[發(fā)明專(zhuān)利]基于運(yùn)行攻角偏差修正的低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010055001.1
• 申請(qǐng)日: 2020-01-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111209638B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 殷明慧;高一帆;陳載宇;鄒云;卜京;王靜波;葛嵩林;徐暢;李陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/20;G06F111/10;G06F111/06
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于運(yùn)行攻角偏差修正的低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，該方法首先推導(dǎo)葉片上葉素運(yùn)行攻角相對(duì)最佳攻角的偏移量，建立運(yùn)行攻角偏移量與設(shè)計(jì)葉尖速比、葉素徑向位置間的函數(shù)關(guān)系；然后構(gòu)建基于四分法的設(shè)計(jì)葉尖速比搜索方法和基于偏差量分布規(guī)律的設(shè)計(jì)攻角修正方法；最后利用基于PROPID程序的逆設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的葉片弦長(zhǎng)、扭角分布。本發(fā)明從協(xié)調(diào)氣動(dòng)性能和跟蹤控制效果對(duì)低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片的幾何外形進(jìn)行優(yōu)化，在保證葉片外形滿(mǎn)足加工和結(jié)構(gòu)性能要求的前提下，有效提高了低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的平均風(fēng)能捕獲效率和動(dòng)態(tài)年發(fā)電量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是一種基于運(yùn)行攻角偏差修正的低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)(Variable-Speed Wind Turbines VSWTs)已成為風(fēng)電市場(chǎng)上的主要機(jī)型。葉片氣動(dòng)性能直接決定低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)效率，而設(shè)計(jì)葉尖速比λ_opt和設(shè)計(jì)攻角α_dgn是影響氣動(dòng)性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。傳統(tǒng)氣動(dòng)逆設(shè)計(jì)方法基于低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)在大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)階段始終運(yùn)行在設(shè)計(jì)葉尖速比λ_opt、始終以最大風(fēng)能利用系數(shù)捕獲來(lái)流風(fēng)能這一隱含假設(shè)，通常只針對(duì)單一的靜態(tài)氣動(dòng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。即依據(jù)葉素-動(dòng)量理論選擇對(duì)應(yīng)最大的葉尖速比作為λ_opt，選擇最佳攻角α_opt(即對(duì)應(yīng)翼型升阻比最大的攻角)作為設(shè)計(jì)攻角α_dgn。但低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于實(shí)際湍流風(fēng)況時(shí)，由于大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量風(fēng)輪的慢動(dòng)態(tài)特性，MPPT控制下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤快速波動(dòng)的風(fēng)速。這導(dǎo)致風(fēng)輪在大部分時(shí)間運(yùn)行在非設(shè)計(jì)葉尖速比，相應(yīng)地，其上葉素的運(yùn)行攻角也偏離α_opt。利用這類(lèi)依據(jù)靜態(tài)氣動(dòng)性能選擇λ_opt和α_dgn的傳統(tǒng)氣動(dòng)逆設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的葉片，運(yùn)行于湍流風(fēng)況下氣動(dòng)效率將低于設(shè)計(jì)預(yù)期。

針對(duì)這一現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)從協(xié)調(diào)低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤性能的角度出發(fā)，提出了重點(diǎn)優(yōu)化來(lái)流風(fēng)能分布集中葉尖速比區(qū)間風(fēng)能利用系數(shù)C_P的方法。這類(lèi)方法將不同運(yùn)行葉尖速比對(duì)應(yīng)C_P的加權(quán)平均作為多工況目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)遺傳算法直接修改葉片的弦長(zhǎng)、扭角，最終搜索到對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)最大的弦長(zhǎng)、扭角作為優(yōu)化葉片的氣動(dòng)外形。該方法由于依賴(lài)智能算法進(jìn)行尋優(yōu)，應(yīng)用時(shí)存在優(yōu)化變量維數(shù)多、計(jì)算成本較高的缺點(diǎn)，且優(yōu)化結(jié)果具有隨機(jī)性，且可能收斂于局部解。

這類(lèi)方法未給出跟蹤動(dòng)態(tài)性能和氣動(dòng)性能的影響因素。在機(jī)理上，低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的跟蹤動(dòng)態(tài)性能由設(shè)計(jì)葉尖速比λ_opt決定，λ_opt越小，相同風(fēng)速變化引起的最優(yōu)轉(zhuǎn)速變化越小，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速能夠越快地跟蹤上最優(yōu)轉(zhuǎn)速；氣動(dòng)性能由葉素的運(yùn)行攻角決定，運(yùn)行攻角越接近最優(yōu)攻角α_opt，翼型升阻比越大，氣動(dòng)效率越高。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)葉尖速比λ_opt和設(shè)計(jì)攻角α_dgn，可以基于逆設(shè)計(jì)方法直接獲得優(yōu)化的葉片氣動(dòng)外形，優(yōu)化結(jié)果快速、準(zhǔn)確。因此如何選擇λ_opt和α_dgn這兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，以改善低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能和運(yùn)行攻角分布，提高M(jìn)PPT階段來(lái)流風(fēng)能的捕獲，現(xiàn)有技術(shù)還有待完善。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于運(yùn)行攻角偏差修正的低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)葉尖速比和設(shè)計(jì)攻角這兩個(gè)關(guān)鍵氣動(dòng)參數(shù)，優(yōu)化低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)MPPT階段的跟蹤動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)行攻角，在保證葉片外形滿(mǎn)足加工和結(jié)構(gòu)性能要求的前提下，有效提高低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的平均風(fēng)能捕獲效率和動(dòng)態(tài)年發(fā)電量。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于運(yùn)行攻角偏差修正的低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1、設(shè)置葉片氣動(dòng)外形的初始參數(shù)，具體為：