Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

基于多岛遗传算法的漂浮式风力机稳定性多重调谐质量阻尼器优化控制

将多重调谐质量阻尼器（MTMD）引入漂浮式风力机控制领域以提高漂浮式风力机的稳定性。以NREL 5MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,提出在漂浮式风力机机舱和塔架中配置2个参数不同的调谐质量阻尼器（TMD）,并基于多岛遗传算法,算出MTMD系统最优参数。通过对3种典型工况下、有无配置MTMD的漂浮式风力机进行模拟计算,研究了最优MTMD的控制效果。结果表明：多岛遗传算法能够有效优化MTMD参数;MTMD控制优于单一TMD控制;经参数优化后,MTMD对漂浮式风力机振动的控制效果更好,塔顶纵向位移和平台横摇角标准差抑制率分别提升了80.4%和83.8%;MTMD对漂浮式风力机不同部位的控制效果不同,控制效果最好的为塔顶纵向位移、塔根横向弯矩及平台横摇角;不同环境工况下,MTMD对漂浮式风力机都有着明显的控制效果,其中纵向载荷和位移的标准差抑制率分别为10.3%~12.1%和76.1%~78.3%,横向载荷和位移的标准差抑制率分别为75%~77.7%和8.9%~10.8%。     

基于TMD控制的风力机结构抗震研究

湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制,以NREL 5 MW风力机为研究对象,通过Wolf方法建立土-构耦合模型,基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块,通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明:地震载荷极大加剧了塔架侧向振动,激振频率为塔架一阶侧向固有频率;TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小,其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%,标准差减小了67%,塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低,高达90%;塔顶侧向加速度变化幅度降低4%,标准差缩小了61%,塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明,TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制,提高风力机运行稳定性。     

基于混沌理论的超大型漂浮式风力机动态响应研究

大型化后的漂浮式风力机非线性运动特征显著增强,为此以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立NAUTILUS半潜式平台漂浮式风力机模型,在机舱内部配置调谐质量阻尼器(TMD),通过多岛遗传算法优化TMD参数,研究无TMD控制、TMD控制(未优化)及优化TMD控制下漂浮式风力机运动响应特性,并基于混沌理论,采用相空间重构...     

普通海况下驳船式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

漂浮式风力机的稳定是其正常工作的基础.在深海环境中,载荷复杂且不稳定,受其影响漂浮式风力机将产生复杂的激励运动.建立基于ITI Energy Barge平台的NREL5 MW漂浮式风力机整机模型,提出Barge平台漂浮式风电场.通过高级程序语言编程求解气动载荷,运用水动力学软件AQWA,采用辐射/绕射理论并结合有限元方法,对海风、波浪载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应进行数值仿真.频域分析结果如下:Barge平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的响应主要集中在低频区域,其中,纵荡、垂荡响应随波浪频率增加逐渐减小,而纵摇响应先增加后减小.时域分析结果如下:漂浮式风电场平台运动轨迹关于风浪入射方向对称.较之于Barge平台,与固定悬链线相连的第一列平台垂荡运动响应稍大,但波动幅度差别可忽略不计;其纵摇和机舱稳定性均得以增强;横摇、艏摇运动幅值很小.研究表明所提漂浮式风电场平台具有良好的稳定性,为进一步的研究工作奠定了基础.     

基于VMD方法的海上风力机结构TMD抗震

为研究大型单桩式海上风力机结构的TMD振动控制效果,采用实测地震发生时土壤位移时域响应作为地震激励,通过文克尔模型及p-y曲线法构筑的非线性土-构耦合模型模拟土壤中地震释放的能量传递给风力机的过程,以NREL 5 MW大型单桩式海上风力机为研究对象,建立有限元模型,研究TMD对支撑结构在突发地震时的作用及瞬态动力学响应,并采用VMD方法对时域结果进行分析,从不同频带分析TMD对海上风力机的控制效果。结果表明,突发性地震导致塔顶发生大幅剧烈震颤,机舱加速度激增。地震发生时,TMD与风力机塔顶的位移响应形成明显相位差是其实现对风力机在地震发生时被动控制的主要机理,TMD对塔顶位移及机舱加速度响应的高频带分量控制效果更好,保证塔顶诸多重要部件的稳定运行。     

基于TMD-HMD的海上浮式风力机主被动综合振动控制

在恶劣的海洋环境中,随机风浪载荷使风机平台和塔顶产生较大的振动位移,严重威胁风机结构的安全性。为此提出TMD-HMD主被动综合控制方法对海上浮式风力机进行振动控制,在Spar式浮动风力机平台内放置多个调谐质量阻尼器,构成多重调谐质量阻尼器(Multiple tuned mass damper,MTMD),在机舱内放置一个调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)。首先基于欧拉-拉格朗日能量方程建立了风机系统11自由度空间动力学简化模型,利用Levenberg-Marquardt算法估计平台的刚度和阻尼参数,并通过与美国可再生实验室开发的FAST全耦合模型对比验证了模型的正确性;然后采用Van-Nguyen Dinh的方法优化了TMD的参数;接着在机舱TMD上施加主动控制力形成混合质量阻尼器(Hybrid mass damper,HMD),与平台TMD共同构成TMD-HMD综合振动控制系统,其中主动控制力通过线性二次型控制(Linear quadratic regulator,LQR)获得,LQR中的权重系数Q和R采用穷举法优化;最后在风浪联合载荷下分别研究了TMD被动控制和TMD-HMD主被动综合控制对风机动态响应的抑制效果。结果表明:与单独TMD被动控制相比,TMD-HMD主被动综合控制对风机平台纵摇角和塔顶纵向位移的抑制效果分别提高了约38%和20%,使其振动能量分别减少了72%和40%。     

混合质量阻尼器在海上漂浮式风力机振动响应抑制中的应用

针对海上漂浮式风力机在风浪激励下产生较大振动响应的问题,采用混合质量阻尼器(Hybrid mass damper, HMD)主动控制系统抑制风力机的结构振动。基于拉格朗日能量方程建立Spar式风力机的气动-水动-结构-调谐质量阻尼器(Tunedmass damper, TMD)-HMD耦合动力学模型,并采用遗传算法优化TMD的刚度和阻尼系数;在机舱TMD上施加主动控制力,设计了变增益状态反馈H∞控制器,将控制器的求解问题转化为线性矩阵不等式的优化问题,从而得到最优主动控制力;研究了不同工况下HMD主动控制系统对风力机的减振效果。结果表明,相对于TMD被动控制系统,HMD主动控制系统能够进一步降低风力机的平台纵摇(Platform pitch, PFPI)运动和塔顶纵向(Tower top fore-aft, TTFA)挠度。     

风浪异向下超大型漂浮式风力机动态响应研究

以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立OO-Star半潜式平台漂浮式风力机模型,基于叶素动量理论和辐射/绕射理论分别求解风载荷与波浪载荷,模拟不同环境载荷方向下漂浮式风力机动态响应,对比分析不同环境载荷入射角度对其响应特性的影响.结果表明:湍流风入射角度对漂浮式风力机纵荡、纵摇及艏摇运动响应影响较大,而波浪入射角度...