风电机组低电压穿越过程机械载荷特性研究

分析电网电压跌落引起风电机组各主要结构部件机械载荷变化的应力传递过程,通过建立风电机组电气-机械联合仿真模型,仿真研究低电压穿越过程对机械载荷特性的影响。基于低电压穿越期间载荷测试数据,分析低电压穿越期间塔筒机械载荷及其疲劳损伤情况。研究结果表明,低电压穿越过程对风电机组机械载荷特性具有重要影响,尤其是当风力发电机组不具备低电压穿越能力而导致风电机组脱网时。     

发电机故障时海上风电机组动态特性分析

以海上风电机组为研究对象,建立了风电机组模型,以湍流风和随机波浪作为输入条件,考虑重力载荷、空气动力载荷、惯性力载荷和波浪力载荷的影响,基于FAST软件仿真发电机故障时风电机组的运行过程,并研究了发电机故障时变桨速率对风电机组载荷的影响规律.结果表明:故障对风电机组叶片危害严重,发生故障时受惯性力增大的影响叶根处轴向力发生突变,叶根处受力最大;采用主动控制变桨-顺桨对叶片进行卸载,变桨速率对叶尖位移有重要影响.     

特定场址条件下风电机组载荷适应性评估

考虑特定场址环境条件对于风电机组载荷与结构安全特性的影响,基于某3 MW双馈型风电机组载荷模型,运用GH Bladed软件对不同场址环境条件下的风电机组载荷进行仿真计算,形成特征环境条件下载荷特性数据库。分析各环境条件参数对风电机组关键部件极限与疲劳载荷的影响特性。基于特征载荷数据库,运用BP神经网络预测方法,建立特定场址条件下风电机组关键部件极限与疲劳载荷预测模型,并将模型预测结果与仿真结果进行比对。结果表明,基于BP神经网络的风电机组极限与疲劳载荷预测结果误差在6%以内,该方法对于不同场址条件下风电机组载荷与结构安全性评估具有普遍适用性。     

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。     

MW级风电机组多体动力学建模与实测验证

基于柔性多体动力学理论,该文在S4WT中建立MW级风电机组的高精度多体动力学模型。利用机组的运行信息,重构轮毂高度的时序风,结合机组的控制策略,对变速控制段以及变桨控制段进行仿真分析,并将仿真得到的时序结果与实测载荷进行对比,仿真与实测吻合得较好,验证了该文建立的多体动力学模型的准确性。在建立的模型基础上研究风剪切系数对叶根挥舞弯矩变化的影响,叶根挥舞弯矩的频率分析结果表明:叶根挥舞弯矩振幅变化与风剪切系数变化存在线性关系。     

基于多体动力学的双馈式风机复合主轴传动链建模与仿真分析

文章设计了风电机组的复合主轴,采用了柔性多体动力学理论对风电机组传动链进行高精度建模,建立了风电机组传动链系统拓扑结构和动力学微分方程组,构建了风电机组传动链系统的动力学数学模型,通过时域瞬态动力学分析研究各部件的力、速度、加速度等的响应,揭示了传动链的模态、阶次和共振特性。基于柔性多体动力学平台建立了风电机组传动链高精度仿真模型,对传动链的激励频率及固有频率进行模拟分析,并与通用软件计算结果及实测数据进行了对比验证。验证结果表明,柔性多体动力学仿真结果与通用软件计算结果的仿真载荷时序曲线趋势一致,且载荷均值、幅值比较一致,与动态频率的实测结果平均相差1.51%。同时设计了复合主轴,编写复合材料主轴优化程序,与传统主轴相比,重量轻、刚度更好,优化后的传动链位移、速度、加速度、载荷的极限值分别降低了1.0%,42.7%,13.8%和2.1%,表明了系统更加稳定。     

地震、风、浪作用下融合海水养殖的海上风力机耦合响应机理研究

为实现海洋空间立体化,最大化经济产出,提出一种单桩基础海上风电机组（OWT）融合海水养殖的新型增殖型海上风电机组结构（MOWTAC）。该研究提出基于时域耦合数值仿真工具FAST v8的新型增殖型海上风力机水动力计算模型,建立新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下的整体耦合计算模型。进一步,开展地震组合工况作用下新型增殖型海上风力机整体结构动力响应计算。由计算结果可知,地震荷载为新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下海上风力机结构响应的控制荷载。相比于风浪联合工况,新型增殖型风力机在地震荷载激励下2阶频率对于结构响应的影响显著增加。     

土-构耦合效应对15 MW风力机地震动态响应的影响

为研究土-构耦合效应对下一代大型海上风力机地震动态响应的影响,通过对开源软件FAST进行二次开发,采用模态加速度法计算地震载荷,建立了海上风力机地震动力学仿真模型,并据此研究了考虑及忽略土-构耦合效应时15 MW风力机在正常运行工况和停机状态下的塔顶振动和支撑结构载荷变化特性。结果表明：土-构耦合效应虽然对地震诱导塔顶振动剧烈程度的影响较小,但在一定程度上抑制了停机时侧向振动的恢复;忽略土-构耦合效应将导致泥面处结构弯矩的预估值偏低约29.6%;考虑土-构耦合效应时,面内弯矩在地震结束后依然保持较大的变化幅度;针对海上风电结构抗震设计,应当考虑增加系统阻尼以及时降低由地震激励引起的面内载荷。     

风切变指数对于风电机组载荷特性影响研究

分析风切变指数对风电机组机械载荷特性的影响,并以某2 MW风电机组载荷测试数据为例,对相同风速不同风切变情况下的载荷数据进行分析。研究风切变指数对风电机组极限载荷、疲劳等效载荷的影响。最后运用GH Bladed软件,对相同外部条件不同风切变指数下的风电机组载荷进行仿真计算,验证风切变指数与风电机组载荷特性之间的内在相关性。测试数据与仿真结果均表明,风电机组结构部件载荷特性与风切变指数强相关,且随着风切变指数的增加,极限载荷与疲劳等效载荷也随之变大。风切变指数的增长率与极限载荷增长率、疲劳等效载荷增长率均呈现二次函数关系,且风切变指数每增加约5%,极限载荷增加约0.1%,疲劳等效载荷增加约0.5%。     

10 MW漂浮式风电机组风轮叶片响应特性研究

构建DTU 10 MW风电机组全耦合非线性模型,使用开源软件FAST计算10 MW风电机组在多种工况下的动力学响应,通过时频域分析和箱线图分析对漂浮式风电机组风轮的动态响应进行研究。结果表明:风轮叶片响应主要是风载荷引起;浮动平台纵荡、纵摇运动与风轮叶片运动的附加耦合作用会增大风轮推力、叶根弯矩和叶尖挠度的波动性,波浪载荷会增大风轮叶片的疲劳载荷。     

海上风力机在风波联合作用下的动力响应分析

为分析海上风力机运行时的复杂工作环境,需研究海上风力机整机系统在气动载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。应用线性波理论模拟非规则的波浪及计算水质点在不同深度位置的速度、加速度;应用MORISON波浪力方程建立作用于塔架支撑基础的波浪力计算模型,分析作用在圆筒形支撑基础上的波浪载荷。基于计算多体系统动力学建模方法,通过有限的自由度来反映海上风力机柔性构件的非线性弹性变形。结合气动载荷模型、波浪载荷模型和高效的数值求解方法,建立了海上风力机系统的动力学模型,实现对其动力响应数值分析。以一台5 MW海上风力机为例进行动力响应分析,仿真试验表明气动载荷和波浪载荷对海上风力机的结构设计和稳定性有着重要的影响。该研究为海上风力机系统的振动分析、疲劳分析等提供了一种有效分析方法。     

海上风力机基础结构的疲劳损伤组成研究

针对海上风力机基础结构疲劳损伤、疲劳寿命评价方法展开研究。结合风向、波向概率分布,基于确定性方法计算风电机组荷载引起的疲劳损伤效应,基于波谱计算波浪荷载引起的疲劳损伤效应,进而得到风电机组结构的总体疲劳损伤效应。分析结构各节点疲劳损伤效应的组成,证明波浪荷载疲劳分析的必要性。     

桁架式支撑结构海上风电机组研究

本文基于国际能源署(IEA)课题30"海上风电机组动态学仿真软件和模型的比较"项目第一阶段桁架式支撑结构的海上风电机组仿真结果,针对海上风电模型复杂的特点,给出桁架式支撑结构细节,研究用BladedV3.80建立桁架式支撑结构的海上风电机组模型。与其他软件建立的模型比较质量和模态,验证海上风电机组的模型。     

基于柔性基础模型的海上风电机组支撑结构优化

相比陆上风电机组,海上风电机组支撑结构长期处于风载荷与海浪载荷作用,在设计时还需考虑土壤与基础的相互作用。以某5 MW单桩式海上风电机组支撑结构为模型,考虑基础柔性对机组载荷的影响,应用耦合弹簧模型建立基础模型,计算极限设计载荷,结合有限元模型计算基础部分设计载荷,采用粒子群优化算法,在满足多约束条件下,最小化支撑结构重量。结果表明:考虑基础柔性条件下,应用粒子群优化算法优化支撑结构,在满足各项约束条件的前提下,总体重量降低7.41%。     

风冰联合作用下大型单桩海上风电机组动力特性

考虑风荷载与冰荷载联合作用对大型单桩海上风电机组的影响,基于IEA 15 MW超大型单桩海上风电机组,采用一体化分析软件Openfast建立风冰联合作用下大型单桩耦合数值模型,开展超大型单桩海上风电机组在风冰联合作用下的动力响应分析。探究不同加载时长、冰激振动模型以及疲劳损伤组合方法对大型单桩海上风电机组的动力响应规律。计算结果显示：不同冰载数值计算模型塔基与泥面线载荷的计算结果差别较大,泥面线受冰荷载影响较大,同时泥面线位置较塔基位置承受更大的疲劳损伤,应重点关注。采用不同的荷载组合方向进行泥面线与塔基位置的疲劳损伤估计时,计算结果较风冰联合作用下疲劳损伤相对误差较大。因此,宜采用风冰联合加载的方法进行大型单桩海上风电机组的动力响应模拟,进而开展超大型单桩海上风电机组的疲劳损伤估计。     

风力发电机组载荷测试叶根弯矩信号标定方法研究

风力发电机组载荷测试是涉及到风电机组寿命与安全的、重要的型式认证试验项目之一。载荷测试的主要内容是对风电机组塔筒、主轴、叶片等主要结构部件的弯矩(扭矩)进行测试。叶根弯矩测试采用传统的粘贴应变片和搭建惠斯通电桥的方式。由于叶片本身结构及材料特性复杂,因此传统的旁路电阻标定的方法不适用于叶片根部弯矩信号的标定。结合实际测试项目,文章介绍了几种常用的叶片根部弯矩信号标定方法,并分析了各自的特点。     

6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究

海上风电场建设由近海走向深远海,漂浮式风电机组将会是这一区域最适合的选择。选用华锐6 MW机组,结合东海某海域环境条件和IEC规范,利用气动-水动耦合时域分析方法,对不同基础型式下的风电机组载荷特性进行研究。计算结果表明:漂浮式风电机组叶片、轮毂极限载荷与海上固定式风电机组相比没有明显增加,塔筒底部极限载荷增加幅度可达30%;在正常发电工况和极端空转工况叶片和轮毂极限载荷主要受风载荷控制,而塔筒底部和顶部极限载荷在不同工况受风载荷和波浪载荷影响效果则有不同。     

风浪对多浮筒半潜浮式风机关键部位弯矩的影响研究

针对半潜型浮式基础横撑和塔柱底部的弯矩特性,文章采用了气动-水动力-结构弹性耦合的时域分析方法,以DeepCwind浮式风机系统为研究对象,进行了不同风浪组合下的全耦合分析。该方法将各浮筒看作独立浮体,采用多体水动力理论预报浮式基础的波浪载荷,实现横撑与浮筒连接处弯矩的计算。计算结果表明:风载荷和波浪载荷对塔柱底部的弯矩均有明显的影响,而横撑弯矩主要来源于波浪载荷;相对于塔柱底部,横撑更容易发生破坏;将风和波浪单独引起的弯矩时历直接相加,可以较好地模拟风浪联合作用下横撑和塔柱的弯矩特性。研究结果可以为多浮筒半潜浮式风机的疲劳评估提供参考。     

基于模态和传动误差的大型海上风力机传动链交互耦合式动力学分析

基于大型海上风电机组的分析模型,对传动链进行了交互耦合式动力学的研究。利用ANSYS与RomaxWind交互仿真分析风电齿轮箱在极限载荷和疲劳载荷下的受力情况;根据诸多国际设计规范,得出风电齿轮箱关键部件的安全系数满足要求。最后使用RomaxDynamics模块完成了一套基于模态和传动误差的分析方法并实测验证。分析和实测结果表明,该文所提方法可为兆瓦级海上风电机组传动链动力学分析提供一个全系统耦合的分析途径,具有工程实用意义。     

基于VC-综合赋权法的海上风电APF配置优化方法研究

大容量海上风电机组的接入改变了传统电力系统结构,给电网带来了谐波等问题,影响了电能质量。为抑制海上风电机组产生的低次谐波,文章首先建立了海上风电机组并网电流的低次谐波理论模型;然后,在仿真软件ETAP上搭建海上风电机组仿真模型,验证不同出力情况下风电场的输出谐波特性;最后,基于风电场输出谐波特性,提出变异系数（Variation Coefficient,VC）综合赋权法对风电场有源滤波器（APF）进行优化配置,提升了风电场谐波的治理效果。基于实际算例验证了所提方法的有效性。