海上浮式风机时域耦合程序原理及其验证
发布时间：2021-03-23 22:32
介绍自主研发的海上浮式风机时域耦合仿真程序的基本原理及其关键技术.该程序利用非稳态叶素-动量理论计算海上浮式风机的气动载荷;利用势流理论和Morison方程计算海上浮式风机的水动力载荷;利用准静态悬链线模型计算锚泊系统的作用;利用Kane动力学方程构建系统的动力学控制方程;利用变桨距和发电机转矩控制器调节海上浮式风机的风能捕获效率.研究开展同类程序的对比验证,结果表明该时域耦合程序能够准确地反映海上浮式风机复杂的耦合动力学特性,为海上浮式风机的耦合动力理论研究和数值程序开发提供一定的参考依据.
【文章来源】：上海交通大学学报. 2019,53(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
悬链线锚泊示意图
式中:a为轴向诱导系数;a′为切向诱导系数;σ=crbBblade/(2πrb)为风轮实度,其中Bblade为桨叶数,rb为叶素的径向长度,crb为叶素局部弦长;?为入流角;CL和CD分别是叶素升力和阻力系数.在经典的叶素动量理论中,假定叶轮只有转动,且来流是空间均匀和时间定常的.但对于实际的海上浮式风机而言,空气流动是时空变化的,浮式平台的运动也会引起桨叶的运动,加剧其相对入流风速的变化,气动诱导系数也随时空所变化,因此必须考虑非定常的局部气动模型,如图2所示.其中,α为叶素的局部入流攻角.为了简化模型,各叶素的气动性能只考虑小范围控制体内的影响.其研究的单元气动影响区域为一个扇形区域,如图2(c)所示.该扇形区域面积是图2(a)所示的环形控制体区域面积的1/3,即在当前时刻每个桨叶的叶素气动计算只考虑该桨叶附近区域的影响.
DARwind程序采用发电机转矩控制器和桨距角控制器.当风速小于额定风速时,以优化风能捕获效率为目标,通过调节发电机转矩进而调节风机的最佳叶尖速比;当风速达到或超过额定风速后,则主要通过改变桨距角控制系统调节气动性能,进而达到稳定功率的目的.发电机转矩控制器需要根据不同的风速或转速进行相应的控制,如图3所示.当风速小于规定的切入风速时,风能利用价值较小,风机刹车不进行电能生产(见图3中的区域 1);当风速大于或等于切入风速且小于额定风速时,按照不同转速Ω,可将其划分为3个阶段,分别为区域 1 1 2 ,区域2和区域 2 1 2 .当处于区域 1 1 2 时,风机开始利用风能,发电机转矩Ttor正比于Ω以维持较佳的叶尖速比,使得风机的功率系数最大,以提高捕风效率;当处于区域2时,风速进一步增大,转速也相应增加,风机发电机转矩Ttor调整为与Ω的二次方成正比;当处于区域 2 1 2 时,风速接近额定风速、发电机转速接近额定转速,发电机转矩Ttor和转速重新调整为线性关系,作为额定工况和非额定工况间的一个过渡区域;当处于区域3时,风速超过额定设计值,保持恒定的转矩,采用变桨距角调节以约束风机功率维持额定值.
【参考文献】：
期刊论文
[1]浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究[J]. 刘利琴,郭颖,赵海祥,唐友刚. 力学学报. 2017(02)
[2]海上浮式风力机叶片气动性能的数值模拟[J]. 赵文超,万德成. 水动力学研究与进展A辑. 2014(06)
[3]新型海上风机浮式平台运动的频域分析[J]. 唐友刚,李嘉文,曹菡,陶海成,李溢涵. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2013(10)
本文编号：3096535
【文章来源】：上海交通大学学报. 2019,53(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
悬链线锚泊示意图
式中:a为轴向诱导系数;a′为切向诱导系数;σ=crbBblade/(2πrb)为风轮实度,其中Bblade为桨叶数,rb为叶素的径向长度,crb为叶素局部弦长;?为入流角;CL和CD分别是叶素升力和阻力系数.在经典的叶素动量理论中,假定叶轮只有转动,且来流是空间均匀和时间定常的.但对于实际的海上浮式风机而言,空气流动是时空变化的,浮式平台的运动也会引起桨叶的运动,加剧其相对入流风速的变化,气动诱导系数也随时空所变化,因此必须考虑非定常的局部气动模型,如图2所示.其中,α为叶素的局部入流攻角.为了简化模型,各叶素的气动性能只考虑小范围控制体内的影响.其研究的单元气动影响区域为一个扇形区域,如图2(c)所示.该扇形区域面积是图2(a)所示的环形控制体区域面积的1/3,即在当前时刻每个桨叶的叶素气动计算只考虑该桨叶附近区域的影响.
DARwind程序采用发电机转矩控制器和桨距角控制器.当风速小于额定风速时,以优化风能捕获效率为目标,通过调节发电机转矩进而调节风机的最佳叶尖速比;当风速达到或超过额定风速后,则主要通过改变桨距角控制系统调节气动性能,进而达到稳定功率的目的.发电机转矩控制器需要根据不同的风速或转速进行相应的控制,如图3所示.当风速小于规定的切入风速时,风能利用价值较小,风机刹车不进行电能生产(见图3中的区域 1);当风速大于或等于切入风速且小于额定风速时,按照不同转速Ω,可将其划分为3个阶段,分别为区域 1 1 2 ,区域2和区域 2 1 2 .当处于区域 1 1 2 时,风机开始利用风能,发电机转矩Ttor正比于Ω以维持较佳的叶尖速比,使得风机的功率系数最大,以提高捕风效率;当处于区域2时,风速进一步增大,转速也相应增加,风机发电机转矩Ttor调整为与Ω的二次方成正比;当处于区域 2 1 2 时,风速接近额定风速、发电机转速接近额定转速,发电机转矩Ttor和转速重新调整为线性关系,作为额定工况和非额定工况间的一个过渡区域;当处于区域3时,风速超过额定设计值,保持恒定的转矩,采用变桨距角调节以约束风机功率维持额定值.
【参考文献】：
期刊论文
[1]浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究[J]. 刘利琴,郭颖,赵海祥,唐友刚. 力学学报. 2017(02)
[2]海上浮式风力机叶片气动性能的数值模拟[J]. 赵文超,万德成. 水动力学研究与进展A辑. 2014(06)
[3]新型海上风机浮式平台运动的频域分析[J]. 唐友刚,李嘉文,曹菡,陶海成,李溢涵. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2013(10)
本文编号：3096535
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/3096535.html
