一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法技术

本发明专利技术涉及一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法，利用动态入流模型计算诱导速度流场，并建立叶片翼型动态失速模型，采用CFD软件生成翼型流场计算域的网格，对叶片翼型对涡流发生器形状参数和位置参数的改变进行动态失速模型仿真分析，利用最优算法对涡流发生器的形状参数和位置参数对叶片翼型气动特性，从最大功率系数，设计攻角α的最大升阻比两方面进行优化设计,获得最佳涡流发生器参数。本发明专利技术的优点是：通过在风力发电机组上安装合理布置涡流发生器，解决了大厚度翼型叶片在大攻角、高海拔低空气密度等条件下容易造成叶片失速，风电叶片流动分离问题。

【技术实现步骤摘要】
一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法
本专利技术涉及风力发电
，尤其涉及一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法。
技术介绍
随着风力发电机组设计功率的逐渐提高，叶片尺寸越来越长。由于机组叶片翼型相对厚度较薄，所以叶片受到较大的强度和载荷时容易发生断裂。为了满足大功率的条件，研发了大厚度翼型来改善叶片的结构强度，但是大厚度翼型有一个致命的缺点那就是失速特性差，尤其是在大攻角的工况条件下容易造成叶片失速。风电叶片是直接捕获风能的关键部件，其流动状况决定了风能利用效率。在叶片效率的损失中，流动分离损失占较大比重。造成高海拔风电机组叶片流动分离主要原因是机组运行于低空气密度区域，设计额定风速无法实现满功率输出，严重条件下流动分离可达叶片长度的70％以上，风电叶片的设计寿命一般为20年，运行时间越长，叶片的表面状况越粗糙，发生流动分离越严重。安装涡流发生器(VortexGenerator)是控制流动分离的一种低成本且有效的方法，最早是针对机翼在大攻角条件控制失速而提高机动性的一个经典设计。在大攻角情况下，涡流发生器能够大幅度增加翼段的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法，其特征是：包括以下步骤：/nS1:获取轴向诱导公式；/nS2:对轴向诱导进行分段描述和偏航修正；/nS3:获取弦长分布方程，进行幂级数展开，获取叶片设计变量；/nS4：建立动态入场模型，计算诱导速度流场；/nS5:建立叶片翼型动态失速模型，获得叶片翼型升力和阻力系数；/nS6:建立总目标函数；/nS7：添加约束条件；/nS8：获得涡流发生器最佳参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法，其特征是：包括以下步骤：
S1:获取轴向诱导公式；
S2:对轴向诱导进行分段描述和偏航修正；
S3:获取弦长分布方程，进行幂级数展开，获取叶片设计变量；
S4：建立动态入场模型，计算诱导速度流场；
S5:建立叶片翼型动态失速模型，获得叶片翼型升力和阻力系数；
S6:建立总目标函数；
S7：添加约束条件；
S8：获得涡流发生器最佳参数。


2.根据权利要求1所述的一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法，其特征是：所述步骤S1中，获取轴向诱导公式包括以下步骤：
S11：采用一维叶素动量理论将风轮平面沿径向分割成多个圆环段，并假设每个圆环独立，获取每个圆环上的推力和转矩



其中，v0为风轮前来流速度，ρ为空气密度，a是轴向诱导因子，a′＝ω/2Ω是周向诱导因子,ω为该圆环处的周向诱导角速度，Ω为风轮转动角速度，r为圆环半径；
S12：将叶片分割为多个独立叶素段，获取每个叶素的推力和转矩表达式



其中，vrel为相对入流速度，Cn为气动力系数分量中的法向力系数，Ct为气动力系数分量中的切向力系数，CL为升力系数，CD为阻力系数，为入流角；
S13：令dT＝dT′,dM＝dM′，得到



其中，σ(r)＝3c/2πr为实度，c为翼型弦长，F沈为沈模型叶尖损失系数，λ＝ωR/v0为叶尖速比，ω为风轮转动角速度，R为叶轮半径。


3.根据权利要求1所述的一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法，其特征是：所述步骤S2中，轴向诱导公式分段描述为







偏航修正为



其中，为方位角，为指向最下游时的方位角，χ为斜交角，定义为尾流风速与风轮主轴的夹角，描述风轮偏航的程度。δ1,δ2,分别为沈模型修正和偏航修正权值系数，δ1，δ2∈[0，1]，且δ1+δ2＝1。


4.根据权利要求3所述的一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法，其特征是：所述步骤S3中，包括以下子步骤：
S31：将a′＝(1-3a)/(4a-1)代入轴向诱导因子a、周向诱导因子a′、叶尖速比λ之间的关系式,λ2a′(1+a′)＝a(1-a)，可以得到λ和a的最优化关系式为；
16a3-24a2+a(9-3λ2)-1-λ2＝0；
S32：根据最优局部桨距角公式θopt＝φ-αopt，计算入流角



其中，αopt为最优攻角，λ＝ωr/v0；
S33：使用a和a′的最优值，得到弦长分布方程



其中，Cl，opt、Cd，opt为最优攻角时的升力系数和阻力系数；
S34:用弦长c和扭角β表示风力发电机组叶片展向形状分布



其中，n为级数的最高阶数，ai，bi为分布函数的系数；
S35：对弦长c分别函数和扭角β分别函数进行幂级数展开，以分布函数系数作为叶片设计变量。


5.根据权利要求1所述的一种低空气密度下风电机组发电性能优化方法，其特征是：所述步骤S4包括以下子步骤：
S41：通过采用加速势流方法，对分布于风轮旋转平面的压力进行推导，得到风轮附加质量的表达式为
S42：在风轮旋转平面上取一微圆环进行分析，得到修正的推力系数公式，用修正的推力系数公式来替换叶素动量理论中的推力系数公式，在每一个时间步长对微分方程积分得到每个叶片上每一个截面处与时间相关的来流值



其中，为轴向诱导因子的时间变化率；F是切向力Ft和法向力Fn的合力，是风轮上受到总的合力；W是叶素处合成入流速度，
S43：简化步骤S42中方程，得到
f(a)＝Aaa2+Baa+Cc＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓鸣，柳黎明，赵国群，周晓亮，
申请(专利权)人：浙江运达风电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33