本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是一種考慮設(shè)計(jì)葉尖速比對(duì)風(fēng)力機(jī)靜、動(dòng)態(tài)性能影響的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，變速風(fēng)機(jī)已成為大型風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型。變速風(fēng)機(jī)大部分時(shí)間運(yùn)行于低于額定風(fēng)速的變速階段。在該階段，風(fēng)機(jī)普遍采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MaximumPowerPointTracking，MPPT)控制策略。它會(huì)根據(jù)風(fēng)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其始終運(yùn)行于設(shè)計(jì)葉尖速比λdgn。因此，傳統(tǒng)的針對(duì)變速風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)通常以λdgn處的功率系數(shù)極限Cp,max最大化為目標(biāo)，如Glauert方法、Wilson方法以及其它基于葉素動(dòng)量理論的逆設(shè)計(jì)方法。但是，上述根據(jù)Cp,max確定λdgn的方法忽略了λdgn對(duì)MPPT動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響：1、由于大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)致的慢動(dòng)態(tài)性能，風(fēng)輪的MPPT動(dòng)態(tài)過(guò)程及其對(duì)風(fēng)能捕獲效率的影響是不容忽視的。變速風(fēng)機(jī)常運(yùn)行在跟蹤λdgn的過(guò)程中而非λdgn處。且MPPT動(dòng)態(tài)過(guò)程越長(zhǎng)，風(fēng)力機(jī)偏離λdgn運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，這將導(dǎo)致較低的風(fēng)能捕獲效率。2、除了上述的功率系數(shù)極限之外，λdgn還會(huì)影響MPPT動(dòng)態(tài)過(guò)程。減小λdgn能夠縮短風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的跟蹤范圍，進(jìn)而提升風(fēng)能捕獲效率；反之，則擴(kuò)大跟蹤范圍，降低風(fēng)能捕獲效率。因此，如果僅為提高Cp,max而選擇大的設(shè)計(jì)葉尖速比，則增大的MPPT過(guò)程反而使得風(fēng)輪更長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)計(jì)葉尖速比，最終可能降低變速風(fēng)機(jī)的閉環(huán)性能。因此，針對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)逆設(shè)計(jì)，迫切需要一種能夠綜合考慮設(shè)計(jì)葉尖速比對(duì)靜態(tài)氣動(dòng)性能和MPPT動(dòng)態(tài)過(guò)程兩方面影響的設(shè)計(jì)方法。但是現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)相關(guān)描述。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種考慮設(shè)計(jì)葉尖速比風(fēng)輪靜、動(dòng)態(tài)影響的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種考慮設(shè)計(jì)葉尖速比對(duì)風(fēng)力機(jī)靜、動(dòng)態(tài)性能影響的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：步驟1、進(jìn)行初始化操作，具體為：步驟1-1、確定初始設(shè)計(jì)參數(shù)，包括葉片數(shù)目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長(zhǎng)和扭角，并保持葉片數(shù)目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型不變；步驟1-2、根據(jù)初始風(fēng)輪的葉片數(shù)目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長(zhǎng)和扭角，初始化PROPID程序；步驟1-3、確定設(shè)計(jì)葉尖速比λdgn的初始搜索區(qū)間范圍；步驟2、將當(dāng)前搜索區(qū)間等分為4個(gè)子區(qū)間；步驟3、任選一個(gè)子區(qū)間的邊界值λdgn；步驟4、利用PROPID程序完成邊界值為λdgn的氣動(dòng)逆設(shè)計(jì)，獲得葉片氣動(dòng)外形參數(shù)——弦長(zhǎng)與扭角，具體為：步驟4-1、確定沿葉片展向的升力系數(shù)分布和誘導(dǎo)因子分布；步驟4-2、執(zhí)行PROPID程序，獲得邊界值λdgn對(duì)應(yīng)的葉片弦長(zhǎng)與扭角；步驟5、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，即平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg；步驟6、判斷子區(qū)間邊界值是否取完，若是，繼續(xù)下一步；若否，返回步驟3；步驟7、判斷終止條件是否滿(mǎn)足，如果不滿(mǎn)足，生成新的搜索區(qū)間，然后返回步驟2；如果滿(mǎn)足，則繼續(xù)下一步；所述終止條件為子區(qū)間的長(zhǎng)度小于或等于0.1；步驟8、輸出對(duì)應(yīng)Pfavg最大值的優(yōu)化風(fēng)輪，流程結(jié)束。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明提出了一種考慮設(shè)計(jì)葉尖速比對(duì)風(fēng)力機(jī)靜、動(dòng)態(tài)性能影響的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。該方法以風(fēng)機(jī)閉環(huán)性能指標(biāo)——平均風(fēng)能捕獲效率作為目標(biāo)函數(shù)，并將原先設(shè)計(jì)葉尖速比與葉片氣動(dòng)外形參數(shù)(弦長(zhǎng)和扭角分布)分離設(shè)計(jì)流程的改進(jìn)為聯(lián)合優(yōu)化。2)本發(fā)明基于Bladed的仿真結(jié)果表明本發(fā)明所提方法能夠有效提高變速風(fēng)機(jī)在湍流風(fēng)速下的風(fēng)能捕獲效率，驗(yàn)證了本發(fā)明方法的有效性。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。附圖說(shuō)明圖1為傳統(tǒng)分離設(shè)計(jì)方法、本發(fā)明所提方法對(duì)應(yīng)的優(yōu)化風(fēng)輪及初始風(fēng)輪的葉片氣動(dòng)外形，其中圖(a)為弦長(zhǎng)對(duì)比圖，圖(b)為扭角對(duì)比圖。圖2為優(yōu)化風(fēng)輪的功率系數(shù)曲線。圖3為優(yōu)化風(fēng)輪的運(yùn)行葉尖速比的概率分布圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明的一種考慮設(shè)計(jì)葉尖速比風(fēng)輪靜、動(dòng)態(tài)影響的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：步驟1、進(jìn)行初始化操作，具體為：步驟1-1、確定初始設(shè)計(jì)參數(shù)，包括葉片數(shù)目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長(zhǎng)和扭角，并保持葉片數(shù)目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型不變；步驟1-2、根據(jù)初始風(fēng)輪的葉片數(shù)目B、葉片半徑R、輪轂半徑Rhub、翼型、弦長(zhǎng)和扭角，初始化PROPID程序；步驟1-3、確定設(shè)計(jì)葉尖速比λdgn的初始搜索區(qū)間范圍；確定設(shè)計(jì)葉尖速比λdgn的初始搜索區(qū)間范圍為5到9。步驟2、將當(dāng)前搜索區(qū)間等分為4個(gè)子區(qū)間；步驟3、任選一個(gè)子區(qū)間的邊界值λdgn；步驟4、利用PROPID程序完成邊界值為λdgn的氣動(dòng)逆設(shè)計(jì)，獲得葉片氣動(dòng)外形參數(shù)——弦長(zhǎng)與扭角，具體為：步驟4-1、確定沿葉片展向的升力系數(shù)分布和誘導(dǎo)因子分布；沿葉片展向的升力系數(shù)分布為翼型最大升阻比附近對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)，誘導(dǎo)因子分布為0.3333。步驟4-2、執(zhí)行PROPID程序，獲得邊界值λdgn對(duì)應(yīng)的葉片弦長(zhǎng)與扭角；步驟5、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，即平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg；所述目標(biāo)函數(shù)為平均風(fēng)能利用率Pfavg：Pwy＝0.5ρπR2v3cos3ψn為一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的采樣次數(shù)，ψ為偏航誤差角，Pcap為實(shí)際功率，Pwy為功率最優(yōu)值。步驟6、判斷子區(qū)間邊界值是否取完，若是，繼續(xù)下一步；若否，返回步驟3；步驟7、判斷終止條件是否滿(mǎn)足，如果不滿(mǎn)足，生成新的搜索區(qū)間，然后返回步驟2；如果滿(mǎn)足，則繼續(xù)下一步；所述終止條件為子區(qū)間的長(zhǎng)度小于或等于0.1；所述新的搜索區(qū)間為以當(dāng)前Pfavg對(duì)應(yīng)的λdgn為區(qū)間中點(diǎn)，左右區(qū)間長(zhǎng)度為當(dāng)前長(zhǎng)度二分之一的區(qū)間。步驟8、輸出對(duì)應(yīng)Pfavg最大值的優(yōu)化風(fēng)輪，流程結(jié)束。本發(fā)明提出了一種考慮設(shè)計(jì)葉尖速比對(duì)風(fēng)力機(jī)靜、動(dòng)態(tài)性能影響的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。該方法以風(fēng)機(jī)閉環(huán)性能指標(biāo)——平均風(fēng)能捕獲效率作為目標(biāo)函數(shù)，并將原先設(shè)計(jì)葉尖速比與葉片氣動(dòng)外形參數(shù)(弦長(zhǎng)和扭角分布)分離設(shè)計(jì)流程的改進(jìn)為聯(lián)合優(yōu)化。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述：實(shí)施例選取美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)研發(fā)的1.5MW風(fēng)機(jī)作為基準(zhǔn)，分別應(yīng)用傳統(tǒng)分離風(fēng)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和本發(fā)明提出優(yōu)化方法進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)葉片參數(shù)見(jiàn)表1。表11.5MW風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)計(jì)算Pfavg所用湍流風(fēng)速參數(shù)如表2所示。表2湍流風(fēng)速參數(shù)按照傳統(tǒng)分離設(shè)計(jì)原則(即以風(fēng)輪的Cp,max最大化為目標(biāo)去選擇λdgn并優(yōu)化風(fēng)輪的氣動(dòng)外形)，通過(guò)調(diào)用PROPID程序完成不同λdgn的風(fēng)輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)，然后分別計(jì)算各風(fēng)輪的Cp,max，從而獲得Cp,max最大值所對(duì)應(yīng)的λdgn及氣動(dòng)外形參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明提出的優(yōu)化方法，搜索到Pfavg最大值所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化風(fēng)輪的氣動(dòng)參數(shù)。將上述兩個(gè)優(yōu)化風(fēng)輪分別命名為“分離優(yōu)化風(fēng)輪”、“聯(lián)合優(yōu)化風(fēng)輪”。表3分別列出了兩種風(fēng)輪的靜態(tài)氣動(dòng)性能Cp,max及其在同一湍流風(fēng)速下的平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg。表3不同風(fēng)輪靜態(tài)氣動(dòng)性能及閉環(huán)性能對(duì)比分離優(yōu)化風(fēng)輪聯(lián)合優(yōu)化風(fēng)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(yōu)化風(fēng)輪的靜態(tài)氣動(dòng)性能優(yōu)于聯(lián)合優(yōu)化風(fēng)輪，前者的Cp,max較后者提高了1.08％；2)聯(lián)合優(yōu)化風(fēng)輪在湍流風(fēng)速下的實(shí)際運(yùn)行效率優(yōu)于分離優(yōu)化風(fēng)輪，前者的Pfavg較后者提高了2.36％。盡管分離優(yōu)化風(fēng)輪的Cp,max大于聯(lián)合優(yōu)化風(fēng)輪，但是由于前者的運(yùn)行葉尖速比分布在設(shè)計(jì)葉尖速比的概率較小，即前者以較大功率系數(shù)捕獲風(fēng)能的持續(xù)時(shí)間較短，最終導(dǎo)致分離優(yōu)化風(fēng)輪的Pfavg低于聯(lián)合優(yōu)化風(fēng)輪。綜上，單點(diǎn)的靜態(tài)氣動(dòng)性能最優(yōu)并不能保證風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際風(fēng)能捕獲效率最優(yōu)。由于在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到氣動(dòng)性能與MPPT動(dòng)態(tài)過(guò)程的協(xié)調(diào)匹配，本發(fā)明公開(kāi)的風(fēng)輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法可以進(jìn)一步提高變速風(fēng)機(jī)在湍流風(fēng)速下的風(fēng)能捕獲效率。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3