考慮設計葉尖速比風輪靜、動態影響的風力機氣動設計方法技術

本發明專利技術公開了一種考慮設計葉尖速比對風力機靜、動態性能影響的風力機氣動設計方法。該方法以風力機閉環性能指標——平均風能捕獲效率作為目標函數，并將原先設計葉尖速比與弦長、扭角分離優化的流程改進為聯合優化，使得原本忽略最大功率點跟蹤（Maximum?Power?Point?Tracking，MPPT）控制動態的風力機氣動設計能夠考慮到跟蹤性能的不足，從而協調風力機的靜態氣動性能與跟蹤動態過程。本發明專利技術所提方法能夠有效提高變速風機在湍流風速下的風能捕獲效率。

Aerodynamic design method of wind turbine considering design of blade tip speed ratio, static and dynamic influence of wind turbine

The invention discloses a wind turbine aerodynamic design method considering the influence of the blade tip speed ratio on the static and dynamic performance of a wind turbine. In this method, the closed-loop wind turbine performance index average wind energy capture efficiency as the objective function, and the original design tip speed ratio and chord length and twist angle optimization of separation process improvement for joint optimization, which ignore the maximum power point tracking (Maximum Power Point Tracking, MPPT) the design of dynamic wind turbine gas dynamic control can considering the lack of tracking performance, static gas so as to coordinate the wind turbine aerodynamic performance and tracking dynamic process. The method of the invention can effectively improve the capturing efficiency of the wind energy under the turbulent wind speed of the variable speed fan.

【技術實現步驟摘要】
考慮設計葉尖速比風輪靜、動態影響的風力機氣動設計方法
本專利技術屬于風力機氣動設計領域，特別是一種考慮設計葉尖速比對風力機靜、動態性能影響的風力機氣動設計方法。
技術介紹
近年來，變速風機已成為大型風電機組的主流機型。變速風機大部分時間運行于低于額定風速的變速階段。在該階段，風機普遍采用最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking，MPPT)控制策略。它會根據風速的變化實時調整風輪轉速，使其始終運行于設計葉尖速比λdgn。因此，傳統的針對變速風機的氣動設計通常以λdgn處的功率系數極限Cp,max最大化為目標，如Glauert方法、Wilson方法以及其它基于葉素動量理論的逆設計方法。但是，上述根據Cp,max確定λdgn的方法忽略了λdgn對MPPT動態過程的影響：1、由于大轉動慣量導致的慢動態性能，風輪的MPPT動態過程及其對風能捕獲效率的影響是不容忽視的。變速風機常運行在跟蹤λdgn的過程中而非λdgn處。且MPPT動態過程越長，風力機偏離λdgn運行的時間越長，這將導致較低的風能捕獲效率。2、除了上述的功率系數極限之外，λdgn還會影響MPPT動態過程。減小λdgn能夠縮短風輪轉速的跟蹤范圍，進而提升風能捕獲效率；反之，則擴大跟蹤范圍，降低風能捕獲效率。因此，如果僅為提高Cp,max而選擇大的設計葉尖速比，則增大的MPPT過程反而使得風輪更長時間偏離設計葉尖速比，最終可能降低變速風機的閉環性能。因此，針對風力機的氣動逆設計，迫切需要一種能夠綜合考慮設計葉尖速比對靜態氣動性能和MPPT動態過程兩方面影響的設計方法。但是現有技術中尚無相關描述。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種考慮設計葉尖速比風輪靜、動態影響的風力機氣動設計方法。實現本專利技術目的的技術解決方案為：一種考慮設計葉尖速比對風力機靜、動態性能影響的風力機氣動設計方法，包括以下步驟：步驟1、進行初始化操作，具體為：步驟1-1、確定初始設計參數，包括葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長和扭角，并保持葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型不變；步驟1-2、根據初始風輪的葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長和扭角，初始化PROPID程序；步驟1-3、確定設計葉尖速比λdgn的初始搜索區間范圍；步驟2、將當前搜索區間等分為4個子區間；步驟3、任選一個子區間的邊界值λdgn；步驟4、利用PROPID程序完成邊界值為λdgn的氣動逆設計，獲得葉片氣動外形參數——弦長與扭角，具體為：步驟4-1、確定沿葉片展向的升力系數分布和誘導因子分布；步驟4-2、執行PROPID程序，獲得邊界值λdgn對應的葉片弦長與扭角；步驟5、計算目標函數，即平均風能捕獲效率Pfavg；步驟6、判斷子區間邊界值是否取完，若是，繼續下一步；若否，返回步驟3；步驟7、判斷終止條件是否滿足，如果不滿足，生成新的搜索區間，然后返回步驟2；如果滿足，則繼續下一步；所述終止條件為子區間的長度小于或等于0.1；步驟8、輸出對應Pfavg最大值的優化風輪，流程結束。本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為：1)本專利技術提出了一種考慮設計葉尖速比對風力機靜、動態性能影響的風力機氣動設計方法。該方法以風機閉環性能指標——平均風能捕獲效率作為目標函數，并將原先設計葉尖速比與葉片氣動外形參數(弦長和扭角分布)分離設計流程的改進為聯合優化。2)本專利技術基于Bladed的仿真結果表明本專利技術所提方法能夠有效提高變速風機在湍流風速下的風能捕獲效率，驗證了本專利技術方法的有效性。下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細描述。附圖說明圖1為傳統分離設計方法、本專利技術所提方法對應的優化風輪及初始風輪的葉片氣動外形，其中圖(a)為弦長對比圖，圖(b)為扭角對比圖。圖2為優化風輪的功率系數曲線。圖3為優化風輪的運行葉尖速比的概率分布圖。具體實施方式本專利技術的一種考慮設計葉尖速比風輪靜、動態影響的風力機氣動設計方法，包括以下步驟：步驟1、進行初始化操作，具體為：步驟1-1、確定初始設計參數，包括葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長和扭角，并保持葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型不變；步驟1-2、根據初始風輪的葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長和扭角，初始化PROPID程序；步驟1-3、確定設計葉尖速比λdgn的初始搜索區間范圍；確定設計葉尖速比λdgn的初始搜索區間范圍為5到9。步驟2、將當前搜索區間等分為4個子區間；步驟3、任選一個子區間的邊界值λdgn；步驟4、利用PROPID程序完成邊界值為λdgn的氣動逆設計，獲得葉片氣動外形參數——弦長與扭角，具體為：步驟4-1、確定沿葉片展向的升力系數分布和誘導因子分布；沿葉片展向的升力系數分布為翼型最大升阻比附近對應的升力系數，誘導因子分布為0.3333。步驟4-2、執行PROPID程序，獲得邊界值λdgn對應的葉片弦長與扭角；步驟5、計算目標函數，即平均風能捕獲效率Pfavg；所述目標函數為平均風能利用率Pfavg：Pwy＝0.5ρπR2v3cos3ψn為一個統計時段內的采樣次數，ψ為偏航誤差角，Pcap為實際功率，Pwy為功率最優值。步驟6、判斷子區間邊界值是否取完，若是，繼續下一步；若否，返回步驟3；步驟7、判斷終止條件是否滿足，如果不滿足，生成新的搜索區間，然后返回步驟2；如果滿足，則繼續下一步；所述終止條件為子區間的長度小于或等于0.1；所述新的搜索區間為以當前Pfavg對應的λdgn為區間中點，左右區間長度為當前長度二分之一的區間。步驟8、輸出對應Pfavg最大值的優化風輪，流程結束。本專利技術提出了一種考慮設計葉尖速比對風力機靜、動態性能影響的風力機氣動設計方法。該方法以風機閉環性能指標——平均風能捕獲效率作為目標函數，并將原先設計葉尖速比與葉片氣動外形參數(弦長和扭角分布)分離設計流程的改進為聯合優化。下面結合實施例對本專利技術做進一步詳細的描述：實施例選取美國可再生能源實驗室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)研發的1.5MW風機作為基準，分別應用傳統分離風輪優化設計方法和本專利技術提出優化方法進行氣動優化設計。基準葉片參數見表1。表11.5MW風力機葉片參數計算Pfavg所用湍流風速參數如表2所示。表2湍流風速參數按照傳統分離設計原則(即以風輪的Cp,max最大化為目標去選擇λdgn并優化風輪的氣動外形)，通過調用PROPID程序完成不同λdgn的風輪氣動設計，然后分別計算各風輪的Cp,max，從而獲得Cp,max最大值所對應的λdgn及氣動外形參數。根據本專利技術提出的優化方法，搜索到Pfavg最大值所對應的優化風輪的氣動參數。將上述兩個優化風輪分別命名為“分離優化風輪”、“聯合優化風輪”。表3分別列出了兩種風輪的靜態氣動性能Cp,max及其在同一湍流風速下的平均風能捕獲效率Pfavg。表3不同風輪靜態氣動性能及閉環性能對比分離優化風輪聯合優化風輪λdgn8.56.2Cp,max0.4790(+1.08％)0.4739Pfavg0.44420.4547(+2.36％)由表3可以看出：1)分離優化風輪的靜態氣動性能優于聯合優化風輪，前者本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種考慮設計葉尖速比風輪靜、動態影響的風力機氣動設計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、進行初始化操作，具體為：步驟1?1、確定初始設計參數，包括葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑R

【技術特征摘要】
1.一種考慮設計葉尖速比風輪靜、動態影響的風力機氣動設計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、進行初始化操作，具體為：步驟1-1、確定初始設計參數，包括葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長和扭角，并保持葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型不變；步驟1-2、根據初始風輪的葉片數目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長和扭角，初始化PROPID程序；步驟1-3、確定設計葉尖速比λdgn的初始搜索區間范圍；步驟2、將當前搜索區間等分為4個子區間；步驟3、任選一個子區間的邊界值λdgn；步驟4、利用PROPID程序完成邊界值為λdgn的氣動逆設計，獲得葉片氣動外形參數——弦長與扭角，具體為：步驟4-1、確定沿葉片展向的升力系數分布和誘導因子分布；步驟4-2、執行PROPID程序，獲得邊界值λdgn對應的葉片弦長與扭角；步驟5、計算目標函數，即平均風能捕獲效率Pfavg；步驟6、判斷子區間邊界值是否取完，若是，繼續下一步；若否，返回步驟3；步驟7、判斷終止條件是否滿足，如果不滿足，生成新的搜索區間，然后返回步驟2；如果滿足，則繼續下一步；所述終止條件為子區間的長度小于或等于0.1；步驟8、輸出對應Pfa...

【專利技術屬性】
技術研發人員：殷明慧，陳小陽，楊志強，沈力，李政軒，李玉龍，卜京，謝云云，鄒云，姚娟，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32