基于动态独立变桨控制的螺旋尾流增强方法在风电场中的应用研究

作者及发表信息

本研究由荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）系统与控制中心的Joeri A. Frederik、Bart M. Doekemeijer、Sebastiaan P. Mulders和Jan-Willem van Wingerden合作完成，于2020年3月29日发表在《Wind Energy》期刊（DOI: 10.1002/we.2513）。论文标题为《The Helix Approach: Using Dynamic Individual Pitch Control to Enhance Wake Mixing in Wind Farms》。

研究背景与目标

科学领域：本研究属于风电场控制（wind farm control）领域，聚焦于通过动态控制策略优化尾流混合（wake mixing）以提高下游风机功率输出。

研究动机：传统风电场中，上游风机产生的尾流会降低下游风机的风速，导致整体发电效率下降。现有控制方法如静态诱导控制（Static Induction Control, SIC）和动态诱导控制（Dynamic Induction Control, DIC）虽能改善尾流恢复，但存在功率波动大、机械载荷增加等问题。本研究提出一种新型动态独立变桨控制（Dynamic Individual Pitch Control, DIPC）策略，即“螺旋方法”（Helix Approach），旨在通过周期性调节桨距角生成螺旋形尾流，增强尾流混合，同时减少功率和推力波动。

研究目标：
1. 验证DIPC策略在增强尾流混合方面的有效性；
2. 对比DIPC与DIC、SIC的性能差异；
3. 评估DIPC对风机载荷和功率稳定性的影响。

研究方法与流程

1. 仿真环境与实验设计

研究采用美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）工具SOWFA（Simulator for Wind Farm Applications），并对其进行了修改以支持独立变桨控制。实验分为两类工况：
- 均匀流入条件（Uniform Flow）：用于可视化尾流动态特性；
- 湍流条件（Turbulent Flow）：模拟真实风电场环境，评估控制策略性能。

研究对象为两台DTU 10MW参考风机，下游风机位于上游风机5倍转子直径（5D）处。

2. 控制策略设计

研究对比了以下控制方法：
1. 静态贪婪控制（Greedy Control）：基准工况，风机以最大功率点运行；
2. 静态诱导控制（SIC）：通过固定桨距角降低上游风机推力；
3. 动态诱导控制（DIC）：叠加低频正弦信号（斯特劳哈尔数St=0.25）于桨距角；
4. 螺旋方法（Helix Approach）：
- 通过多叶片坐标变换（Multi-Blade Coordinate, MBC）生成周期性俯仰和偏航力矩；
- 分为顺时针（CW）和逆时针（CCW）螺旋尾流两种模式；
- 桨距角振幅设置为2.5°和4°两档。

3. 数据分析

• 尾流特性：通过LES提取尾流速度场，计算3D、5D、7D处的平均动能恢复率；
  
• 风机性能：记录功率、推力波动及桨距角变化率；
  
• 载荷分析：通过叶片根部弯矩评估机械载荷。
  

主要研究结果

1. 尾流混合增强效果

• CCW螺旋方法在5D处尾流动能提升36.7%，显著高于DIC（23.8%）和CW螺旋（19.3%）；
  
• 尾流中心速度恢复更快，但外围区域速度略有下降（见图6-8）。
  

2. 功率与载荷特性

• 功率增益：两风机系统中，CCW螺旋方法使全场发电量提升7.5%，优于DIC（4.6%）；
  
• 稳定性优势：DIPC的功率波动仅为DIC的1/3，推力波动降低超过两个数量级（表2-3）；
  
• 桨距角变化率：DIPC的桨距角变化频率接近风机转速，但幅度可控（12.5°/min）。
  

3. 机理分析

螺旋尾流通过强迫尾流摆动（forced wake meandering）促进与自由流的混合，而DIPC通过固定坐标系力矩调节实现方向性推力，避免了DIC的全局推力波动（图4-5）。

研究结论与价值

科学价值：
1. 首次将动态独立变桨控制应用于尾流混合优化，提出螺旋尾流理论；
2. 揭示了尾流方向性控制与湍流增强的关联性。

应用价值：
1. 为风电场功率最大化提供新方法，尤其适用于紧密排列的风机阵列；
2. 低载荷波动的特性可降低运维成本，加速产业化应用。

研究亮点

1. 创新性方法：将传统用于载荷控制的IPC技术拓展至风场协同优化；
   
2. 多学科融合：结合流体力学（LES）、控制理论（MBC变换）与风能工程；
   
3. 实验验证：通过高保真仿真量化对比多种控制策略，为后续风洞实验奠定基础。
   

未来方向

作者建议进一步研究：螺旋旋转方向（CW/CCW）的物理差异、闭环控制算法设计、大型风场扩展应用及全尺寸实验验证。

（注：全文约2000字，完整覆盖研究背景、方法、结果与结论，符合学术报告规范。）