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随着陆上风机轮毂高度提升至 200 m 级,传统机械式测风塔已难以满足 200 m 以上高度风资源评估需求.本文依托山地、丘陵、平原 8 个激光雷达测风站点的逐 10 min 时间序列数据,系统分析200 m 及以上高度风切变指数 α 的垂直分布、区域差异、大气稳定度耦合特征及时空变化规律,并结合180～240 m超高轮毂高度风机开展风资源评估与多场景经济性分析.研究表明,300 m高度内豫鄂地区风切变随高度呈"快速递减—趋于平缓"两阶特征,而陕西风切变垂直变化更稳定;大气稳定度随高度升高趋于不稳定,陕西部分山地出现强湍流风切变;通过经济性分析,确立了以α=0.175为经济性判定阈值,高风切变区域(α≥0.175)200 m及以上高塔架可显著提升项目收益率,临界风切变区域(α≈ 0.175)需结合具体成本电价精细比选,低风切变区域(α<0.175)应选用低塔架方案.研究结果可为风电项目投资决策、高塔风机选型与风资源精细化管理提供支撑.
激光雷达测风风切变高塔架风机风资源评估经济性评价
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基于钢-混凝土混合塔架已成为高轮毂风电机组的主流支撑结构,其门洞区域与钢-混凝土连接段作为受力最复杂、最薄弱的 2 个关键部位,其可靠性直接决定整个塔架系统在全生命周期内的安全性与耐久性.该文以某风电场 131.4 m 高混凝土塔段为例,采用有限元分析软件完成精细化模型建立,对门洞与连接段进行承载力极限状态下的弹塑性静力进行研究.研究结果表明,钢-混凝土塔架承载能力极限状态下,混凝土塔架局部区域主应力超出混凝土强度设计值.钢-混凝土混合塔架的门洞区域第一主应力超限区域均与环向呈较小角度,可通过增加环向配筋和斜向钢筋来提高抗拉承载力;第三主应力超限区域可以通过提高混凝土标号来提高该位置的承载力.连接段内侧截面变化位置混凝土第一主应力较大,为提高结构安全性,设计时可在该位置适当增加径环向构造钢筋以实现更优抗力.
钢-混凝土门洞连接段极限承载有限元分析
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主轴连接螺栓是一种陆上超大型风电机组轮毂与主轴的关键承力部件,其受力状态直接关系到机组运行可靠性.以该风机主轴与轮毂连接专用10.9级M56×5 42CrMo高强度螺栓为研究对象.依据VDI2230标准构建工程算法模型,同时采用ANSYS开展精细化仿真分析.从预紧力、载荷分配、应力分布、强度校核四个维度进行对比研究,分析两种算法的计算偏差、误差来源及适用性.结合超大风机主轴连接螺栓的工作特性,提出"VDI2230初算选型+ANSYS仿真校核优化+实测数据校准"的三阶段计算策略,作为超大型风电机组主轴连接螺栓的选型设计依据.
陆上超大风机主轴连接螺栓VDI2230ANSYS仿真
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尾流结构是影响山地风电场布局优化和功率预测的关键因素.为提高尾流结构的预测精度,本文基于5 m分辨率数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)构建三维山地地形,结合全尺寸风力机几何建模与雷诺平均纳维-斯托克斯方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations,RANS),采用SST k-ω湍流模型的数值模拟方法对山东省某实际山地风电场850 kW风力机尾流流场进行了模拟,并利用无人机实测数据对模拟结果进行了验证.研究表明:迎风坡使轮毂高度风速加速比达1.23;尾流速度在7D(D=58 m,为风轮直径)处出现最大亏损69.04％,恢复过程受二次山坡阻滞;湍动能受地形影响,坡前剪切强化诱发-7D处湍动能最大值为0.78 m2/s2,下坡耗散使1D～5D区间湍动能最大值衰减68％,二次爬坡触发6D～10D持续较高值(kmax=1.76 m2/s2).研究结果可为复杂地形下风电场的微观选址、风机布局及机组适应性分析提供参考.
复杂地形风力机尾流全尺寸数值模拟尾流特性湍动能
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针对风电超短期功率预测中风速表征失真与模型动态响应不足的问题,本文提出一种融合高精度来流风速特征与 TimeMixer 模型的预测方法.首先,考虑风电场地形特性、机组间布局与尾流干扰,构建空间修正风速场并计算机组轮毂高度处未受扰动的真实来流风速;其次,以来流风速为输入特征,改进 TimeMixer 模型,在其中引入趋势性-高频波动性双通道特征分离机制,通过多尺度特征融合策略,强化模型对机组功率演化中高频波动与低频趋势的协同捕捉能力;最后,将本文预测方法与机舱风速模型进行对比,并利用云南曲靖山地风电场实测数据开展模型验证.结果表明:本文以来流风速为输入的改进 TimeMixer 模型在均方根误差 Ermse、平均绝对误差 Emae、相关系数 r 和合格率 QR 4 项指标上较机舱风速模型分别提升 18.75%、25%、7.69%、6.37%;相较传统时间卷积网络(temporal convolutional network,TCN)与长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM),改进 TimeMixer 模型在趋势跟踪与波动响应捕捉方面表现更优,相关系数 r 分别提升 2.46%与 5.04%.本文方法有效提升了超短期功率预测精度,可为高比例新能源电力系统稳定运行提供一定技术支撑.
超短期功率预测来流风速TimeMixer模型风电机组机舱风速模型
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纵荡运动会显著影响漂浮式风力机(floating offshore wind turbine,FOWT)的推力系数变化和尾流发展特性.本文在高阶高斯模型的基础上,考虑 FOWT 纵荡运动引起的附加风速,提出了 FOWT 尾流模型 HG-DFOWT(high-order Gaussian dynamic floating offshore wind turbine model),以预测风力机尾流分布及推力系数变化.模型首先修正了FOWT 纵荡时轮毂位置变化,然后通过纵荡产生的附加速度修正风轮处相对入流风速,其次根据 FOWT 一阶正弦运动建立推力系数动态变化模型,最后将模型预测结果与风洞试验结果和 CFD 数值模拟结果进行对比,验证模型的可靠性.结果表明,逆风运动下,模型对 FOWT 的垂向尾流预测结果与风洞试验结果的均方根误差为 4.04%,顺风运动下,误差为 1.47%.修正后的推力系数与 CFD 计算结果具有良好的一致性,高频纵荡下(f≥0.072 Hz),两者的平均相对误差小于 1%.此外,还分析了一个纵荡周期内不同时刻的尾流分布特性,结果发现,FOWT 下游相同位置处尾流亏损在时均值附近呈周期性波动,尾流中心风速受纵荡频率影响较大,高频运动下(f=0.09 Hz)波动幅值达 7.1%.本文模型可为构建漂浮式风电场布局优化模型提供参考.
尾流模型漂浮式风力机纵荡运动尾流特性推力系数
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针对传统风速计算方法,以一个高度点的风速代表巨大风轮扫掠面内风速的不准确性,在国际标准提出的计算方法基础上,通过理论推导提出了一种风轮等效风速的简单计算方法.通过对比分析不同风切变条件下风轮半径和轮毂高度对传统风速处理方法精度的影响,研究了传统方法与风轮等效风速法在计算风速、风能利用系数及发电量方面的偏差特征.结果表明,采用传统风速计算方法在风切变较大或负切变条件下会引入显著的系统误差,且该误差随风轮半径增大及叶尖离地高度减小而加剧.数据证实,所提出的基于风轮等效风速的简便算法能够有效修正此类误差,更准确地反映整个风轮平面的实际风能获取情况.该方法为复杂风切变条件下的项目风资源评估及发电量估算提供了更为可靠的技术手段.
风轮等效风速风能公式空气密度风切变风能利用系数发电量
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[目的]针对风电四点支撑传动链按纯扭设计、忽略弯矩传递的问题,深入探究液压弹性支撑受载机制及系统微变形导致的额外弯矩传递规律,为传动链部件设计优化提供参考.[方法]首先,分析液压弹性支撑的刚度组成与弯矩传递机制,明确弯扭耦合叠加特性,为建模提供依据;其次,基于SIMPACK软件建立传动链动力学模型,提出等效扭转刚度计算方法,实现垂向与扭转刚度解耦,保障模型真实性;然后,在6自由度试验台开展弯扭耦合测试,通过控制变量法施加不同工况载荷,获取轮毂中心与齿轮箱输入端载荷数据;最后,对比仿真与测试结果,分析偏差原因并修正模型,验证方法可靠性.[结果]结果表明,仿真与测试在弯矩传递趋势及定量上高度一致,齿轮箱输入端弯矩最大偏差≤7.71%;轮毂中心弯矩部分传递至齿轮箱,大载荷区间传递比例<3%,小载荷区间<4%.该结果对传动链相关部件设计具有实际指导意义.
风电传动链四点支撑液压弹性支撑弯矩传递
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风电机组等效疲劳载荷直接影响机组疲劳寿命和安全性.为了更好地保证机组安全性,利用仿真软件对某双馈机组等效疲劳载荷进行风况参数敏感性分析,分析不同空气密度、湍流强度、年平均风速、威布尔分布形状参数K值及风切变对风电机组关键等效疲劳载荷分量的影响规律.结果表明,与风切变相比,等效疲劳载荷对密度、湍流、年平均风速、K值的变化较为敏感,且其受以上风况参数影响规律呈线性变化趋势;不同坐标系载荷受风切变影响不同,旋转轮毂My和叶根My等效疲劳载荷受风切变的影响较大,固定轮毂My、偏航My及塔架My等效疲劳载荷基本不受风切变的影响.文中研究结果对特定场址机组的安全性评估工作具有重要意义.
风电机组等效疲劳载荷不同风况参数
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基于气象要素实况、再分析及风机资料,采用数理统计方法确定河南省山地风电场风机叶片覆冰发生及消融时的关键气象要素阈值.结合Makkonen结冰增长模型,建立河南省山地风电场风机覆冰起止时间预报模型,将中国气象局风能太阳能预报系统(China Meteorological Administration Wind Energy and Solar Energy Forecasting System,CMA-WSP)模拟结果作为输入数据,对2022年冬季河南省典型山地风电场覆冰进行预报检验.结果表明:(1)适宜河南省山地风机覆冰发生的气象要素阈值为轮毂高度处气温-7～2℃、风速2～10 m/s、相对湿度≥80%,并伴有微量降水;覆冰消融的气象要素阈值为气温>2℃、风速1～6 m/s、相对湿度<80%.(2)Makkonen模型的覆冰事件报出率达70%,优于阈值法的60%;Makkonen模型提前1 d的方案表现最佳,覆冰开始时间和结束时间预测的平均绝对误差分别为5.0和4.4 h.(3)Makkonen模型能够较准确地预测覆冰起止时间并提前预警,在河南山地风电场低温高湿条件下适用性良好.
风电场风机覆冰覆冰起止时间Makkonen模型预报预警
