风剪、塔影效应模拟研究

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风力发电机系统，尤其是定速风力发电机，其输出转矩中会包含周期性脉动量，此周期性脉动量通常由风剪和塔影效应引起的两部分脉动量组成，且转矩脉动的频率为石家庄市风机旋转频率乘以桨叶数。文献基于叶素理论，对石家庄市风机的风剪及塔影效用做了详细的理论研究，得出了其等效风速度模型，并未提及石家庄市风机模拟器及其风力发电系统研究；文献用简单的正弦波波动来代替风剪、30塔影效应的输出转矩、功率脉动，定性地分析了风剪、塔影效应引起的转矩脉动对风力发电系统机械传动机构的影响；文献也仅仅是描述了风剪、塔影效应的存在，且对系统存在一定的输出功率波动，但这仅仅是感性上的认识。本节将利用叶素理论结合等效风速原理对风剪、塔影效应作以定量的分析，得出了风剪、塔影效应对风速影响的等效风速模型，在此基础上研究了影响风剪、塔影效应的诸多因素，并对其进行了对比研究，对石家庄市风机的整体设计有一定的指导意义。风剪效应是指风速随高度变化的特性对石家庄市风机厂捕获转矩和功率的影响。而由塔架对风分布的影响所形成的对石家庄市风机捕获转矩和功率的影响则称之为塔影效应。这里以三桨叶水平轴石家庄市风机这一主流石家庄市风机进行具体分析，根据提出的等效风速理论，将风剪、塔影效应引起的转矩脉动转化成等效风速圪进行研究对比，图3．1l为风剪、塔影效应石家庄市风机参数示意图。众多周知，风速是随着高度的变化而变化的，一般来说，风速是随着高度的增加而增加的，此种现象我们称之风剪。由于风剪的实际存在，石家庄市风机在旋转的同时，将经历不同的风况，这样一来，石家庄市风机输出将包含由于风剪效应所引起的转矩、功率脉动，我们称这种现象为风剪效应。显然，风剪效应是动态石家庄市风机模拟器所必须模拟的石家庄市风机固有特性。从风剪叠加在转毂处风速的扰动量彤口表达式可以看出，石家庄市风机的桨叶半径R、转毂高度日、风剪经验指数口对最终的等效风速的影响最大。而风剪经验指数因风场所在地的不同而略有变化，代表的是风场的固有特性，所以此处32不予讨论。本文只考虑石家庄市风机参数对风剪效应的影响，图3．13是转毂高度一定情况下(日=30m)，不同的R／日时，风剪效应对等效风速的影响，由图看以看出，风剪效应对等效风速的影响整体呈正弦状，随着R／日的增大，其影响因子也在不断的增大。
由于石家庄市风机塔架的存在，风在石家庄市风机桨叶旋转平面内的分布受到塔架的影响而有所不同。以迎石家庄市风机三桨叶石家庄市风机为例，当风正对塔架吹过，风将由于塔架的存在而改道，使得塔架正前方的风速有所减小，而当桨叶旋转至塔架侧时，其输出转矩有所减小，此种现象就称作塔影。而对于背石家庄市风机，显然背石家庄市风机是风速改道后再作用于石家庄市风机桨叶，塔影引起的转矩脉动比迎石家庄市风机更加显著，这也是现代石家庄市风机多采用迎石家庄市风机的主要原因之一。由于塔架的实际存在，石家庄市风机在旋转的下半平面，亦将经历不同的风况，这样一来，石家庄市风机输出将包含由于塔影所引起的转矩、功率脉动，我们称这种现象为塔影效应。塔影效应亦是石家庄市风机固有特性之一，完善的动态石家庄市风机模拟方案必须予以考虑。风剪效应模型中石家庄市风机旋转平面不同位置处的风速与实际可测的转毂处风速％有关，而塔影效应模型中的风速值则与不可测的空间平均风速K有关，为了便于风剪与塔影效应的比较及其研究方便，必须寻求空间平均风速虼用转毂处风速％之间的关系，以便将塔影效应亦用可测的转毂风速％表示。