垂直軸風(fēng)力機(jī)新型變槳控制策略參數(shù)組合氣動(dòng)分析

收稿日期：2021-07-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51976131；52006148）；上?！翱萍紕?chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目（19060502200）

通信作者：李 春（1963—），男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械及工程、風(fēng)能利用等方面的研究。lichunusst@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0813 文章編號(hào)：0254-0096（2023）05-0286-08

摘 要：低尖速比下垂直軸風(fēng)力機(jī)攻角一般較大，流動(dòng)分離現(xiàn)象較嚴(yán)重，可通過(guò)變槳調(diào)整葉片攻角以減少葉片流動(dòng)分離提高其氣動(dòng)效率。以H型Darrieus垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，基于攻角隨相位角變化規(guī)律，提出一種俯仰角控制策略，此控制方式特點(diǎn)是在不同相位角時(shí)攻角成比例地減小，在大攻角時(shí)大幅減小攻角，而在小攻角時(shí)變化幅度較小，之后通過(guò)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證其效果。結(jié)果表明：所提俯仰角控制策略可顯著提升功率系數(shù)；相較單一參數(shù)控制策略，不同參數(shù)組合的控制策略方式雖然在0°～180°（迎風(fēng)區(qū)）與180°～360°（背風(fēng)區(qū)）的風(fēng)能捕獲效率會(huì)相互影響，但提升效果也更好。此外，不連續(xù)的俯仰角速度將導(dǎo)致扭矩波動(dòng)，通過(guò)采用權(quán)函數(shù)對(duì)俯仰曲線進(jìn)行擬合可消除該波動(dòng)。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力機(jī)；變槳；控制策略；參數(shù)組合；氣動(dòng)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TK83 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)能是可再生能源的一種重要表現(xiàn)形式。從自然界獲取風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能的大型機(jī)械主要分為兩類(lèi)，水平軸風(fēng)力機(jī)（horizontal axis wind turbines，HAWTs）與垂直軸風(fēng)力機(jī)（vertical axis wind turbines，VAWTs）。較之HAWTs，VAWTs齒輪箱和發(fā)電機(jī)安裝在地面，具備安裝和運(yùn)維方便，對(duì)風(fēng)向不敏感、無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置等多種優(yōu)點(diǎn)［1-2］。但VAWTs在低尖速比下攻角較大，風(fēng)能利用率較低，葉片作為VAWTs獲取風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其攻角過(guò)大極易發(fā)生流動(dòng)分離使葉片所受氣動(dòng)力急劇降低，影響獲能效率。VAWTs可通過(guò)變槳提高風(fēng)能利用率［3-5］。

2002年，Kosaku等［6］提出控制VAWTs葉片攻角的思想，通過(guò)控制葉片俯仰調(diào)整葉片攻角。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)變槳技術(shù)進(jìn)行大量研究。例如，陳偉勇等［7］和Bianchini等［8］研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高實(shí)度VAWTs，合適的靜態(tài)俯仰角可顯著提高風(fēng)能利用率。MacPhee等［9］通過(guò)彈性變形被動(dòng)控制葉片俯仰，結(jié)果顯示葉片的平均升阻比在被監(jiān)測(cè)攻角范圍內(nèi)提高4.2％。張立勛等［10］通過(guò)對(duì)主動(dòng)式變槳規(guī)律和方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)外偏置槳距角VAWTs風(fēng)能利用率提高兩倍。鄭旭陽(yáng)等［11］對(duì)多葉片風(fēng)力機(jī)進(jìn)行變槳距控制，有效改善了VAWTs的啟動(dòng)性能。張立軍等［12］提出背風(fēng)區(qū)局部葉尖速比概念并獲取最佳攻角調(diào)整策略，使得H型VAWTs風(fēng)能利用率提高11.03%。陳斌等［13］采用正弦形式的葉片變槳規(guī)律，研究不同參數(shù)對(duì)VAWTs風(fēng)能利用率的影響。趙振宙等［14］研究發(fā)現(xiàn)在低尖速比下VAWTs葉片連續(xù)俯仰運(yùn)動(dòng)可大幅抑制流動(dòng)分離，提高氣動(dòng)力，增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能。李超等［15］通過(guò)監(jiān)測(cè)葉片氣動(dòng)力，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化提供變槳數(shù)據(jù)。陳林俊等［16］通過(guò)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)流速變化，反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)決策出最優(yōu)槳距角，提高了風(fēng)能利用率。實(shí)際情況下，流場(chǎng)極其復(fù)雜，實(shí)時(shí)監(jiān)控的控制系統(tǒng)需要滿(mǎn)足極高的精度，且反饋精度也會(huì)影響VAWTs運(yùn)行穩(wěn)定性。

合理的變槳方式均會(huì)在一定程度上提高VAWTs的風(fēng)能利用率，本文提出一種新型變槳控制策略，通過(guò)分析葉片攻角變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)調(diào)整葉片在不同相位角時(shí)的俯仰角度以提高葉片氣動(dòng)力。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）方式計(jì)算模擬，對(duì)所提新型變槳控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 新型變槳策略

尖速比（tip speed ratio，TSR）是VAWTs的一個(gè)重要參數(shù)，低TSR下，大幅減小攻角可提高轉(zhuǎn)子性能，但在高TSR時(shí)會(huì)減弱對(duì)風(fēng)能的利用率；反之，小的槳距角變化在高TSR時(shí)產(chǎn)生顯著作用，但在低TSR時(shí)效果較差［17］。根據(jù)此問(wèn)題，對(duì)不同TSR下理論攻角進(jìn)行分析。

假設(shè)VAWTs在180°～360°（背風(fēng)區(qū)）內(nèi)來(lái)流風(fēng)速不變，忽略誘導(dǎo)速度影響，則翼型理論攻角近似可表示為：

[fθ=arctansinθcosθ+λ] （1）

式中：[θ]——相位角；[λ]——葉尖速比。

已知風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度為[ω]，則：

[θ=ω?t] （2）

式中：[t]——物理時(shí)間。

對(duì)式（1）求導(dǎo)得到攻角隨時(shí)間的變化速率記為[ν]，則有：

[ν=ω1+λcosωt1+2λcosωt+λ2] （3）

假定[λ]不變，則[ν]為周期[2π]的函數(shù)，使葉片以[-μ?ν]（[0lt;μlt;1]）的速率繞氣動(dòng)中心做俯仰運(yùn)動(dòng)，通過(guò)自編UDF實(shí)現(xiàn)葉片運(yùn)動(dòng)，改變參數(shù)[μ]即可控制攻角變化速度，此種控制方式可實(shí)現(xiàn)槳距角成比例變化，攻角較大時(shí)變槳幅度較大，攻角較小時(shí)變槳幅度較小。

圖1為尖速比為1.5時(shí)變槳后理論攻角隨相位角的變化，可直觀看出不同相位角處攻角改變幅度，圖中0.1代表[μ]=0.1，以理論攻角的0.1倍速度改變攻角，具體表現(xiàn)為攻角在各相位角減小10%，其余同理，下文皆用此種表達(dá)。

由圖1可知，改變?nèi)~片俯仰角之后，隨著[μ]的增大，變槳速度逐漸加快，表現(xiàn)為最大攻角逐漸減小，不同控制方式下最大攻角如表1所示。

正弦變槳策略是垂直軸風(fēng)力機(jī)研究較多的變槳方法，將本文新型變槳策略與正弦變槳策略進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)[TSR]為1.5時(shí)，選擇幅值相同的[μ]=0.3和sin函數(shù)，其變槳策略與變槳后理論攻角如圖2所示。由圖2可知，雖變槳幅值相同，但其峰值出現(xiàn)的相位角不同，sin函數(shù)峰值位于90°，當(dāng)采用sin函數(shù)變槳時(shí)，導(dǎo)致變槳后的葉片攻角在90°相位角更小，而在150°附近時(shí)變化不明顯。

2 計(jì)算模型與驗(yàn)證

2.1 計(jì)算域及網(wǎng)格

Bianchini等［18］研究發(fā)現(xiàn)，二維CFD模擬已經(jīng)足夠準(zhǔn)確捕捉風(fēng)輪周?chē)鲃?dòng)規(guī)律。考慮到計(jì)算成本，故本文使用二維模型，邊界條件與入流工況皆與文獻(xiàn)［19］相同，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的VAWT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。VAWT參數(shù)如表2所示。

VAWT模型計(jì)算域由3個(gè)區(qū)域組成：外流域、旋轉(zhuǎn)域和葉片域。圖3為計(jì)算域尺寸及邊界條件。

計(jì)算域網(wǎng)格由STAR-CCM+軟件生成，為保證葉片表面計(jì)算的準(zhǔn)確性，邊界層第1層網(wǎng)格高度設(shè)置為0.01 mm以確保y+值盡可能接近1。

2.2 計(jì)算模型

Menter［20］與Wilcox［21］通過(guò)比較常用的Standard [k-ε]與SST [k-ω]湍流模型，對(duì)比發(fā)現(xiàn)SST [k-ω]湍流模型對(duì)邊界層的壓力梯度有更好的計(jì)算精度，更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。來(lái)流速度明顯低于當(dāng)?shù)芈曀伲瑢⒘鲃?dòng)視為不可壓縮流動(dòng)，通過(guò)商用軟件STAR-CCM+求解二維不可壓縮URANS方程，利用SIMPLE算法解耦壓力與速度方程。

2.3 網(wǎng)格與時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

VAWTs的扭矩系數(shù)與功率系數(shù)是衡量做功能力的重要指標(biāo)，通過(guò)平均扭矩系數(shù)定義功率系數(shù)，表達(dá)式為：

[CT=T0.5ρU2∞AR] （4）

[CP=CT?λ] （5）

式中：[CT]——扭矩系數(shù)；[T]——三葉片合扭矩；[ρ]——空氣密度；[U∞]——來(lái)流速度；[A]——風(fēng)輪掃掠面積；[R]——風(fēng)輪半徑；[CP]——功率系數(shù)。

選擇零俯仰角在[λ=1.5]時(shí)的計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。表3為4種不同數(shù)量網(wǎng)格功率系數(shù)對(duì)比。表4為不同時(shí)間步長(zhǎng)的功率系數(shù)對(duì)比。

由表3可知，隨著網(wǎng)格單元數(shù)量的增多，功率系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，方案3與方案4的功率系數(shù)相差已不足1%，故選擇網(wǎng)格單元數(shù)量更少的方案3。

由表4可知，時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)功率系數(shù)影響較為顯著，[Δt1]對(duì)應(yīng)的功率系數(shù)較大，隨時(shí)間步長(zhǎng)減小，[Δt3]與[Δt2]的功率系數(shù)相差為2.8%，因此，考慮計(jì)算成本，選擇時(shí)間步長(zhǎng)[Δt2]進(jìn)行計(jì)算。

2.4 CFD結(jié)果驗(yàn)證

將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［19］的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，圖4為計(jì)算值與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)功率系數(shù)對(duì)比。TSR較小時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，當(dāng)TSR較大時(shí)高于實(shí)驗(yàn)值。雖存在一定誤差，但二維CFD模擬已捕獲功率系數(shù)[CP]主要變化規(guī)律，故本文計(jì)算結(jié)果與方法相對(duì)可靠。

3 結(jié)果與分析

本文采用8 m/s的固定風(fēng)速，通過(guò)改變?nèi)~片旋轉(zhuǎn)速度模擬不同[TSR]的運(yùn)行工況。圖5為不同[TSR]下[CP]值對(duì)比。

由圖5可知，使用不同俯仰控制策略時(shí)[CP]值均有不同程度增加，[TSR]相同時(shí)，隨著攻角持續(xù)減小，[CP]值先增大后減少，并在[μ]=0.3時(shí)控制方式最好。在低TSR時(shí)[CP]值增長(zhǎng)最為明顯，隨著[TSR]的增大，[CP]值的增長(zhǎng)幅度逐漸減小。變槳的主要作用是通過(guò)減小攻角來(lái)抑制流動(dòng)分離，低[TSR]下流動(dòng)分離較為劇烈，故效果優(yōu)于高[TSR]。

正弦sin函數(shù)變槳策略對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)影響規(guī)律與新型變槳策略一致，均為在同一[TSR]下，隨著變槳幅值越來(lái)越大，[CP]值先增加，后減小，以[TSR]為1.5時(shí)為例進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，新型變槳策略使得[CP]值提升更顯著，且在攻角變化超過(guò)40%時(shí)，使用sin變槳策略[CP]值已開(kāi)始低于未變槳情況。

通過(guò)與sin函數(shù)變槳策略進(jìn)行對(duì)比，新型變槳策略提升效果更顯著，說(shuō)明本文提出的新型變槳方式是可行的，為進(jìn)一步提高性能，對(duì)提出的新型變槳策略繼續(xù)研究改進(jìn)。

3.1 不同參數(shù)控制策略組合

使用單一參數(shù)俯仰角控制策略已使得風(fēng)能利用率有較好提升，文獻(xiàn)［21］的模擬結(jié)果顯示采用不同的控制策略VAWTs在180°～360°（背風(fēng)區(qū)）扭矩系數(shù)[CT]的變化規(guī)律與0°～180°（迎風(fēng)區(qū)）有較大不同，故可分別對(duì)迎風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)進(jìn)行改善。圖7為[TSR]為1.5時(shí)采用不同參數(shù)控制策略[CT]值的變化。

由圖5可知，當(dāng)[μ]=0.3時(shí)CP值最大，但由圖7a可見(jiàn)，在相位角0°～180°范圍內(nèi)，[μ]=0.5時(shí)具有最佳的[CT]值；此外由圖7b可見(jiàn)，當(dāng)[μ]取負(fù)值使葉片攻角整體增加時(shí)，[CT]值曲線雖在0°～180°相位角內(nèi)效果較差，但其在180°～360°內(nèi)的[CT]值與[μ]取正值時(shí)相比有所提升，基于此現(xiàn)象，下文將對(duì)0°～180°與180°～360°相位角區(qū)間分別采用不同參數(shù)的控制策略進(jìn)行計(jì)算。

表5中為9種不同改進(jìn)控制策略，用以對(duì)比研究不同控制策略組合對(duì)VAWTs氣動(dòng)參數(shù)[CT]值的影響規(guī)律。

對(duì)9種不同的優(yōu)化方式進(jìn)行計(jì)算，并與僅使用一種控制策略[μ]=0.3達(dá)到最優(yōu)的[CT]值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖8所示。

圖8a為0°～180°控制策略采用[μ]=0.3，圖8b為0°～180°控制策略采用[μ]=0.4，圖8c為0°～180°控制策略采用[μ]=0.5。

當(dāng)0°～180°控制策略參數(shù)相同時(shí)，180°～360°采用單一參數(shù)下使[CT]值增大的控制策略，會(huì)抑制0°～180°的扭矩輸出，且180°～360°的[CT]值增長(zhǎng)得越多，對(duì)0°～180°的抑制效果越明顯。當(dāng)180°～360°控制策略參數(shù)相同時(shí)，比較圖8a、圖8b與圖8c中各控制策略[CT]的峰值，[μ]=0.5時(shí)下降最多，[μ]=0.4時(shí)次之，[μ]=0.3時(shí)最少。可得出結(jié)論：改變180°～360°的俯仰角控制策略雖可使180°～360°的[CT]值顯著增大，但對(duì)0°～180°的[CT]值會(huì)產(chǎn)生不利影響。此外，這種組合使得在0°（360°）與180°時(shí)[CT]值產(chǎn)生較為劇烈的波動(dòng)。

0°～180°與180°～360°這兩種控制策略的疊加在[CT]值曲線中并不能直觀地得出對(duì)整體[CT]值的影響，為便于進(jìn)一步分析，表6列出了0°～180°與180°～360°去除波動(dòng)數(shù)據(jù)后與[μ]=0.3相比平均[CT]值的變化。

通過(guò)對(duì)比表6中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，180°～360°的平均[CT]值變化的絕對(duì)值均大于0°～180°平均[CT]值變化，說(shuō)明與單一參數(shù)控制策略相比，9種改進(jìn)的控制策略均對(duì)[CT]值有一定程度的提高，其中策略8控制策略提升最大。

文獻(xiàn)［22］研究發(fā)現(xiàn)，由于在相位角為180°時(shí)俯仰角控制策略發(fā)生突變，致使此處俯仰角速度變化不連續(xù)，導(dǎo)致流場(chǎng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，本文與文獻(xiàn)［22］中計(jì)算結(jié)果一致。為對(duì)比產(chǎn)生差異的具體原因，圖9給出了兩種俯仰角控制策略下葉片俯仰角變化值，其中0.4為0°～360°采用[μ]=0.4的控制策略，［0.4，0.1］為0°～180°采用[μ]=0.4與180°～360°采用[μ]=0.1的控制策略。可見(jiàn)，若使用單一參數(shù)俯仰角控制策略，俯仰角變化值曲線光滑，故翼型俯仰的角速度連續(xù)，若使用兩種參數(shù)組合的俯仰角控制策略，在180°時(shí)俯仰角變化值曲線出現(xiàn)尖點(diǎn)，使得此處不可導(dǎo)，導(dǎo)致此處翼型俯仰的角速度不連續(xù)，出現(xiàn)如圖8中扭矩系數(shù)的波動(dòng)。

3.2 俯仰角速度改進(jìn)

由于在0°～180°與180°～360°相位角范圍內(nèi)采用不同的控制策略，在0°（360°）與180°相位角處因控制策略的改變導(dǎo)致葉片扭矩階躍波動(dòng)影響風(fēng)力機(jī)葉片穩(wěn)定性。為緩解階躍波動(dòng)，對(duì)葉片俯仰角函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)改進(jìn)后的俯仰角函數(shù)為：

[gθ=ρiθ?μ?fθ] （6）

式中：[gθ]——優(yōu)化之后的葉片俯仰角速度；[ρiθ]——葉片在不同相位角處的權(quán)函數(shù)。

俯仰角變化函數(shù)[gθ]改進(jìn)目標(biāo)為：1）不影響[fθ]的周期性，僅在局部改變曲線；2）函數(shù)[gθ]在相位角0°～360°內(nèi)光滑連續(xù)且一階可導(dǎo)；3）函數(shù)在相位角0°（360°）與約180°導(dǎo)數(shù)值相等。

將相位角180°～360°劃分為4段并對(duì)表5中不同控制策略參數(shù)的曲線進(jìn)行擬合，本文所使用的3個(gè)權(quán)函數(shù)如表7所示。

[m、n]與[l]為待定系數(shù)，當(dāng)[μ]確定后即可確定。表8為在策略1、4、7控制策略基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)曲線擬合之后的參數(shù)，擬合完成曲線為策略1-1、4-1、7-1。

確定各權(quán)函數(shù)參數(shù)后，通過(guò)參數(shù)可繪制出各不同控制策略下俯仰值變化曲線，函數(shù)擬合后的俯仰角變化值曲線策略4-1如圖10所示。

由圖10可知，新曲線滿(mǎn)足擬合條件，尖點(diǎn)處曲線已變平滑。策略4-1曲線與［0.4，0.1］這兩種參數(shù)組合的控制策略曲線相比，僅改變局部曲線，即在相位角180°與360°處使尖點(diǎn)變得光滑，不會(huì)影響控制策略的有效性。圖11為3種擬合控制策略同[μ]=0.3控制策略單葉片扭矩系數(shù)對(duì)比圖。

由于在180°與360°對(duì)俯仰控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，圖11中并未出現(xiàn)如圖8的明顯波動(dòng)，只在相位角約180°附近有微小振蕩。且使得策略1-1、策略4-1與策略7-1的扭矩系數(shù)峰值均高于[μ]=0.3，其中策略1-1最大，策略4-1次之，策略7-1最小。

為比較各控制策略下VAWTs葉片的做功能力及差異，圖12a、圖12b與圖12c分別為策略1-1、策略4-1與策略7-1的功率系數(shù)與[μ]=0.3及未變槳時(shí)功率系數(shù)對(duì)比。表9為VAWT采用改進(jìn)控制策略與未變槳時(shí)控制策略時(shí)功率系數(shù)參數(shù)對(duì)比。

由圖12a可知，在經(jīng)過(guò)俯仰角速度改進(jìn)之后，策略1-1基本已無(wú)波動(dòng)，圖12b中策略4-1仍有微小波動(dòng)，圖12c中策略7-1波動(dòng)較大，由圖9的分析可知，這種差別是由于策略7-1在相位角180°時(shí)角速度改變最大，在使用相同數(shù)量的權(quán)函數(shù)時(shí)，優(yōu)化效果弱于策略1-1，仍需要更多的權(quán)函數(shù)對(duì)曲線進(jìn)行擬合。就現(xiàn)有的擬合曲線，由表9可知，策略4-1功率系數(shù)平均值增長(zhǎng)最多，與原始未變槳功率系數(shù)相比，相較于[μ]=0.3基礎(chǔ)上又增加約7.6%，說(shuō)明相較于單一參數(shù)控制策略，兩種參數(shù)組合的控制策略方式變槳效果更好。

4 結(jié) 論

本文基于VAWTs攻角變化規(guī)律，提出一種新型的俯仰角控制策略，并在迎風(fēng)區(qū)與背風(fēng)區(qū)使用不同參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，主要結(jié)論如下：

1）葉片俯仰角的改變會(huì)顯著影響VAWTs的氣動(dòng)性能，未施加俯仰控制的葉片氣動(dòng)效率較低，施加單一參數(shù)控制策略后，隨著整體攻角減小，風(fēng)能利用率先增加后減小，且新型變槳控制策略相比于sin函數(shù)變槳提升效果更顯著。

2）低尖速比下，改變VAWTs葉片俯仰角在迎風(fēng)區(qū)與背風(fēng)區(qū)呈現(xiàn)出不同的作用效果，迎風(fēng)區(qū)使攻角變小會(huì)增大葉片的[CT]值，而在背風(fēng)區(qū)使攻角絕對(duì)值變大會(huì)增加葉片[CT]值。

3）采用單一參數(shù)控制策略時(shí)，在迎風(fēng)區(qū)與背風(fēng)區(qū)分別存在最佳[CT]值曲線，但當(dāng)采用不同參數(shù)控制策略分別對(duì)兩區(qū)域進(jìn)行控制時(shí)，不能同時(shí)在兩區(qū)域達(dá)到單一參數(shù)控制策略下的最佳[CT]值曲線，表現(xiàn)為：若背風(fēng)區(qū)[CT]值高，則迎風(fēng)區(qū)[CT]值會(huì)有相應(yīng)地減小，反之亦然。

4）兩種不同控制策略的組合會(huì)使角速度在0°（360°）與180°的不連續(xù)，扭矩會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，通過(guò)增加權(quán)函數(shù)對(duì)控制策略進(jìn)行改進(jìn)可獲得較為平滑的功率系數(shù)曲線，兩種參數(shù)組合的控制策略較單一參數(shù)控制策略對(duì)風(fēng)能利用率具有更好的提升效果。

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PARAMETER COMBINATION AERODYNAMIC ANALYSIS OF

NEW PITCH ANGLE CONTROL STRATEGY FOR

VERTICAL AXIS WIND TURBINE

Zhang Qiang1，Miao Weipao1，Liu Qingsong1，Li Chun1，2，Zhang Wanfu1，2

（1. School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China；

2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering， Shanghai 200093， China）

Abstract：Vertical axis wind turbines with large angle of attack at low tip speed ratios suffer from severe flow separation. The blade angle of attack can be adjusted by pitch to reduce the blade flow separation and improve its aerodynamic efficiency. The H-type Darrieus vertical axis wind turbine is used as the research object. Based on the variation law of angle of attack with phase angle， a pitch angle control strategy is proposed. This control method is characterized by a proportional decrease in the angle of attack at different phase angles. The angle of attack decreases significantly at large angles of attack， while the change is small at small angles of attack. The effect is then verified by numerical calculation. The results show that the proposed pitch angle control strategy can significantly improve the power coefficient. The control strategy approach with different parameter combinations is also better than the single parameter control strategy， although the wind energy capture efficiency in 0°-180° （windward region） and 180°-360° （leeward region） will affect each other. In addition， the discontinuous pitch angle velocity will lead to torque fluctuation， which can be eliminated by fitting the pitch curve with a weight function.

Keywords：vertical axis wind turbines； pitch； control strategy； parameter combination； aerodynamic analysis