循环偏航速率对风力发电机性能影响的风洞实验研究：动态尾流调控与能量捕获提升机制探索

本实验研究通过风洞模型系统分析了循环偏航控制（CYC）对单/双风力机性能和尾流动态的影响。研究发现，采用三角波偏航调制策略，在高速偏航率（1°/s）下可显著提升尾流恢复能力和下游涡轮能量捕获效率，动态偏航控制下的发电效率较静态偏航实现成倍增长，有效尾流导向范围（WSR）大幅扩展。研究为风电场动态协调控制和自适应偏航策略提供了关键实验依据。

　　

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Wind tunnel facility

实验在江苏大学边界层风洞中进行，设施主要包括三个核心部分：动力发生单元、流场调节模块与试验段。动力单元采用对转轴流风机系统，通过变频驱动器（VFD）精确控制流速。试验段上游配备蜂窝器和阻尼网以降低湍流度，测试区域尺寸为长×宽×高=12 m×2.5 m×1.8 m，风速可在3–12 m/s范围内连续调节。

Integrated control system

实验平台采用分层控制系统架构，包含传感、控制与执行三个子系统。传感部分集成转速传感器、风速仪、偏航/桨距角编码器及电功率测量模块；模拟信号经模数转换和串口通信传输至中央控制器（基于LabVIEW开发）。执行子系统包括高动态偏航电机和桨距调节伺服机构，可实现三角波、正弦波等多种动态偏航波形，偏航速率控制精度达±0.05°/s。

Experimental results and discussion

本节对比分析了静态与动态偏航控制策略的效果。在静态偏航基准测试中，评估了风速变化、功率输出与电能效率（η_e）。结果显示，在6 m/s入流条件下，快速循环偏航控制（1°/s）使下游涡轮每周期平均电效率较静态偏航提高两倍；在7 m/s风速下，有效尾流导向范围（WSR）达到静态偏航的八倍。动态偏航通过增强尾流与环境流的湍流混合（turbulent mixing），加速动量恢复，显著提升下游能量捕获。

Conclusion

本研究通过风洞实验系统探究了循环偏航率对风力机性能与尾流行为的影响。采用45°固定幅值的三角波偏航调制，在0.5°/s（慢速）和1°/s（快速）两种偏航速率下测试了单机和双机布局。实验表明，高偏航速率可显著改善尾流结构动态响应与机电功率输出，为风电场动态优化控制提供了实证基础。