【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)固定的邊界。，不同推力系數(shù)下，風(fēng)輪下游相同位置的尾流邊界位置是不相同的，這是因?yàn)槲擦髁鲌?chǎng)的發(fā)展不僅與風(fēng)力機(jī)幾何參數(shù)和周圍環(huán)境有關(guān)，而且還與來流條件以及風(fēng)輪工作狀態(tài)有關(guān)，Park模型的邊界模型沒有考慮這些因素，顯然是不夠準(zhǔn)確的。而本文所建立的尾流邊界模型是以推力系數(shù)為變量，即考慮了相關(guān)的因素，得到的效果明顯要優(yōu)于Park模型的邊界模型。 建立的尾流邊界模型、Park模型的尾流邊界模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較綜合尾流模型以及邊界模型可確定出下游風(fēng)機(jī)的風(fēng)速 ： （） 由上面所列 的式子代進(jìn)去，求出速度的關(guān)系式 風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)能中捕獲的功率為： （） （）通過對(duì)變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的分析，確定其關(guān)于最小二乘法的曲面擬合函數(shù)。 用最小二乘法進(jìn)行曲面擬合的優(yōu)化求解，得到一個(gè)擬合結(jié)果，使均方誤差最小，完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型中風(fēng)能利用系數(shù)的曲面擬合。 對(duì)于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，系統(tǒng)通過控制葉片的攻角以改變氣固藕合模型中葉片的軸向迎風(fēng)面積，以及流經(jīng)風(fēng)輪掃略面的氣流的大小。在柱坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型的定解條件中，分別選擇槳距角β1=0，β2=。將計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算得到的沿風(fēng)輪軸向風(fēng)速變化情況利用origin繪圖軟件繪制出來。圖中曲線2為槳距角β1=0時(shí)的軸向風(fēng)速變化曲線，曲線1為槳距角β2=/6時(shí)的軸向風(fēng)速變化曲線。 空氣流過風(fēng)輪截面前后的情況 由仿真計(jì)算結(jié)果可知:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪作用可視為一臺(tái)阻力設(shè)備，再起作用下，風(fēng)輪上游風(fēng)速u0到風(fēng)輪掃略面處風(fēng)速u1，直至尾流中的風(fēng)速逐步減弱。在風(fēng)輪附近風(fēng)速的衰減較快。風(fēng)速沿風(fēng)輪軸向水平速度連續(xù)地減小，反映出圓柱型空間內(nèi)水平速度分量的特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)氣動(dòng)特性數(shù)值模擬的風(fēng)速變化仿真結(jié)果符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處流場(chǎng)的的實(shí)際情況。 葉片槳距角的變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)氣固藕合模型中氣流的變化起著重要的作用。相同工況下槳距角大小決定模型的定解條件中的a取值，風(fēng)輪附近氣流延x軸向的風(fēng)速變化在槳距角較大時(shí)，衰減較快。由于本節(jié)建立模型的控制方程組主要描述流經(jīng)風(fēng)輪的氣流能量變化情況，可以看出較大的葉片槳距角會(huì)影響流經(jīng)風(fēng)輪氣流的能量衰減，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪捕獲較多的風(fēng)能。因此，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以通過控制葉片的槳距角實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固藕合模型中風(fēng)輪的氣動(dòng)特性進(jìn)行適當(dāng)控制，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速變化作用下控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量捕獲值的控制。許多專家在此方面做了大量工作，并己對(duì)變槳控制的作用取得基本一致的認(rèn)識(shí):首先，變槳距系統(tǒng)可以被用來輔助啟動(dòng)過程，適當(dāng)?shù)淖儤刂瓶梢栽黾语L(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其次，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，特別是超過額定風(fēng)速后，通過調(diào)整葉片的攻角，可以控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和輸出功率穩(wěn)定。同時(shí)，通過控制葉片的槳距角，可以減小風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)軸的負(fù)荷以及機(jī)組機(jī)械載荷的變化。最后，當(dāng)安全鏈斷開時(shí)，變槳系統(tǒng)轉(zhuǎn)向順槳位置，從而提供一個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)的剎車作用等。 葉尖速比是旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪的葉尖速度與風(fēng)速之比，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型中的一個(gè)重要參數(shù)，表示為: （）葉尖速比直接影響葉片的能量捕獲，并且影響風(fēng)能利用系數(shù)Cp。在實(shí)際中常用風(fēng)能利用系數(shù)Cp對(duì)葉尖速比λ的變化曲面反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)特性?？梢钥闯鲲L(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ和槳距角β具有非線性函數(shù)關(guān)系。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)運(yùn)行時(shí)，可通過調(diào)節(jié)槳距角刀降低風(fēng)能利用系數(shù)Cp，從而將風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速ω0。 貝茲理論在制動(dòng)盤概念下，應(yīng)用動(dòng)量一葉素理論推導(dǎo)出理想的最大風(fēng)能利用系數(shù)CPmax、[63]。也就是說假設(shè)風(fēng)速經(jīng)過風(fēng)輪掃掠面后降為0。由這一理論推導(dǎo)Cp值時(shí)，需要確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸向誘導(dǎo)因子a。但是在實(shí)際應(yīng)用中軸向誘導(dǎo)因子a。很難準(zhǔn)確確定，因此，需要通過對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的離散點(diǎn)擬合出連續(xù)的Cp曲面。 風(fēng)能利用系數(shù)曲面的擬合的準(zhǔn)確度對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型的建立是至關(guān)重要的。用最小二乘法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，并對(duì)擬合曲面進(jìn)行線性化求解，提出一種確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的辨識(shí)方法。文獻(xiàn)中給出了包含8個(gè)獨(dú)立參數(shù)的風(fēng)能利用系數(shù)曲面擬合函數(shù)，其表達(dá)式: （）式中，為系統(tǒng)模型參數(shù)；為中間變量。只要使得風(fēng)輪的葉尖速比λ=λopt ,就可維持機(jī)組在下運(yùn)行。所以經(jīng)過調(diào)整葉尖速比使其達(dá)到λopt ，則可近似將功率看成與速度的立方成正比。故有 （）運(yùn)用Matlab 求解下游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率（P2）與上游風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率（P1）的比值隨兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)之間距離D的變化。：：① 假設(shè)風(fēng)機(jī)可以自動(dòng)捕獲風(fēng)向并隨之調(diào)節(jié)予以最好的迎風(fēng)角；② 只考慮此區(qū)域的主要盛行方向，忽略次要風(fēng)向的影響；③ 菱形模型也適應(yīng)于正反兩個(gè)對(duì)立風(fēng)向。：①尾流遮擋的影響風(fēng)沿風(fēng)速方向向下游傳播可以用圓錐來表示，擴(kuò)是風(fēng)力機(jī)葉輪半徑，是風(fēng)力機(jī)在X處的投影半徑， 風(fēng)力機(jī)投影圓錐 風(fēng)力機(jī)遮擋示意圖根據(jù)公式有: （）式中，k是尾流下降系數(shù)。 對(duì)于上圖來說，如果d r(x) + ，則風(fēng)力機(jī)在尾流區(qū)域內(nèi)。其中d為尾流中心與下游風(fēng)力機(jī)中心之間的距離，r(x)是尾流半徑，是風(fēng)力機(jī)葉輪半徑。 根據(jù)下游風(fēng)力機(jī)與上游風(fēng)力機(jī)沿著風(fēng)方向在下游風(fēng)力機(jī)處的投影的重疊程度，如果下游風(fēng)力機(jī)在上游風(fēng)力機(jī)投影面積內(nèi)，則遮擋情況可以分為完全遮擋和部分遮擋。當(dāng)完全遮擋時(shí)，遮擋面積等于下游風(fēng)力機(jī)的面積，當(dāng)部分遮擋時(shí)則根據(jù)下式求解: （） 風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的任意一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能不同程度上受到多臺(tái)上游風(fēng)機(jī)的遮擋，考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力機(jī)之間的相互影響，則該風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速為: （） 式中：是未考慮尾流影響風(fēng)電場(chǎng)中任意一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速。 )表示第j臺(tái)風(fēng)力機(jī)在沒有任何塔影影響作用下的風(fēng)速。 是考慮尾流影響后第k臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)作用在第j臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的尾流速度。根據(jù)文獻(xiàn)考慮尾流影響后第j臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率為: （）式中: 是空氣密度，分別為發(fā)電機(jī)效率和機(jī)械效率，是風(fēng)輪的功率系數(shù)，用來反映風(fēng)輪從氣流中吸收能量的比例，由Betz極限的最大值為0. 593。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的功率可以看成是單臺(tái)風(fēng)力機(jī)的功率代數(shù)和，表達(dá)是為: