基于多岛遗传算法的漂浮式风力机TMD参数优化

以ITI Barge型漂浮式风力机平台为研究对象,对风力机机舱配置的调谐质量阻尼器(TMD)各参数采用全局多目标优化算法-多岛遗传算法进行优化设计。按最优解重新设置TMD参数,并与漂浮式风力机无控制及传统参数TMD控制的效果进行了对比分析。结果表明:漂浮式风力机塔顶左右位移及平台横摇随TMD质量增加均呈现出先减小后增大的趋势,阻尼变化对其具有一定影响,刚度变化对其影响较小;优化后TMD漂浮式风力机横摇标准差分别是无控制和传统TMD控制的37%和63%,塔顶左右位移标准差也减小,分别是无控制和传统TMD控制的42%和67%。     

漂浮式风力机多频调谐质量阻尼器控制及其参数优化设计

以ITI Barge型漂浮式风力机为研究对象,在机舱和塔架中配置参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),组成多频调谐质量阻尼器(MTMD)系统。基于多岛遗传算法,对MTMD系统进行参数优化,并比较了无控制、无优化MTMD控制及优化MTMD控制下风力机的稳定性。结果表明:MTMD对塔顶纵向位移和平台横摇角有很好的抑制效果;风力机塔顶纵向位移和平台横摇角均随机舱TMD质量和塔架TMD质量的增大而减小,随TMD阻尼的增大而增大;优化MTMD控制后,风力机稳定性进一步提升,其塔顶纵向位移和平台横摇稳定性分别提升了80.4%和83.8%。     

基于TMD的海上漂浮式风力机稳定性研究

海上漂浮式风力机的稳定性研究已逐渐成为风电研究的重点与热点。以NREL(国家可再生能源实验室)5 MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,建立海上漂浮式风力机整机模型,通过配置TMD(调谐质量阻尼器),研究其对环境载荷作用下的海上漂浮式风力机稳定性的控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔架和平台的运动响应有明显的抑制效果,在TMD控制下,漂浮式风力机塔顶左右位移最大值降低近50%,稳定性提高38%;对漂浮式风力机平台的横摇及横荡运动控制效果较明显,平台横荡稳定性提高18%,横摇稳定性提高41%。     

漂浮式风力机结构动力响应MIGA算法优化设计

以ITI Barge平台漂浮式风力机为研究对象,借鉴传统土木工程领域结构控制经验,提出漂浮式风力机MTMD结构控制方法,基于Kane方法建立漂浮式风力机多体动力学模型,研究并对比了风波流作用下有无MTMD时风力机的结构动力学响应特性,并进一步基于多岛遗传算法对MTMD系统进行优化。结果表明:MTMD控制效果较好;所提出优化算法获得的优化参数具有更加明显的控制效果,塔顶侧向位移与平台横摇运动均得到了明显的抑制。不同环境工况下,MTMD都对漂浮式风力机有着明显的控制效果。其中纵向载荷标准差抑制率为78%~83%,横向载荷标准差抑制率为14%~18%。     

调谐质量阻尼器对漂浮式风力机稳定性的影响

以基于ITI Barge平台的NREL 5 MW风力机为研究对象,通过在机舱配置调谐质量阻尼器(TMD),研究在环境载荷作用下TMD对海上漂浮式风力机塔顶位移和平台摇荡特性的稳定性控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔顶前后位移的控制效果不明显,对塔顶侧向位移的控制效果较明显,其最大值降低了66%,稳定性提高了38%;在TMD控制下,漂浮式风力机平台横荡和横摇降幅明显,其最大值分别降低了29%和45%,稳定性分别提高了18%和41%。     

多载荷耦合作用下的风电机组塔架结构动力学特性研究

文章针对在多载荷耦合作用下的大型风电机组塔架结构动力学参数变化的问题,根据柔性理论在耦合结构中的应用,建立了三维结构动力学模型。利用模态分析法,进行了振动特性研究。利用Solidworks模块化的流体分析嵌入技术进行了多载荷动力学分析。通过风与雨水载荷的耦合作用,结合基本控制方程,分析了塔架的振动位移变化情况。结果表明:振动特性中,最大振幅为0.37 m;在风与雨水耦合作用下,塔架振动位移变化幅值较大,最大值为1.22 m。该结果为塔架在风雨耦合载荷中的动力响应提供参考数据,从而为风电机组运行的稳定性提供一定参考。     

基于MTMD的Barge型漂浮式风力机稳定性控制研究

为提高漂浮式风力机的稳定性,以NREL 5 MW风力机及ITI Barge平台为控制对象,在传统单个调谐质量阻尼器(STMD)基础上提出风力机机舱及塔架中配置不同动力特性调谐质量阻尼器(TMD)的新型多重调谐质量阻尼器(MTMD)控制方法,分别研究其在环境载荷作用下队海上漂浮式风力机稳定性的控制效果。研究表明:STMD及MTMD对漂浮式风力机塔顶左右位移控制效果较明显,波动范围分别减小38%和45%,稳定性分别提高41%和46%;在STMD及MTMD控制下,漂浮式风力机平台横荡和横摇降幅明显;MTMD对漂浮式风力机塔架和平台的动态响应控制效果优于STMD控制。     

10 MW张力腿平台风电机组极端条件下响应特性分析

使用FAST构建10 MW漂浮式风电机组的完全耦合非线性模型,针对极端情况,通过耦合求解器FAST对张力腿平台(TLP)式风电机组的叶片、塔架和平台等关键部件进行研究。结果表明:在最大运行工况下,TLP式风电机组风轮叶片承受更大的载荷,但在极端停机工况下,塔架承受更大的弯矩和剪切力;TLP在极端停机工况下的响应更剧烈。风轮叶片的结构校核应基于运行工况,而其他部件的结构校核要考虑极端停机工况。     

柱状漂浮式风力机结构振动控制

针对柱状漂浮式风力机的结构振动控制展开研究。首先为进行调谐质量阻尼器(TMD)参数的优化,对风力机模型进行简化,并对简化模型中的未知参数进行估计;随后,基于简化模型分别使用公式法和遗传算法对TMD参数进行优化,并通过比较塔顶前后位移的标准偏差确定最终的优化方法;最后,为评估TMD对风力机振动控制的影响,构建风力机的联合仿真模型,并在3种典型工况下进行仿真分析。仿真结果表明,所设计的TMD可以很好地降低漂浮式风力机的载荷以及位移,有效抑制塔顶振动加速度与系泊缆绳有效张力,同时可有效降低额定风速以上时电功率输出的标准偏差,使电功率输出更加稳定。     

主振动与内振动联合作用下大型风电机组塔架-叶片耦合结构动力学分析

考虑大型风电机组塔架叶片耦合结构主振动与内振动联合作用,针对该结构的动力学响应,利用有限元软件Solidworks建立三维结构动力学模型,结合振动的位移-应变关系及势能理论,对其进行模态分析,重点分析在脉动风载荷作用下的动力响应情况。结果表明,大型风电机组塔架-叶片耦合结构正进动最大振幅为0.12 m,振幅随着载荷的增大而逐渐增加,反进动出现间歇性振荡。塔顶相位差没有出现急剧变化现象,均值为30 rad,能够消除同步运转带来的固定相位差。塔顶水平位移变化幅度较小,最大水平位移为0.55 m。该结果为大型风电机组运转过程中振动及脉动风载荷作用下的状态监测提供参考。     

基于TMD的半潜式风力机振动控制

针对某5 MW半潜式风力机的振动控制进行研究,以单纯形遗传算法(SCGA)分别对有无行程限制的调谐质量阻尼器(TMD)的固有频率、阻尼比进行参数优化,探讨经过优化参数后的TMD对风力机关键部位位移和载荷的影响。在SIMPACK软件中建立半潜式海上风力发电机组的多体动力学模型,在5种工况下对风力发电机进行动力学仿真分析。仿真结果表明,相较于有行程限制的TMD,施加行程限制后的TMD减振效果变差,但考虑到机舱空间的实际大小,TMD施加行程限制仍有一定的参考意义,且纵向减振效果优于横向减振效果。     

基于数字孪生技术的风电机组建模研究

针对以往风电机组数字孪生建模受不同研究目的或单一软件的功能限制，难以建立风电机组整机模型的问题，提出一种新的风电机组孪生建模方法。该方法首先依托FAST风速性能模块，建立稳态风模型、随机湍流风模型以及风电场实时风速模型；接着采用空气动力学模块和结构动力学模块分别搭建风电机组叶片、塔架等关键部件的几何与动力学模型；最后在Simulink中搭建风电机组电气系统模型及控制策略，由此构建完整的风电机组孪生模型。将该孪生建模方法分别用于WindPACT 1.5 MW双馈风电机组与某风电场Fuhrl?nder 2.5 MW双馈风电机组并进行验证。结果表明：孪生模型在不同风速模型下，各重要生产参数相比设计标准及实际运行数据均具有较高的准确性。此外，通过对风电机组数字孪生系统实时仿真和现场不可测数据的孪生模拟，也进一步表明孪生模型具有可行性和有效性。     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

基于土基-结构耦合作用的风力机塔架地震时频特性分析

为研究不同土质时地震载荷对大型风力机结构动力学响应的影响,基于Wolf方法建立风力机基础平台与土体的耦合模型,通过FAST软件仿真Wind PACT 1.5 MW风力机在不同土质和不同地震强度时塔架的动力学响应。通过分析不同工况下风力机的结构动力学响应,发现地震载荷对塔顶位移和塔基弯矩的影响不可忽略,尤其是塔顶侧向位移和塔基俯仰力矩。在九级设防烈度地震作用下,相比无地震工况,软土、硬黏土和岩土地质风力机塔顶侧向位移分别增大925%、785%和771%。且由于软土阻尼最小,能量耗散小,所以地震后塔架响应降低的速率最慢。     

海冰载荷作用下风力机抗冰锥体减载研究

提出了锥体抗冰结构来降低海冰对风力机结构的影响。以NREL 5 MW近海三叶片水平轴风力机为研究对象,基于Ralston算法建立冰载荷模型,采用开源多体动力学软件FAST计算塔架结构动力学响应,研究了不同锥角抗冰结构下塔顶位移和塔架载荷特性。结果表明:锥体结构能有效地缓解由海冰造成的危害,塔架剪切力、海冰载荷及塔顶位移随锥角的降低而减小,锥角由70°降至40°,海冰载荷降低55%~98%;安装锥体前后,塔架剪切力减小28.7%~58.9%,塔顶位移最多减小46%。     

大型风电机组气动响应特性分析

针对大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构气动响应问题,文章提出了在不同偏航角度下的分析方法。根据该方法的流程图,建立了大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构动力学模型。采用谐波叠加法计算气动载荷分布,考虑塔影效应与风剪切的影响,得出诱导因子时程曲线与气动响应均值。计算结果表明:轴向与切向诱导因子变化较小,尾流稳定;偏航角逐渐增大导致塔顶顺风向位移均值减小,根方差值增大。该结果为大型风电机组运行过程中监测状态参数的变化与流体动力学分析提供了参考。     

考虑时间窗约束的海上风电机组运维方案优化

降低运维成本是保障海上风电经济效益的关键,运维方案优化对降低海上风电机组运维成本和提高发电量起着双重作用。根据风电机组零部件的可靠度模型,计算出每台风电机组最佳维修时机对应的时间窗,考虑提前维修和故障后维修的经济损失,建立包含时间窗约束的海上风电机组运维方案优化模型,然后设计基于参数优化的改进遗传算法计算出最优运维方案。最后采用某海上风电场内风电机组运维案例验证模型和算法,结果表明考虑时间窗约束的运维方案可大幅度提高海上风电的经济效益,改进遗传算法比传统遗传算法具有更强的寻优能力。     

风电机组的机舱振动位移极值模型与现场数据验证

针对风电机组的安全性评估，研究机舱振动位移极值模型和现场数据验证。基于某风电场1.5 MW风电机组的计算模型，仿真DLC1.1工况下的载荷数据，建立风电机组机舱振动位移外推极值模型，结合统计学原理和载荷统计外推原理，得到风电机组的机舱位移极值；同时，对该风场风电机组机舱振动实测数据进行特征极值分析，用这些特征极值拟合得到不同风速段的风速分布和机舱位移分布，建立风电机组机舱振动位移的联合分布极值模型，外推得到位移极值。提出利用李雅普诺夫稳定性理论，确定风电机组机舱振动安全阈值边界的方法，利用这些极值确定风电机组机舱振动安全阈值边界，并用实际运行时的机舱位移极值数据，对这几种极值模型进行现场数据验证，无论仿真数据的机舱振动极值，还是实际数据的振动极值，均未超出安全阈值边界。     

考虑RNA运行作用的近海风电结构TMD振动控制研究

为探究风轮-机舱组件（RNA）运行作用对近海风电结构调谐质量阻尼器（TMD）振动控制的影响，以NREL 5 MW单桩风电塔为对象，基于风-浪-流-RNA运行耦合的近海风电结构分析模型，通过定点理论对风电塔架一阶频率设计TMD参数。结合RNA控制策略下风电机组的时变振动特性，分别研究TMD对近海风电结构塔顶前后向及侧向动力响应的控制机理。结果表明：由于前后向与侧向动力条件的不同，TMD无法有效控制塔顶前后向振动，但可显著抑制塔顶侧向振动响应。     

漂浮式风电机组无模型自适应控制

针对漂浮式风电机组叶片载荷、功率及浮式基础振动耦合问题,以尾缘襟翼偏角为输入,以叶根挥舞弯矩,电功率,浮式基础纵摇、艏摇为输出,设计无模型自适应控制系统。同时,将无模型自适应控制与漂浮式风电机组的基准主控系统通过滤波进行频率解耦。在改进FAST的含尾缘襟翼的气弹-伺服仿真平台中进行验证,结果表明所设计的无模型自适应控制系统在不牺牲功率波动的条件下,能够降低叶片疲劳载荷和基础振动。此外,交叉小波分析结果表明,尾缘襟翼控制量的引入削弱了漂浮式风电系统固有的气弹同步相关性,减少了入流风作用在风轮上的能量。