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由于风向的时变性,风电机组偏航运行成为常态。当风向与风轮轴线不平行时,风电机组处于偏航状态,偏航影响风电机组能量捕获,因此大型风电机组都配置了偏航对风装置。然而,偏航机构的启动需要偏航角大于设定的临界值,因为频繁的偏航动作不仅会加重偏航执行机构的负担(影响寿命),偏航过程中也会出现较大的风电机组振动幅度(影响稳定性)。因此,针对风电机组偏航的研究也就尤为重要。虽然国内外针对风电机组偏航已经从不同角度开展了大量的研究工作,但由于偏航运行状态下风电机组运行机制的复杂性,一些问题现有研究还没有厘清,仍需要进一步深入研究。为此,本文对大型风电机组偏航运行机制展开了数值仿真与现场数据分析。本文的主要研究工作和创新如下:(1)本文的数值仿真采用CFD(Computational fluid dynamic)方法,并借助ANSYS WORKBENCH软件进行计算。首先对风电机组CFD仿真的流场进行了优化,确定了合适的流场入口直径和出口直径,分析了流场入口直径与出口直径之间的比例关系对模拟结果的影响。分析了不同工况下偏航对风电机组叶片气动载荷的影响。在考虑风速,转速,桨距角的影响的情况下,设计了多因素正交试验,并进行了多元线性回归分析,建立了偏航角与叶片摆振、挥舞方向力矩的关系模型。(2)对偏航状态下风电机组能量捕获进行了分析。将风轮能量捕获损失因子(风能利用系数)细分为气动损失因子和惯性损失因子,即同时考虑了风轮气动特性和机械惯性对风能捕获的影响,扩展了对现有风能利用系数的机理认识。基于CFD仿真,分析了风切变状态下偏航对风电机组能量捕获的影响。其次,从叶片在有限元中发生变形和在三维建模阶段对叶片进行弯曲变形两个角度分析了叶片变形状态下偏航对风电机组能量捕获的影响。(3)基于现场数据(SCADA,Supervisory Control and Data Acquisition),分析了风电机组偏航运行特性。从系统分析的角度,将外部风速视为(风电机组)系统输入,转速、转矩视为中间变量,发电机功率输出视为系统输出,以此为基础对风—功率关系、偏航系数—功率关系、偏航状态下风能利用系数和转矩特性等进行了分析。获得了偏航系数对风电机组功率、风能利用系数以及机械转矩的影响规律,讨论了风力机内部影响机制与外部输出之间的关系。