CN106777525A - 考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑设计叶尖速比对风力机静、动态性能影响的风力机气动设计方法。该方法以风力机闭环性能指标——平均风能捕获效率作为目标函数，并将原先设计叶尖速比与弦长、扭角分离优化的流程改进为联合优化，使得原本忽略最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制动态的风力机气动设计能够考虑到跟踪性能的不足，从而协调风力机的静态气动性能与跟踪动态过程。本发明所提方法能够有效提高变速风机在湍流风速下的风能捕获效率。

Description

考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法

技术领域

本发明属于风力机气动设计领域，特别是一种考虑设计叶尖速比对风力机静、动态性能影响的风力机气动设计方法。

背景技术

近年来，变速风机已成为大型风电机组的主流机型。变速风机大部分时间运行于低于额定风速的变速阶段。在该阶段，风机普遍采用最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)控制策略。它会根据风速的变化实时调整风轮转速，使其始终运行于设计叶尖速比λ_dgn。因此，传统的针对变速风机的气动设计通常以λ_dgn处的功率系数极限C_p,max最大化为目标，如Glauert方法、Wilson方法以及其它基于叶素动量理论的逆设计方法。

但是，上述根据C_p,max确定λ_dgn的方法忽略了λ_dgn对MPPT动态过程的影响：

1、由于大转动惯量导致的慢动态性能，风轮的MPPT动态过程及其对风能捕获效率的影响是不容忽视的。变速风机常运行在跟踪λ_dgn的过程中而非λ_dgn处。且MPPT动态过程越长，风力机偏离λ_dgn运行的时间越长，这将导致较低的风能捕获效率。

2、除了上述的功率系数极限之外，λ_dgn还会影响MPPT动态过程。减小λ_dgn能够缩短风轮转速的跟踪范围，进而提升风能捕获效率；反之，则扩大跟踪范围，降低风能捕获效率。因此，如果仅为提高C_p,max而选择大的设计叶尖速比，则增大的MPPT过程反而使得风轮更长时间偏离设计叶尖速比，最终可能降低变速风机的闭环性能。

因此，针对风力机的气动逆设计，迫切需要一种能够综合考虑设计叶尖速比对静态气动性能和MPPT动态过程两方面影响的设计方法。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑设计叶尖速比对风力机静、动态性能影响的风力机气动设计方法，包括以下步骤：

步骤1、进行初始化操作，具体为：

步骤1-1、确定初始设计参数，包括叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型、弦长和扭角，并保持叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型不变；

步骤1-2、根据初始风轮的叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型、弦长和扭角，初始化PROPID程序；

步骤1-3、确定设计叶尖速比λ_dgn的初始搜索区间范围；

步骤2、将当前搜索区间等分为4个子区间；

步骤3、任选一个子区间的边界值λ_dgn；

步骤4、利用PROPID程序完成边界值为λ_dgn的气动逆设计，获得叶片气动外形参数——弦长与扭角，具体为：

步骤4-1、确定沿叶片展向的升力系数分布和诱导因子分布；

步骤4-2、执行PROPID程序，获得边界值λ_dgn对应的叶片弦长与扭角；

步骤5、计算目标函数，即平均风能捕获效率P_favg；

步骤6、判断子区间边界值是否取完，若是，继续下一步；若否，返回步骤3；

步骤7、判断终止条件是否满足，如果不满足，生成新的搜索区间，然后返回步骤2；如果满足，则继续下一步；所述终止条件为子区间的长度小于或等于0.1；

步骤8、输出对应P_favg最大值的优化风轮，流程结束。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出了一种考虑设计叶尖速比对风力机静、动态性能影响的风力机气动设计方法。该方法以风机闭环性能指标——平均风能捕获效率作为目标函数，并将原先设计叶尖速比与叶片气动外形参数(弦长和扭角分布)分离设计流程的改进为联合优化。2)本发明基于Bladed的仿真结果表明本发明所提方法能够有效提高变速风机在湍流风速下的风能捕获效率，验证了本发明方法的有效性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为传统分离设计方法、本发明所提方法对应的优化风轮及初始风轮的叶片气动外形，其中图(a)为弦长对比图，图(b)为扭角对比图。

图2为优化风轮的功率系数曲线。

图3为优化风轮的运行叶尖速比的概率分布图。

具体实施方式

本发明的一种考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法，包括以下步骤：

步骤1、进行初始化操作，具体为：

步骤1-1、确定初始设计参数，包括叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型、弦长和扭角，并保持叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型不变；

步骤1-2、根据初始风轮的叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型、弦长和扭角，初始化PROPID程序；

步骤1-3、确定设计叶尖速比λ_dgn的初始搜索区间范围；确定设计叶尖速比λ_dgn的初始搜索区间范围为5到9。

步骤2、将当前搜索区间等分为4个子区间；

步骤3、任选一个子区间的边界值λ_dgn；

步骤4、利用PROPID程序完成边界值为λ_dgn的气动逆设计，获得叶片气动外形参数——弦长与扭角，具体为：

步骤4-1、确定沿叶片展向的升力系数分布和诱导因子分布；沿叶片展向的升力系数分布为翼型最大升阻比附近对应的升力系数，诱导因子分布为0.3333。

步骤4-2、执行PROPID程序，获得边界值λ_dgn对应的叶片弦长与扭角；

步骤5、计算目标函数，即平均风能捕获效率P_favg；所述目标函数为平均风能利用率P_favg：

P_wy＝0.5ρπR²v³cos³ψ

n为一个统计时段内的采样次数，ψ为偏航误差角，P_cap为实际功率，P_wy为功率最优值。

步骤6、判断子区间边界值是否取完，若是，继续下一步；若否，返回步骤3；

步骤7、判断终止条件是否满足，如果不满足，生成新的搜索区间，然后返回步骤2；如果满足，则继续下一步；所述终止条件为子区间的长度小于或等于0.1；所述新的搜索区间为以当前P_favg对应的λ_dgn为区间中点，左右区间长度为当前长度二分之一的区间。

步骤8、输出对应P_favg最大值的优化风轮，流程结束。

本发明提出了一种考虑设计叶尖速比对风力机静、动态性能影响的风力机气动设计方法。该方法以风机闭环性能指标——平均风能捕获效率作为目标函数，并将原先设计叶尖速比与叶片气动外形参数(弦长和扭角分布)分离设计流程的改进为联合优化。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

选取美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)研发的1.5MW风机作为基准，分别应用传统分离风轮优化设计方法和本发明提出优化方法进行气动优化设计。基准叶片参数见表1。

表1 1.5MW风力机叶片参数

计算P_favg所用湍流风速参数如表2所示。

表2 湍流风速参数

按照传统分离设计原则(即以风轮的C_p,max最大化为目标去选择λ_dgn并优化风轮的气动外形)，通过调用PROPID程序完成不同λ_dgn的风轮气动设计，然后分别计算各风轮的C_p,max，从而获得C_p,max最大值所对应的λ_dgn及气动外形参数。

根据本发明提出的优化方法，搜索到P_favg最大值所对应的优化风轮的气动参数。

将上述两个优化风轮分别命名为“分离优化风轮”、“联合优化风轮”。表3分别列出了两种风轮的静态气动性能C_p,max及其在同一湍流风速下的平均风能捕获效率P_favg。

表3 不同风轮静态气动性能及闭环性能对比

	分离优化风轮	联合优化风轮
			λdgn	8.5	6.2
Cp,max	0.4790(+1.08％)	0.4739
			Pfavg	0.4442	0.4547(+2.36％)

由表3可以看出：

1)分离优化风轮的静态气动性能优于联合优化风轮，前者的C_p,max较后者提高了1.08％；

2)联合优化风轮在湍流风速下的实际运行效率优于分离优化风轮，前者的P_favg较后者提高了2.36％。

尽管分离优化风轮的C_p,max大于联合优化风轮，但是由于前者的运行叶尖速比分布在设计叶尖速比的概率较小，即前者以较大功率系数捕获风能的持续时间较短，最终导致分离优化风轮的P_favg低于联合优化风轮。

综上，单点的静态气动性能最优并不能保证风力机在运行时的实际风能捕获效率最优。由于在设计时考虑到气动性能与MPPT动态过程的协调匹配，本发明公开的风轮气动设计方法可以进一步提高变速风机在湍流风速下的风能捕获效率。

Claims (5)

1.一种考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、进行初始化操作，具体为：

步骤1-1、确定初始设计参数，包括叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型、弦长和扭角，并保持叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型不变；

步骤1-2、根据初始风轮的叶片数目B、叶片半径R、轮毂半径R_hub、翼型、弦长和扭角，初始化PROPID程序；

步骤1-3、确定设计叶尖速比λ_dgn的初始搜索区间范围；

步骤2、将当前搜索区间等分为4个子区间；

步骤3、任选一个子区间的边界值λ_dgn；

步骤4、利用PROPID程序完成边界值为λ_dgn的气动逆设计，获得叶片气动外形参数——弦长与扭角，具体为：

步骤4-1、确定沿叶片展向的升力系数分布和诱导因子分布；

步骤4-2、执行PROPID程序，获得边界值λ_dgn对应的叶片弦长与扭角；

步骤5、计算目标函数，即平均风能捕获效率P_favg；

步骤6、判断子区间边界值是否取完，若是，继续下一步；若否，返回步骤3；

步骤7、判断终止条件是否满足，如果不满足，生成新的搜索区间，然后返回步骤2；如果满足，则继续下一步；所述终止条件为子区间的长度小于或等于0.1；

步骤8、输出对应P_favg最大值的优化风轮，流程结束。

2.根据权利要求1所述考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法，其特征在于，步骤1-3中，确定设计叶尖速比λ_dgn的初始搜索区间范围为5到9。

3.根据权利要求1所述考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法，其特征在于，步骤4-1中，沿叶片展向的升力系数分布为翼型最大升阻比附近对应的升力系数，诱导因子分布为0.3333。

4.根据权利要求1所述考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法，其特征在于，步骤5所述目标函数为平均风能利用率P_favg：

$P_{favg}=\frac{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{cap}\left(i\right)}{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{wy}\left(i\right)}$

$P_{cap}=T_e\mathrm{\ω}+J\mathrm{\ω}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}$

P_wy＝0.5ρπR²v³cos³ψ

n为一个统计时段内的采样次数，ψ为偏航误差角，P_cap为实际功率，P_wy为功率最优值。

5.根据权利要求1所述考虑设计叶尖速比风轮静、动态影响的风力机气动设计方法，其特征在于，步骤7中新的搜索区间为以当前P_favg对应的λ_dgn为区间中点，左右区间长度为当前长度二分之一的区间。