一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法与流程

技术特征：

1.一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设定优化目标，目标一为风力机年发电量最大，目标二为叶片材料成本最小；

2)设定叶片优化设计的变量；

3)设定叶片外形约束条件；

4)同时在保证目标一和目标二的前提下，通过寻优算法计算叶片每个截面的弦长和扭角的最优解。

2.根据权利要求1所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，所述方法还包括对最佳桨距角进行最优控制。

3.根据权利要求1所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，所述方法还包括对转矩-转速进行最优控制。

4.根据权利要求1所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，所述步骤1)将目的一和目的二优化为求解以下目的函数的最小值，

$F=min\{\mathrm{\μ}\frac{X_1-AEP}{X_1-X_2}+(1-\mathrm{\μ})\frac{AREA-X_4}{X_3-X_4}\}$

其中，μ为权重系数μ∈[0,1]；常值X₁、X₂、X₃及X₄，分别为约束范围内出现的最大年发电量、最小年发电量、最大叶片面积和最小叶片面积。

5.根据权利要求2所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，所述步骤2)具体为叶片每个截面的弦长分布及扭角分布均以贝塞尔曲线表示；所述叶片优化设计的变量包括弦长控制点CP_i(i＝4,5...8)和扭角控制点TP_i(i＝1,2...4)及最佳桨距角θ_opt共10个变量。

6.根据权利要求5所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，所述10个变量通过以下方程进行约束，

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均为实常数。

7.根据权利要求2所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，通过以下方程对最佳桨距角进行最优控制

A(i)＝C₁A₁(i)+C₂A₂(i)+C₃A₃(i)

$A_1\left(i\right)=\frac{C_{Pmax,i}-\min \left(C_{Pmax,i}\right)}{\max \left(C_{Pmax,i}\right)-\min \left(C_{Pmax,i}\right)}$

$A_2\left(i\right)=\frac{\max \left(B_i\right)-B_i}{\max \left(B_i\right)-\min \left(B_i\right)},B_i=\sqrt{\underset{\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_0}{\overset{{\mathrm{\λ}}_1}{\Σ}}{\left(C_{Pi}\right(\mathrm{\λ})-{\mathrm{Cp}}_{\max ,i})}^2}$

$A_3\left(i\right)=\frac{\max \left({\mathrm{\λ}}_{opt,i}\right)-{\mathrm{\λ}}_{opt,i}}{\max \left({\mathrm{\λ}}_{opt,i}\right)-\min \left({\mathrm{\λ}}_{opt,i}\right)}$

其中，C₁、C₂、C₃为权重系数，A₁(i)为C_Pmax评价指标，A₁(i)为C_P曲线顶端平滑评价指标，A₁(i)为叶尖速比λ评价指标，C_Pmax,i为第i个桨距角下C_P曲线中的最大C_P值；B_i表示第i个桨距角下C_Pmax,i附近不同叶尖速比λ下C_Pi(λ)与C_Pmax,i的标准差；λ_opt,i为第i个桨距角下C_Pmax对应的叶尖速比。

8.根据权利要求3所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，通过以下方程对转矩-转速进行最优控制，

${\mathrm{\ω}}_g=\sqrt{\frac{M}{K_{opt}}}$

$K_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\π\ρR}}^5{C}_{Pmax}\frac{1}{G^3{{\mathrm{\λ}}_{opt}}^3}$

其中，M为转矩观测值，ρ为空气密度；R为风轮半径；C_Pmax为选定桨距角下最大功率系数；ω_g为发电机转速；G为齿轮箱传动比；λ_opt为C_Pmax对应的叶尖速比；K_opt为最优转矩-转速控制系数。

9.根据权利要求1所述的一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法，其特征在于，所述步骤4)采用MATLAB编制多岛遗传算法来进行优化，叶片气动性能的计算采用GHBLADED，其计算模型采用叶素动量理论来对气动性能进行计算。