本發(fā)明涉及風力發(fā)電技術(shù)領域，特別涉及一種低風速變速變槳風力機葉片優(yōu)化設計方法。

背景技術(shù)：

目前，我國風電安裝地區(qū)主要集中在新疆、內(nèi)蒙等風速高且風資源豐富的地區(qū)。但一方面這些地區(qū)通常遠離電量需求大的城市區(qū)域，使得電力輸送困難；另一方面，低風速的城市密集區(qū)對能源需求不斷提高。據(jù)了解，目前全國范圍內(nèi)可利用的低風速資源面積約占全國風能資源區(qū)的68％，且均臨近用電負荷中心，電網(wǎng)、路網(wǎng)條件好，電價承受力強，若對其加以利用，能在很大程度上解決電力輸送的困難和城市密集區(qū)的能源緊缺。此外，在風力機單機容量不斷增加的同時，變速變槳技術(shù)在風力機控制中的應用也越來越廣泛，使得風機的運行可以根據(jù)風速和風向的變化而進行優(yōu)化控制，提高了風力機的運行效率及發(fā)電質(zhì)量。因此研究低風速下變速變槳風力機葉片優(yōu)化設計具有重要的應用意義。劉雄、Xiongwei Liu等以最大年發(fā)電量為目標，利用遺傳算法對定速定槳風力機葉片進行了優(yōu)化設計，并取得了良好的效果。Lin Wang等以設計風速、葉尖速比、設計攻角為變量，對定速定槳風力機葉片進行優(yōu)化設計，分析了這些變量對葉片設計的影響。此外，也有學者以減小能量成本為目標對葉片進行了優(yōu)化。

以上研究對風力機葉片的優(yōu)化設計取得了一定的成果，但未針對變速變槳風力機葉片優(yōu)化進行研究。實際上，變速變槳風力機的空氣動力學性能除取決于葉片的氣動外形外，由于可通過改變轉(zhuǎn)速和槳距角來改變氣動性能，所以在很大程度上也受到控制策略的影響。此外，優(yōu)化均是在三級以下風速較高的風場條件下進行。以上研究中的葉片氣動外形優(yōu)化設計只是針對最大弦長到葉尖的主要發(fā)電區(qū)域，或雖然是對整個葉片長度進行優(yōu)化，但沒有以平滑的曲線來表示葉片的氣動外形，這會導致加工制造的困難和葉片載荷分布不平穩(wěn)連續(xù)等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種低風速變速變槳風力機葉片優(yōu)化設計方法，以低風速條件下年發(fā)電量最大和材料成本最低為目標，以高階貝塞爾曲線來定義葉片在整個長度上的弦長和扭角，并在葉片氣動外形優(yōu)化的同時對最佳槳距角和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速進行最優(yōu)控制，使得優(yōu)化后的葉片面積減小，且年發(fā)電量增大，有效的節(jié)約了制造材料，有利于制造成本的降低。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種低風速變速變槳風力機葉片優(yōu)化設計方法，包括以下步驟：

1)設定優(yōu)化目標，目標一為風力機年發(fā)電量最大，目標二為葉片材料成本最小；

2)設定葉片優(yōu)化設計的變量；

3)設定葉片外形約束條件；

4)同時保證目標一和目標二的前提下，通過尋優(yōu)算法計算葉片每個截面的弦長和扭角的最優(yōu)解。

進一步，所述方法還包括對最佳槳距角進行最優(yōu)控制。

進一步，所述方法還包括對轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速進行最優(yōu)控制。

進一步，所述步驟1)將目的一和目的二優(yōu)化為求解以下目的函數(shù)的最小值，

其中，μ為權(quán)重系數(shù)μ∈[0,1]；常值X₁、X₂、X₃及X₄，分別為約束范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大年發(fā)電量、最小年發(fā)電量、最大葉片面積和最小葉片面積。

進一步，所述步驟2)具體為葉片每個截面的弦長分布及扭角分布均以貝塞爾曲線表示；所述葉片優(yōu)化設計的變量包括弦長控制點CP_i(i＝4,5...8)和扭角控制點TP_i(i＝1,2...4)及最佳槳距角θ_opt共10個變量。。

進一步，所述10個變量通過以下方程進行約束，

CP_max≥CP₄≥CP₅≥CP₆≥CP₇≥CP₈≥CP_min

TP_max≥TP₁≥TP₂≥TP₃≥TP₄≥TP_min

θ_max≥θ_opt≥θ_min

CP_min、CP_max、TP_min、TP_max、θ_min、θ_max均為實常數(shù)且θ_opt以一定步長增加。

進一步，，通過以下方程對最佳槳距角進行最優(yōu)控制

A(i)＝C₁A₁(i)+C₂A₂(i)+C₃A₃(i)

其中，C₁、C₂、C₃為權(quán)重系數(shù)，A₁(i)為C_Pmax評價指標，A₁(i)為C_P曲線頂端平滑評價指標，A₁(i)為葉尖速比λ評價指標，C_Pmax,i為第i個槳距角下C_P曲線中的最大C_P值；B_i表示第i個槳距角下C_Pmax,i附近不同葉尖速比λ下C_Pi(λ)與C_Pmax,i的標準差；λ_opt,i為第i個槳距角下C_Pmax對應的葉尖速比。

進一步，通過以下方程對轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速進行最優(yōu)控制，

其中，M為轉(zhuǎn)矩觀測值，ρ為空氣密度；R為風輪半徑；C_Pmax為選定槳距角下最大功率系數(shù)；ω_g為發(fā)電機轉(zhuǎn)速；G為齒輪箱傳動比；λ_opt為C_Pmax對應的葉尖速比；K_opt為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制系數(shù)。

進一步，所述步驟4)采用MATLAB編制多島遺傳算法來進行優(yōu)化，葉片氣動性能的計算采用GHBLADED，其計算模型采用葉素動量理論來對氣動性能進行計算。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的一種低風速變速變槳風力機葉片優(yōu)化設計方法，以低風速條件下年發(fā)電量最大和材料成本最低為目標，以高階貝塞爾曲線來定義葉片在整個長度上的弦長和扭角，并在葉片氣動外形優(yōu)化的同時對最佳槳距角和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速進行最優(yōu)控制，優(yōu)化后的葉片在年發(fā)電量增加的同時，大幅降低了以葉片面積代表的材料成本，對低風速條件下變速變槳風力機葉片的優(yōu)化設計具有重要意義。尤其在低風速風力機葉片應用高升阻比、高升力系數(shù)的高性能翼型時，可在增大年發(fā)電量的同時有效減小葉片弦長。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為葉片面積計算模型圖；

圖2為貝塞爾曲線定義的弦長分布；

圖3為貝塞爾曲線定義的扭角分布；

圖4為不同槳距角下的C_P曲線；

圖5為多島遺傳算法的優(yōu)化流程；

圖6為計算個體適應度函數(shù)值流程；

圖7為弦長分布對比；

圖8為扭角分布對比；

圖9為功率曲線對比；

圖10為功率系數(shù)與風速關(guān)系的對比；

圖11為功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系對比。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

本發(fā)明針對現(xiàn)有葉片直接應用于低風速風場時，氣動性能不匹配的問題，重新設計適用于低風速場的葉片成為必要，提供一種低風速變速變槳風力機葉片優(yōu)化設計方法，具體包括以下步驟：

1)設定優(yōu)化目標，目標一為風力機年發(fā)電量最大，目標二為葉片材料成本最?。?/p>

2)設定葉片優(yōu)化設計的變量；

3)設定葉片外形約束條件；

4)同時保證目標一和目標二的前提下，通過尋優(yōu)算法計算葉片每個截面的弦長和扭角的最優(yōu)解。

葉片氣動外形優(yōu)化的同時對最佳槳距角和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速進行最優(yōu)控制，使得優(yōu)化后的葉片面積減小，且年發(fā)電量增大。

葉片優(yōu)化設計模型通過以下方法建立：

設定優(yōu)化目標

風力機最終的目的在于將風能轉(zhuǎn)換為電能，所以將風力機年發(fā)電量最大作為優(yōu)化目標一：

F₁＝max(AEP) (1)

年發(fā)電量的計算式為：

AEP＝Y(jié)∫P(V)f(V)dV (2)

c＝1/Γ(1+1/k) (4)

式中：Y為一年的工作時間；P(V)為不同風速下的功率；f(V)為年風速的累計分布；k為Weibull分布的形狀因子；_c為尺度系數(shù)，在此由伽馬函數(shù)確定；為年平均風速。

風力機葉片由復合材料制成，葉片結(jié)構(gòu)密度變化不一，而且曲面形狀復雜，很難建立葉片的質(zhì)量計算模型。在這里，將葉片質(zhì)量的計算轉(zhuǎn)化為葉片面積的計算，認為面積越小則質(zhì)量越小，材料成本也就越少。所以將葉片面積也作為優(yōu)化目標二：

F₂＝min(AREA) (5)

為了計算較為準確的葉片面積，需先將葉片分為m個截面，如圖1所示。每個截面由n個點(x_i,y_i,z_i)組成。則葉片共由(m-1)(n-1)個空間四邊形組成。顯然，所有的空間四邊形都為凸四邊形，因此可以把空間四邊形的面積計算轉(zhuǎn)換為兩個三角形進行。假設第i個空間四邊形四個點為A、B、C、D，則其面積的計算為：

則葉片面積為：

利用該方法與圓柱面積公式分別對葉片葉根圓段進行面積計算(分為4個截面，每個截面均由50個點表示)，其結(jié)果誤差僅0.65％，證明了該方法計算葉片面積的經(jīng)濟性和準確性。

為方便求解，通過對目標值的一定變換將此多目標優(yōu)化問題的求解變?yōu)榍蠼鈫文繕藘?yōu)化函數(shù)的最小值：

式中：μ為權(quán)重系數(shù)μ∈[0,1]；為了使得兩個目標函數(shù)都具有同樣的數(shù)量級，加入了4個常值X₁、X₂、X₃及X₄，分別為約束范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大年發(fā)電量、最小年發(fā)電量、最大葉片面積和最小葉片面積。

優(yōu)化設計變量

弦長分布及扭角分布均以貝塞爾曲線表示。如圖2所示，弦長分布分為兩段，第一段為直線表示的葉根圓，第二段以8控制點的貝賽爾曲線來表示，從翼型過渡處開始至葉尖結(jié)束。扭角分布如圖3所示，以最大弦長處分為兩段，第一段為直線，第二段則以5控制點的貝塞爾曲線表示。

算法中變量的個數(shù)直接影響著遺傳算法的計算效率。為了減少計算中的變量個數(shù)以提高計算效率，控制點沿葉片半徑方向的位置為定值。其中弦長分布的④到⑥控制點及扭角分布的①到⑤控制點位置由余弦法得到。弦長分布的③和④控制點位置應能保證最大弦長位置不發(fā)生變化，且①、②間的距離為定值并等于③、④間的距離。

為了保證優(yōu)化后葉片能與原輪轂連接，且為了使葉根過渡段開始的位置能夠平滑過渡，所以使弦長分布中的控制點①和②的值為葉根圓直徑。此外，為了保證最大弦長處能光滑過渡，最大弦長附近的兩個控制點③和④的值也設為相同。扭角是相對于葉尖弦線來測量的，所以扭角分布中控制點⑤的值為0。

由于在優(yōu)化過程中考慮了最佳槳距角的選取和最優(yōu)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制，所以除弦長和扭角分布的控制點外，最佳槳距角θ_opt也作為一個變量給出。

由此可得，葉片優(yōu)化設計的變量有弦長控制點CP_i(i＝4,5...8)和扭角控制點TP_i(i＝1,2...4)及最佳槳距角θ_opt共10個變量。

設計變量約束

為了減少遺傳算法中劣質(zhì)個體，對弦長分布和扭角分布分別進行約束，同時對最佳槳距角進行適當范圍的約束(一般取-3°到3°)。

弦長控制點約束：

CP_max≥CP₄≥CP₅≥CP₆≥CP₇≥CP₈≥CP_min (9)

扭角控制點約束：

TP_max≥TP₁≥TP₂≥TP₃≥TP₄≥TP_min (10)

最佳槳距角約束：

θ_max≥θ_opt≥θ_min (11)

式中：CP_min、CP_max、TP_min、TP_max、θ_min、θ_max均為實常數(shù)且θ_opt以一定步長增加。

最佳槳距角和最優(yōu)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制

對變速變槳風力機來說，功率的控制根據(jù)風速分為額定風速以下和額定風速以上兩種控制方式。額定風速以下時，通過調(diào)節(jié)電機的輸出轉(zhuǎn)矩控制輸出功率，盡可能捕獲最大能量。額定風速以上時，改變風力機槳距角的方式使輸出功率保持在額定值。在額定風速以下為了實現(xiàn)最大功率追蹤，以電機轉(zhuǎn)速為對象，可分為三段。第一段為最佳葉尖速比控制的下線階段，第二段為最佳葉尖速比階段以追蹤最大功率系數(shù)，第三段段為進入變槳控制前的過渡階段^[9]。

對于變槳風力機來說，最佳槳距角即為安裝角。如圖4所示，對于同一葉片來說，在不同安裝角下其C_P曲線不同，所以有必要在優(yōu)化葉片氣動外形的同時對槳距角進行選取。在額定風速以下要捕獲更多的風能就需使C_Pmax值盡可能大，同時C_P曲線頂端也需盡可能平滑以避免較大的波動，為了減小噪音，最佳葉尖速比也要盡可能小，故選擇這三個指標對C_P曲線進行綜合評價來選取最佳槳距角。

C_Pmax評價指標：

C_P曲線頂端平滑評價指標：

葉尖速比λ評價指標：

綜合評價：

A(i)＝C₁A₁(i)+C₂A₂(i)+C₃A₃(i) (16)

其中：C_Pmax,i為第i個槳距角下C_P曲線中的最大C_P值；B_i表示第i個槳距角下C_Pmax,i附近不同葉尖速比λ下C_Pi(λ)與C_Pmax,i的標準差；λ_opt,i為第i個槳距角下C_Pmax對應的葉尖速比。C₁、C₂、C₃為權(quán)重系數(shù)。

在額定風速前，需要根據(jù)不同風速來控制轉(zhuǎn)速以進行最大功率追蹤。但由于風速需要在到達風輪之前就需要被測出，且風速在整個葉片上是不一樣的，所以很難直接通過風速來對轉(zhuǎn)速進行控制。目前常用的方法為通過轉(zhuǎn)矩觀測器來預測風力發(fā)電機組的傳動轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由式(17)進行設置。最優(yōu)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制系數(shù)K_opt由式(18)得出。

其中，M為轉(zhuǎn)矩觀測值，ρ為空氣密度；R為風輪半徑；C_Pmax為選定槳距角下最大功率系數(shù)；ω_g為發(fā)電機轉(zhuǎn)速；G為齒輪箱傳動比；λ_opt為C_Pmax對應的葉尖速比；K_opt為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制系數(shù)。

為了避免最優(yōu)解的局部收斂，步驟4)采用MATLAB編制多島遺傳算法來進行優(yōu)化，其具體步驟如圖5所示。葉片氣動性能的計算采用GH BLADED，其計算模型采用葉素動量理論來對氣動性能進行計算，并考慮了葉尖損失、輪轂損失、動態(tài)尾流模型、風剪、偏航以及風力機結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響等問題。

實施例

待設計風力機及葉片參數(shù)如下表所示：

表1優(yōu)化設計參數(shù)

應用如圖6所示流程，將本發(fā)明所述方法用于設計的具有高升力系數(shù)、高升阻比等高空氣動力學性能的CQU-A系列翼型族(厚度分別為15、18、20、25、30、35、40)按相對厚度用于某850KW葉片。為了使計算截面能真實反映出弦長和扭角分布又考慮到計算時間，在此共使用30個截面進行葉片氣動性能的計算。

優(yōu)化后葉片的槳距角為0.5°、最優(yōu)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.090689，弦長分布和扭角分布結(jié)果如圖7和圖8所示。優(yōu)化前葉片年發(fā)電量為0.9887×10¹³J，優(yōu)化后葉片年發(fā)電量為1.0238×10¹³J，增加了3.6％。同時弦長有了大幅度的減小，葉片面積減小了34.6％，有效的節(jié)約了制造材料，有利于制造成本的降低。

優(yōu)化后的功率曲線和功率系數(shù)曲線如圖9所示。由功率曲線可以看到年發(fā)電量的增加是由于額定風速之前的功率有所提高。而額定風速前功率的提高是由于額定風速前功率系數(shù)的提高，如圖10所示。由功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線的比較可以看出，功率曲線在額定風速之前增加在于兩個原因。首先，優(yōu)化后葉片的功率系數(shù)曲線中最大功率系數(shù)大于優(yōu)化前，即最大功率追蹤段功率系數(shù)大于優(yōu)化前。其次，由計算可知該850KW風力機切入電網(wǎng)時電機最小轉(zhuǎn)速對應的葉尖速比為13.57，而在優(yōu)化后的葉片在葉尖速比為6.25以后均大于優(yōu)化前，所以在葉尖速比控制的下線階段功率系數(shù)也大于優(yōu)化前，如圖11所示。

變速變槳風力機由于額定功率的限制，需要在到達額定功率后通過改變槳距角以減少能量的捕獲，所以年發(fā)電量的增加在于提高額定風速前的功率系數(shù)。因此，對于變速變槳風力機翼型設計而言，需要更偏向于額定風速前低雷諾數(shù)下翼型氣動性能的提高。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術(shù)人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。