：其中，n为控制点的个数；Pi表示第i个控制点的横坐标和纵坐标；u为比例因子，且u∈[0,1]；若在贝塞尔曲线上插入若干个等分点将贝塞尔曲线等分为若干等分，贝塞尔曲线起点至第j个点的曲线长度与曲线总长的比例为u。Bi,n(u)为Bernstein多项式，具体公式为：步骤S2，构造风力机叶片的全局扭角分布模型。具体步骤如下：S2.1，构造m个控制点，每个控制点的横坐标为定值，第一个控制点t1、第二个控制点t2、第三个控制点t3、第m-1个控制点tm-1和第m个控制点tm为固定控制点；第一个控制点t1、第二个控制点t2和第三个控制点t3的纵坐标相等；第四个控制点t4和第六个控制点t6的纵坐标相等；第m-1个控制点tm-1和第m个控制点tm的纵坐标为0；第五个控制点t5至第m-2个控制点tm-2的纵坐标为设计变量。S2.2，根据步骤S2.1中的m个控制点得到风力机叶片的扭角的m-1阶贝塞尔曲线C(u)；其中，m为控制点的个数；Pi表示第i个控制点的横坐标和纵坐标；u为比例因子，且u∈[0,1]；若在贝塞尔曲线上插入若干个等分点将贝塞尔曲线等分为若干等分，贝塞尔曲线起点至第j个点的曲线长度与曲线总长的比例为u。Bi,m(u)为Bernstein多项式，具体公式为：为了防止叶尖在较大气弹扭转变形下提前发生失速，不对叶尖的扭角分布进行优化设计，而是预先给予一定量的反向扭角分布。步骤S3，从步骤S1中全局弦长模型和步骤S2中扭角模型中选取变量构造控制变量X；选取全局弦长模型中的第三个控制点c3至第n-2个控制点cn-2的纵坐标和扭角模型中的第五个控制点t5至第m-2个控制点tm-2的纵坐标构成控制变量X；控制变量X为：X＝(c3,c4,c5,c6,.....,cn-3,cn-2,t4,t5,t6,......,tm-3,tm-2)(5)；步骤S4，构造叶片弦长C、叶片弯矩M和风轮对塔筒的推力T约束条件；S4.1，构造叶片弦长C的约束条件为，C≤Cmax(6)；其中，Cmax为定值；S4.2，构造叶片弯矩M的约束条件，M≤Mmax(7)；其中，Mmax为定值；S4.3，构造风轮对塔筒的推力T的约束条件，T≤Tmax(8)；其中，Tmax为定值。S5，构造目标函数F(X)；具体公式如下：F(X)＝AEP*p1*p2*p3(9)；其中，AEP为叶片年发电量，计算公式为：其中，f(vi＜v0＜vi+1)为一年中风速位于vi和vi+1之间的概率；p(vi)为风速位于vi时风力机的发电功率。p1、p2和p3为惩罚因子。惩罚因子p1与叶片弦长C有关，当C≤Cmax时，p1＝1，否则，p1＝(Cmax/C)^2。惩罚因子p2与叶根弯矩M有关，当M≤Mmax时，p2＝1，否则，p2＝(Mmax/M)^2。叶根弯矩M的计算公式为：其中，a为轴向诱导因子，F为普朗特叶尖损失修正因子；R为叶片的长度，ρ为空气密度；v为风速。惩罚因子p3与风轮推力T有关，当T≤Tmax时，p3＝1，否则，p3＝(Tmax/T)^2；风轮推力T的计算公式为：其中，a为轴向诱导因子，F为普朗特叶尖损失修正因子；R为叶片的长度，ρ为空气密度；v为风速。S6，以设计变量X为粒子构造含有若干个粒子的粒子群，并对各粒子群进行迭代优化处理，得到最优叶片外形。具体步骤如下：S6.1，对粒子群中的每个粒子进行初始化。对每个粒子的速度、位置、以及个体最优Pi进行赋值。S6.2，计算每个粒子在当前代的年发电量AEP、叶根弯矩M和风轮推力T和叶片弦长C，得到每个粒子的目标函数值F(X)。S6.3，将粒子群中每个粒子的目标函数值F(X)进行比较，选择值最大的作为当代粒子群中的全局最优Pg。S6.4，对各粒子进行迭代得到下一代的粒子；迭代公式为其中，w,c1,c2,r1,r2分别为权重系数；xik为第i个粒子在第k代的位置；vik为第i个粒子在第k代的速度；xik+1为第i个粒子在第k+1代的位置；vik+1为第i个粒子在第k+1代的速度；pik为第i个粒子在第k代的个体最优；pgk为第k代粒子群的全局最优。S6.5，重复步骤S6.2计算当前代粒子群的每个粒子的年发电量AEP、叶根弯矩M、风轮推力T和叶片的弦长C，得到每个粒子的目标函数值F(X)。S6.5,将当代各粒子的目标函数值F(X)与上一代各粒子的目标函数值F(X)分别进行比较，选择目标函数值F(X)大的作为各粒子在当代的个体最优Pi。S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，步骤如下：步骤S1，构造风力机叶片的全局弦长分布模型；步骤S2，构造风力机叶片的全局扭角分布模型；步骤S3，从步骤S1中全局弦长分布模型和步骤S2中全局扭角分布模型中选取变量构造控制变量X；步骤S4，构造叶片弦长C、叶片弯矩M和风轮对塔筒的推力T的约束条件；S5，构造目标函数F(X)；具体公式如下：F(X)＝AEP*p1*p2*p3      (9)；其中，AEP为叶片年发电量，计算公式为：

【技术特征摘要】
1.一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，步骤如下：步骤S1，构造风力机叶片的全局弦长分布模型；步骤S2，构造风力机叶片的全局扭角分布模型；步骤S3，从步骤S1中全局弦长分布模型和步骤S2中全局扭角分布模型中选取变量构造控制变量X；步骤S4，构造叶片弦长C、叶片弯矩M和风轮对塔筒的推力T的约束条件；S5，构造目标函数F(X)；具体公式如下：F(X)＝AEP*p1*p2*p3(9)；其中，AEP为叶片年发电量，计算公式为：其中，f(vi＜v0＜vi+1)为一年中风速位于vi和vi+1之间的概率；p(vi)为风速位于vi时风力机的发电功率；p1、p2和p3为惩罚因子；惩罚因子p1与叶片弦长C有关，当C≤Cmax时，p1＝1，否则，p1＝(Cmax/C)^2；惩罚因子p2与叶根弯矩M有关，当M≤Mmax时，p2＝1，否则，p2＝(Mmax/M)^2；叶根弯矩M的计算公式为：其中，a为轴向诱导因子，F为普朗特叶尖损失修正因子；R为叶片的长度，ρ为空气密度；v为风速；惩罚因子p3与风轮推力T有关，当T≤Tmax时，p3＝1，否则，p3＝(Tmax/T)^2；风轮推力T的计算公式为：其中，a为轴向诱导因子，F为普朗特叶尖损失修正因子；R为叶片的长度，ρ为空气密度；v为风速；S6，以设计变量X为粒子构造含有若干个粒子的粒子群，并对各粒子群进行迭代优化处理，得到最优叶片外形。2.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，在步骤S1中，具体步骤如下：S1.1，构造n个控制点，每个控制点的横坐标为定值，第一个控制点c1、第二个控制点c2和第n个控制点cn为固定控制点；第一个控制点c1的纵坐标和第二个控制点c2的纵坐标设定为叶根的直径,第n-1个控制点cn-1的纵坐标为第n-2个控制点cn-2纵坐标的1.5倍，第n个控制点cn的纵坐标为0,第三个控制点c3至第n-2个控制点cn-2的纵坐标为设计变量；S1.2，根据步骤S1.1中的n个控制点得到风力机叶片全局弦长分布的n-1阶贝塞尔曲线C(u)：其中，n为控制点的个数；Pi表示第i个控制点的横坐标和纵坐标；u为比例因子，且u∈[0,1]；Bi,n(u)为Bernstein多项式，具体公式为：3.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，在步骤S2中，具体步骤如下：S2.1，构造m个控制点，每个控制点的横坐标为定值，第一个控制点t1、第二个控制点t2、第三个控制点t3、第m-1个控制点tm-1和第m个控制点tm为固定控制点；第一个控制点t1、第二个控制点t2和第三个控制点t3的纵坐标相等；第四个控制点t4和第六个控制点t6的纵坐标相等；第m-1个控制点tm-1和第m个控制点tm的纵坐标为0；第五个控制点t5至第m-2个控制点tm-2的纵坐标为设计变量；S2.2，根据步骤S2.1中的m个控制点得到风力机叶片全局扭角分布的m-1阶贝塞尔曲线C(u)；其中，m为控制点的个数；Pi表示第i个控制点的横坐标和纵坐标；u为比例因子，且u∈[0,1]；Bi,m(u)为Bernstein多项式，具体公式为：为了防止叶尖在较大气弹扭转变形下提前发生失速，不对叶尖的扭角分布进行优化设计，而是预先给予一定量的反向扭角分布。4.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，在步骤S3中，选取全局弦长模型中的第三个控制点c3至第n-2个控制点cn-2的纵坐标和扭角模型中的第五个控制点t5至第m-2个控制点tm-2的纵坐标构成控制变量X；控制变量X为：X＝(c3,c4,c5,c6,.....,cn-3,cn-2,t5,t6,......,tm-3,tm-2)(5)。5.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，在步骤S4中，具体步骤如下：S4.1，构造叶片弦长C的约束条件为，C≤Cmax(6)；其中，Cmax为定值；S4.2，构造叶片弯矩M的约束条件，M≤Mmax(7)；其中，Mmax为定值；S4.3，构造风轮对塔筒的推力T的约束条件，T≤Tmax(8)；其中，Tmax为定值。6.根据权利要求1所述的一种风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化方法，其特征在于，在步骤S6中，具体步骤如下：S6.1，对粒子群中的每个粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭小锋，施兰枚，聂守宏，杨树峰，孙千涛，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41