漂浮式风力机平台动态响应的优化方法探讨

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,分别提出平台附加螺旋侧板和平板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到了结构运动和波浪力的幅频特性。并通过与附加螺旋侧板和平板情况下的频域和时域动态特性参数对比,探讨两种措施是否对结构的运动性能起到提升作用。结果表明：附加螺旋侧板后,结构在垂荡和纵摇上的运动幅值均得到了明显抑制;附加平板可以有效降低结构的垂荡频域响应峰值,但对纵荡和纵摇影响很小;在考虑实际风、浪、流载荷作用时,两种措施都能起到对结构运动性能的优化作用,附加螺旋侧板的优化作用更为优越。     

阵列式平台漂浮式风电场Spar平台动态响应及稳定性改进研究

平台的稳定是漂浮式风力机安全运行的基本保障。为研究风波耦合作用下阵列式平台漂浮式风电场Spar平台的动态响应,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW漂浮式风力机整机模型,采用链接系泊和固定系泊建立了3×3阵列Spar平台漂浮式风电场。基于叶素动量理论考虑叶尖损失、轮毂损失以及动态失速通过Fortran编程实现了水动力软件AQWA的二次开发,建立了漂浮式风电场平台气动-水动-固定系泊-链接系泊耦合动力学模型并实现了模型算法求解,结合辐射/绕射理论研究了风波耦合作用下漂浮式风电场Spar平台的动态响应特性,为解决系泊系统直接与Spar平台主体链接时平台产生的大幅度首摇、横摇响应问题,提出了首摇阻尼板和系泊链接点外移两种提高平台稳定性的方法,并研究了二者对漂浮式风电场平台动态响应特性的影响。结果表明:系泊系统直接将Spar平台链接建立阵列式平台漂浮式风电场的方案是不可行的,平台将产生极大的首摇、横摇响应;普通海况下,首摇阻尼板明显降低了漂浮式风电场平台的首摇、横摇响应,恶劣海况下效果不明显,系泊链接点外移在普通海况、恶劣海况两种工况下均能够明显降低漂浮式风电场平台的首摇、横摇响应;系泊链接点外移时,相对于风波入射方向,位于两侧的平台在xOy平面运动轨迹、首摇、横摇响应具有对称性的特点,位于中间的平台P1、P4、P7不存在横荡、横摇、首摇响应,位于两侧的平台存在横荡、横摇、首摇响应,横摇波动幅度,普通海况下约0.1°,恶劣海况约0.5°,首摇波动幅度,普通海况下约0.5°,恶劣海况约2°;此外,系泊链接点外移时,普通海况、恶劣海况两种工况下,风电场中几乎所有平台的垂荡、纵摇及机舱振动稳定性均得到了一定程度的提高。研究结果为漂浮式风力机平台稳定性的提高提供了理论参考。     

二阶波浪力和聚焦位置对畸形波作用下张力腿平台动力响应的影响研究

通过波浪聚焦和波列叠加模型模拟生成了满足畸形波定义的畸形波。求解畸形波作用下张力腿平台动力响应,并分析二阶波浪力和畸形波聚焦位置对张力腿平台动力响应的影响。结果表明:畸形波会引起张力腿平台纵荡、垂荡和纵摇的大幅值运动;二阶差频波浪力会引起纵荡方向的大幅振荡,纵摇运动主要由二阶和频波浪力贡献,垂荡运动则由二阶和频波浪力引起的垂向高频振荡和二阶纵荡差频力引起的大幅值下沉运动组成;因不同频率波浪力之间的相位差,使得张力腿平台纵荡、垂荡响应极值与纵摇响应极值分别发生在畸形波作用在后立柱和平台中心时。     

风浪不共线对浮式风机基础动态特性影响研究

旨在研究风载方向和波浪方向不共线对浮式风机基础动态特性影响。以5 MW浮式风机为研究对象,采用等效载荷法模拟空气动力载荷,建立浮式风机系统耦合动力学模型,研究风浪呈0°、30°、60°和90°夹角工况时,浮式风机基础动态特性变化。结果表明:风浪不共线对浮式平台纵荡和横荡运动平衡位置影响很大,对垂荡运动响应影响很小。随着风浪夹角增大,横摇和艏摇运动振荡范围增大,纵摇运动振荡范围减小。风浪不共线使得系泊系统张力响应变化明显,张力变化趋势与平台运动及系泊布置有关。     

经典式Spar平台垂荡-纵摇耦合混沌运动研究

该文基于Lyapunov指数研究经典式Spar平台主体垂荡-纵摇非线性耦合的混沌运动。建立了规则波浪中平台主体垂荡-纵摇耦合非线性微分方程,以经典式Spar平台为例,数值计算了响应的最大Lyapunov指数谱及分岔图,在波高和波浪频率构成的平面上,计算了平台不稳定纵摇运动的参数域。结果表明,平台运动形式对波浪激励频率非常敏感,随着波浪频率的改变,Spar平台发生1/2亚谐运动、概周期运动,当波浪频率接近垂荡固有频率时,发生混沌运动。     

Spar平台垂荡-纵摇与月池内流体垂向振动的耦合运动研究

考虑半开口月池,研究桁架式Spar平台垂荡、纵摇、月池内流体垂向振动的耦合运动。建立了平台垂荡-纵摇-月池内流体垂向振动的耦合运动方程,推导了月池内流体对平台垂荡和纵摇运动产生的力和力矩。针对三种工况,即不考虑月池开口、月池开孔率为30%和70%,数值计算了耦合系统的运动响应,分析了月池内流体对平台垂荡和纵摇运动的影响,结果表明,月池内流体对平台主体垂荡有抑制作用,且抑制程度与月池开孔面积有关;对于70%的开孔率,平台垂荡响应RAO曲线在月池流体垂向振动固有周期附近出现高频峰值;70%开孔率时,月池内流体的运动远大于30%开孔率的情况;考虑月池开口后,平台的纵摇响应变化较小。最后,分析了耦合参数对平台及月池内流体运动的影响。     

基于增量谐波平衡方法的Spar平台垂荡纵摇耦合内共振响应研究

针对经典的Spar平台垂荡纵摇耦合运动问题,为解决传统小参数摄动方法和时间步进分析方法的不足,提出将增量谐波平衡方法(Incremental Harmonic Balance Method,IHBM)应用于研究其内共振响应特性。根据Floquet稳定性分析理论,对周期解的稳定性和分叉特性进行分析;在此基础上,通过将该方法与增量弧长法相结合,实现了快速、连续获得Spar平台垂荡纵摇耦合周期运动响应的目的;将IHBM计算结果与时域模拟和多尺度法计算结果进行对比,验证了该方法的准确性和高效性,该方法能够准确预测当波浪激励力频率满足一定条件,系统发生内共振时引起的纵摇不稳定运动现象。对于垂荡纵摇耦合产生的概周期运动,该方法结合Floquet理论能准确预测其发生的参数区间,从而为该周期运动的分析提供良好的基础。     

传统Spar平台参数激励Mathieu不稳定性的研究

考虑时变的稳性高GM的影响,导出了传统Spar平台参数激励纵摇运动微分方程,简化得到具有三次非线性项的有阻尼Mathieu方程。应用多尺度法求得了当垂荡频率与纵摇固有频率比接近2∶1时纵摇微分方程的二阶定常响应。根据Floquet理论分析了方程零解与定常周期解的稳定性并进行了数值验证。研究结果表明:稳性高度GM值对于平台纵摇运动的稳定性具有重要影响,调整稳性高度或增加系统阻尼可以减小定常解的不稳定区域,从而抑制平台参数激励纵摇运动的发生。     

不同变桨控制对海上风力机漂浮稳定性影响研究

海上风力机叶片变桨将会影响支撑平台的动态响应特性即海上风力机的漂浮稳定性,而海上风力机的漂浮稳定性是影响其有效利用深海区域风能的重要因素。因此,在开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台上,建立干扰自适应控制(DAC),并与FAST原有控制策略对比分析,研究不同控制策略对海上风力机漂浮稳定性的影响。结果表明:较之FAST控制策略,在DAC作用下海上风力机风轮转速及输出功率波动更小,但海上风力机平台动态响应较大;不同控制策略对于海上风力机漂浮稳定性的影响主要集中在纵摇及纵荡;在海上风力机的变桨控制策略设计时应该首先避免纵摇方向的固有频率以提高海上风力机漂浮稳定性。研究结果以期为设计更适合海上风力机的变桨控制器提供理论基础与现实途径。     

双索系泊系统漂浮式风力机动力响应研究

提出一种用于漂浮式风力机的新型双索系泊系统，研究其对减少漂浮式风力机平台动态响应的有效性及系泊系统本身的力学性能。算例所采用的漂浮式风力机为OC4-DeepCwind三浮筒半潜式风力机，通过OrcaFlex软件建立相应风力机模型和两种系泊系统（原始单索系泊系统和新型双索系泊系统）。在一定海况条件下对比研究双索系泊系统相比于原始单索系泊系统对减少漂浮式风力机平台动态响应的优势。结果表明：相比于原单索系泊系统，双索系泊系统漂浮式风力机的振动响应有明显降低，但改变缆索预张力和副索导缆孔位置对漂浮式风力机振动响应影响不明显。     

通过附加浮筒改良的张力腿平台多体耦合运动响应

为了改善张力腿平台在极端海洋环境下的运动响应,提出了在张力腿上附加浮筒的新形改良方式,建立了附加浮筒后张力腿平台多体耦合运动分析模型,并给出了在时域下对该模型迭代求解的方法。考虑不同的附加浮筒尺寸和就位水深,应用绕射和辐射波浪理论和流体动力学分析软件AQWA12.0,数值模拟了平台上体及附加浮筒的水动力参数,分析了在风、浪、流分别作用和联合作用下平台上体、多个附加浮筒以及张力腿之间的多体耦合运动响应。结果表明：张力腿平台的纵荡和垂荡响应主要由风和流引起,纵摇主要由波浪引起;附加浮筒能明显减小张力腿平台各方向的总的和低频慢漂部分的运动响应,作用效果将受到附加浮筒尺寸和就位水深的影响,而平台波频部分的运动响应没有明显改变。     

张力腿平台局部系泊失效下复杂运动响应机理研究

针对浮体-系泊系统非线性耦合系统,采用数值模拟的时域分析方法对张力腿平台局部系泊失效下的复杂运动响应的机理进行研究,重点分析了两根筋腱同时失效下的垂荡运动平衡位置、运动幅值和运动响应中的非线性成分。结果表明:波浪载荷作用下的垂荡平衡位置与静水中的平衡位置相同,平衡位置的改变取决于筋腱张力和刚度的改变;筋腱完整和单根筋腱失效情况下,平台在规则波0°浪向下的垂荡为线性运动,在两根筋腱同时失效的情况下,垂荡为非线性运动;非线性成分与波高关系密切,波高越大,非线性成分越明显;辐射力和系泊力对平台非线性运动的贡献最为突出。     

畸形波作用下二阶波浪载荷对张力腿平台动力响应的影响

畸形波易对海上的建筑物造成极大的危害。为研究畸形波作用下张力腿平台的动力响应特性,考虑张力腿平台的六自由度运动与张力腿非线性恢复刚度,建立非线性耦合运动方程。结合随机频率相位角调制法生成的畸形波波面时历,计算在畸形波条件下平台所受的一阶及二阶和、差频波浪载荷,并采用数值方法求解平台六自由度的运动。结果表明,在畸形波作用下,一阶、二阶波浪载荷均受到畸形波的影响,但各波浪载荷成分的增幅在不同自由度上并不相同。以纵荡为代表的低频运动主要受二阶差频波浪载荷影响,以垂荡、纵摇为代表的高频运动受二阶和频波浪载荷的影响。而由平台水平面内运动引发的下沉运动在二阶差频波浪载荷的作用下显著增大,从而诱发了垂荡运动产生了显著增加,因此在畸形波作用下垂荡运动同时受到二阶和频及差频波浪载荷的影响。此外,由于畸形波具有冲击载荷的特性,不同自由度运动幅值出现时刻并不相同。     

深水半潜式平台Mathieu不稳定问题研究

半潜式平台的垂荡运动相对较大, 当平台的纵摇固有有周期和垂荡固有周期处于一定的倍数关系时, 平台的纵摇/横摇运动可能落入Mathieu不稳定区。该文对半潜式平台Mathieu 方程进行了推导, 获得了各参数的计算公式;根据Mathieu不稳定图谱或数值计算方法, 可判断纵摇/横摇运动的稳定性。选取了一个生存状态下的半潜式平台为算例, 分析了平台发生Mathieu 不稳定问题的条件, 并通过调整关键参数抑制不稳定问题的发生, 从而获得了避免Mathieu不稳定问题的工程措施, 为今后半潜式平台设计提供参考。     

漂浮式潮流能发电装置振动与波浪响应试验研究

为了研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的振动与波浪响应,设计试验模型和装置,进行水轮机转与不转的静水拖航试验和波浪试验,测量系泊链拉力和模型的纵摇响应。试验发现,系泊系统具有高频振动现象,V等于0.7m/s、0.9m/s,水轮机不转时,以及V等于0.9m/s,水轮机转动时,系泊系统具有明显的慢摇现象,水轮机转动还带来了系泊链的低频拉力响应。水轮机转动使系泊系统的纵摇周期增大,载体模型的共振波长增加。与水轮机不转时相比,水轮机转动使低波长-载体模型长度比下模型的纵摇运动响应减小,对高波长-载体模型长度比下模型的纵摇运动影响较小。试验研究可为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的理论研究与工程应用提供参考和借鉴。     

Spar平台主体垂荡-月池流体耦合动力学建模及耦合效应分析

考虑月池流体的耦合效应研究Spar平台主体垂荡运动特性。根据可变形控制体质量守恒定律及动量守恒定律建立月池内流体垂向运动方程;考虑顶张紧立管(TTRs)及张紧器刚度,建立平台主体垂荡与月池流体耦合运动模型。采用势流理论求解平台主体受到的波浪激励力,数值计算主体垂荡响应,分析月池底部挡板面积及耦合系数对主体垂荡的影响。结果表明,月池流体对主体垂荡有抑制作用,合理设计挡板面积可减小平台主体的垂荡运动。随着挡板开口面积的增加,主体垂荡RAO逐渐呈现两个峰,波浪周期接近月池流体垂向振动固有周期时也会激起主体较大的垂荡运动;平台主体与月池流体之间的耦合系数对主体垂荡运动影响显著。     

全潜式浮式风机基础在不同风况下的动力特性研究

综合半潜式、Spar式、张力腿式浮式风机基础的特点,提出一种新型全潜式浮式风机基础,并采用FAST软件耦合水动力-空气动力-控制系统-系泊系统对不同风况下的浮式风机及全潜式浮式基础的动力特性进行分析。分析结果表明全潜式浮式风机塔筒的自振频率及基础六自由度的自振频率能够较好的避开常见海浪的频率及风机运行频率1P、3P等。全潜式浮式风机在不同风况下具有较好的运动特性,全潜式浮式风机基础在不同风况下的横荡、垂荡、纵摇与风机在不同风速下受到的推力相关。     

漂浮式风力机结构动力学响应TMD控制及其参数优化研究EI北大核心CSCD

漂浮式风力机的稳定性研究已成为风电领域中颇具挑战性的问题。分别采用湍流风谱和波浪谱方法建立速度、方向均剧烈波动的湍流风和不规则波,以ITI Barge平台漂浮式风力机为研究对象,提出在机舱配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)对风力机进行稳定性控制,基于气动-水动-伺服-弹性仿真平台FAST计算了风波联合作用下TMD风力机的动力学特性,并进一步采用多岛遗传算法对TMD诸结构参数(质量、刚度和阻尼)进行优化设计。结果表明:机舱配置TMD可实现漂浮式风力机稳定性的控制,平台横荡、横摇运动幅度和塔尖侧向位移均明显减小;塔尖侧向位移及平台横摇幅值随TMD质量增加均呈现出先减小后增大的趋势,阻尼及刚度变化对其影响较小;质量为21 393kg、阻尼为13 635 N/(m/s)及刚度为6 828 N/m为最优的TMD结构参数;配置优化TMD后,漂浮式风力机横摇运动及塔尖侧向位移降低效果更明显,稳定性分别提高了约53%和50%;计算结果验证了所提出TMD控制、优化方法及优化结果的有效性和可靠性,可为海上漂浮式风力机的稳定性研究提供参考。     

浅吃水SPAR型浮式风力机断缆情况下的动力响应分析

随着风电开发逐渐走向深远海,漂浮式风力机优势更为显著,但当前国际上相对成熟的SPAR型浮式风力机吃水较深,受中国海域水深条件限制,该技术难以直接应用。为此,本文面向100 m深海域,提出一种浅吃水SPAR型基础,基于三维势流理论分析其水动力性能,在此基础上研究该浅吃水SPAR型浮式风力机在不同情况下断缆后的动力响应,在时域内分析浮式风力机单根系泊缆破断后的风力机运动响应及系泊缆张力的变化。进而分析了预张力与风力机作业状态对断缆后风力机运动状态的影响。研究结果表明该浮式风力机能适应在100 m水深海域的正常工作,但系泊缆断裂后浮式风力机将发生大幅漂移,严重影响风场内其他风力机的正常作业,并对一定范围内运行的船舶存在潜在威胁。     

漂浮式风力机结构动力学响应TMD控制及其参数优化研究

漂浮式风力机的稳定性研究已成为风电领域中颇具挑战性的问题。分别采用湍流风谱和波浪谱方法建立速度、方向均剧烈波动的湍流风和不规则波,以ITI Barge平台漂浮式风力机为研究对象,提出在机舱配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)对风力机进行稳定性控制,基于气动-水动-伺服-弹性仿真平台FAST计算了风波联合作用下TMD风力机的动力学特性,并进一步采用多岛遗传算法对TMD诸结构参数(质量、刚度和阻尼)进行优化设计。结果表明:机舱配置TMD可实现漂浮式风力机稳定性的控制,平台横荡、横摇运动幅度和塔尖侧向位移均明显减小;塔尖侧向位移及平台横摇幅值随TMD质量增加均呈现出先减小后增大的趋势,阻尼及刚度变化对其影响较小;质量为21 393kg、阻尼为13 635 N/(m/s)及刚度为6 828 N/m为最优的TMD结构参数;配置优化TMD后,漂浮式风力机横摇运动及塔尖侧向位移降低效果更明显,稳定性分别提高了约53%和50%;计算结果验证了所提出TMD控制、优化方法及优化结果的有效性和可靠性,可为海上漂浮式风力机的稳定性研究提供参考。