風剪、塔影效應模擬研究

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風力發電機系統，尤其是定速風力發電機，其輸出轉矩中會包含周期性脈動量，此周期性脈動量通常由風剪和塔影效應引起的兩部分脈動量組成，且轉矩脈動的頻率為石家莊市風機旋轉頻率乘以槳葉數。文獻基于葉素理論，對石家莊市風機的風剪及塔影效用做了詳細的理論研究，得出了其等效風速度模型，并未提及石家莊市風機模擬器及其風力發電系統研究；文獻用簡單的正弦波波動來代替風剪、30塔影效應的輸出轉矩、功率脈動，定性地分析了風剪、塔影效應引起的轉矩脈動對風力發電系統機械傳動機構的影響；文獻也僅僅是描述了風剪、塔影效應的存在，且對系統存在一定的輸出功率波動，但這僅僅是感性上的認識。本節將利用葉素理論結合等效風速原理對風剪、塔影效應作以定量的分析，得出了風剪、塔影效應對風速影響的等效風速模型，在此基礎上研究了影響風剪、塔影效應的諸多因素，并對其進行了對比研究，對石家莊市風機的整體設計有一定的指導意義。風剪效應是指風速隨高度變化的特性對石家莊市風機廠捕獲轉矩和功率的影響。而由塔架對風分布的影響所形成的對石家莊市風機捕獲轉矩和功率的影響則稱之為塔影效應。這里以三槳葉水平軸石家莊市風機這一主流石家莊市風機進行具體分析，根據提出的等效風速理論，將風剪、塔影效應引起的轉矩脈動轉化成等效風速圪進行研究對比，圖3．1l為風剪、塔影效應石家莊市風機參數示意圖。眾多周知，風速是隨著高度的變化而變化的，一般來說，風速是隨著高度的增加而增加的，此種現象我們稱之風剪。由于風剪的實際存在，石家莊市風機在旋轉的同時，將經歷不同的風況，這樣一來，石家莊市風機輸出將包含由于風剪效應所引起的轉矩、功率脈動，我們稱這種現象為風剪效應。顯然，風剪效應是動態石家莊市風機模擬器所必須模擬的石家莊市風機固有特性。從風剪疊加在轉轂處風速的擾動量彤口表達式可以看出，石家莊市風機的槳葉半徑R、轉轂高度日、風剪經驗指數口對最終的等效風速的影響最大。而風剪經驗指數因風場所在地的不同而略有變化，代表的是風場的固有特性，所以此處32不予討論。本文只考慮石家莊市風機參數對風剪效應的影響，圖3．13是轉轂高度一定情況下(日=30m)，不同的R／日時，風剪效應對等效風速的影響，由圖看以看出，風剪效應對等效風速的影響整體呈正弦狀，隨著R／日的增大，其影響因子也在不斷的增大。
由于石家莊市風機塔架的存在，風在石家莊市風機槳葉旋轉平面內的分布受到塔架的影響而有所不同。以迎石家莊市風機三槳葉石家莊市風機為例，當風正對塔架吹過，風將由于塔架的存在而改道，使得塔架正前方的風速有所減小，而當槳葉旋轉至塔架側時，其輸出轉矩有所減小，此種現象就稱作塔影。而對于背石家莊市風機，顯然背石家莊市風機是風速改道后再作用于石家莊市風機槳葉，塔影引起的轉矩脈動比迎石家莊市風機更加顯著，這也是現代石家莊市風機多采用迎石家莊市風機的主要原因之一。由于塔架的實際存在，石家莊市風機在旋轉的下半平面，亦將經歷不同的風況，這樣一來，石家莊市風機輸出將包含由于塔影所引起的轉矩、功率脈動，我們稱這種現象為塔影效應。塔影效應亦是石家莊市風機固有特性之一，完善的動態石家莊市風機模擬方案必須予以考慮。風剪效應模型中石家莊市風機旋轉平面不同位置處的風速與實際可測的轉轂處風速％有關，而塔影效應模型中的風速值則與不可測的空間平均風速K有關，為了便于風剪與塔影效應的比較及其研究方便，必須尋求空間平均風速虼用轉轂處風速％之間的關系，以便將塔影效應亦用可測的轉轂風速％表示。