風(fēng)電機(jī)組尾流與疲勞載荷關(guān)系分析

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1、第33卷第10期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)Vol.33No.102017年5月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMay2017239風(fēng)電機(jī)組尾流與疲勞載荷關(guān)系分析鄧英，李嘉楠，劉河生，龐輝慶，田德（華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院，北京102206）摘要：為了研究風(fēng)電機(jī)組尾流對(duì)下游風(fēng)電機(jī)組載荷的影響，假設(shè)了幾個(gè)重要尾流參數(shù)：上下游風(fēng)電機(jī)組間距、上游風(fēng)電機(jī)組推力系數(shù)、湍流強(qiáng)度等。采用Bladed軟件和Matlab幅頻程序，分別對(duì)1.5與3.0MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行各參數(shù)與載荷響

2、應(yīng)的關(guān)系計(jì)算。結(jié)果表明：風(fēng)輪處風(fēng)速會(huì)隨著推力系數(shù)的增大非線性減??；風(fēng)電機(jī)組處于尾流影響范圍內(nèi)時(shí)，在風(fēng)速和推力系數(shù)相同的條件下，通常湍流強(qiáng)度受尾流影響后減小使載荷增大，但當(dāng)推力系數(shù)對(duì)載荷的影響起主導(dǎo)作用時(shí)，雖然湍流強(qiáng)度受尾流影響后減小但載荷會(huì)增大；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，應(yīng)采用變槳控制減小推力系數(shù)，以減小風(fēng)電機(jī)組的疲勞損傷。關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；計(jì)算機(jī)仿真；模型；間距；推力系數(shù)；風(fēng)速；尾流；疲勞載荷doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.031中圖分類號(hào)：TK83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-6819

3、(2017)-10-0239-06鄧英，李嘉楠，劉河生，龐輝慶，田德.風(fēng)電機(jī)組尾流與疲勞載荷關(guān)系分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(10)：239－244.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.031http://www.tcsae.orgDengYing,LiJianan,LiuHesheng,PangHuiqing,TianDe.Analysisonrelationshipbetweenwakeandfatigueloadofwindturbines[J].Transactionsof

4、theChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2017,33(10):239－244.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.031http://www.tcsae.org?并且，隨著風(fēng)速差異、受力差異的擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組不同0引言受力部件之間產(chǎn)生的疲勞載荷的響應(yīng)的差異性也突顯出隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，超大型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電[14]來。因此，必須進(jìn)一步地研究尾

5、流效應(yīng)對(duì)機(jī)組的影響。容量迅速擴(kuò)大，意味著更高的塔架設(shè)計(jì)和更長的葉片設(shè)尾流模型是描述風(fēng)力機(jī)尾流結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，用于計(jì)算計(jì)。葉片的加長，使得掃風(fēng)面積增大，尾流區(qū)也隨之增風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)域的速度分布和風(fēng)電場中處在尾流區(qū)的風(fēng)大；同時(shí)，塔架的增高，使得尾流效應(yīng)的性質(zhì)更加復(fù)雜。[15]力機(jī)的功率輸出?，F(xiàn)有的對(duì)風(fēng)電機(jī)組尾流模擬的研究已有研究表明，對(duì)于大型風(fēng)電機(jī)組，尾流效應(yīng)的作用是先后經(jīng)過了不考慮湍流的一維線性尾流模型、二維軸對(duì)不能忽視的，它對(duì)風(fēng)機(jī)的承載部件的疲勞載荷的增大有[16]稱渦旋粘性尾流模型和基于三維CFD的尾流模型。著重要影響，并且對(duì)風(fēng)電機(jī)

6、組輸出功率特性也有顯著影[17]本文以Thomsen等對(duì)尾流的研究為基礎(chǔ)，分別建[1-4]響。立1.5與3MW風(fēng)電機(jī)組模型，通過控制變量的方法，以許多科學(xué)家對(duì)尾流效應(yīng)等進(jìn)行了研究，Alfredsson上下游風(fēng)電機(jī)組間距、上游風(fēng)電機(jī)組推力系數(shù)、湍流強(qiáng)[5]等最早通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究尾流效應(yīng)，揭示尾流對(duì)風(fēng)力機(jī)度的輸入分別作為變量，在特定疲勞載荷工況下進(jìn)行模出力的影響。Hand等通過顯示試驗(yàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片近遠(yuǎn)場擬計(jì)算，將對(duì)下游風(fēng)電機(jī)組各部件載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分[6-7]尾流結(jié)構(gòu)做出詳細(xì)分析。風(fēng)場測(cè)試中，最著名的單臺(tái)析，得到不同尾流參數(shù)對(duì)下游風(fēng)電機(jī)

7、組載荷的影響。[8-9]風(fēng)力機(jī)實(shí)測(cè)是Tjaereborg、Nibe和Sexbieram測(cè)試；著1基本理論名的集群實(shí)測(cè)是HornsRev，Nysted，MiddleGrunden，[10-11]Vindeby，EWTW等測(cè)試。他們建立了一些考慮尾流1.1基礎(chǔ)尾流定理[12]效應(yīng)的模型，并且與實(shí)際試驗(yàn)風(fēng)場的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相匹配。風(fēng)電機(jī)組尾跡是擴(kuò)張的。由質(zhì)量守恒方程（1）以及但是，當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)風(fēng)場的塔架高度較低，風(fēng)電機(jī)組容量、式（2），可得式（3）及式（4）。掃風(fēng)面積、風(fēng)電場規(guī)模較小，其尾流效應(yīng)對(duì)機(jī)組的影響πππRV222??RVRV（1）11T

8、22也比較簡單。因此，現(xiàn)有研究普遍采用的方法都是用單?VVaT??1(1)一的“等效設(shè)計(jì)湍流強(qiáng)度”這個(gè)參量來代替所有的尾流?（2）[13]?VV21??(12)a效應(yīng)。這種傳統(tǒng)方法隨著風(fēng)電機(jī)組的不斷增高增大，風(fēng)電場的規(guī)模劇增的形勢(shì)下，