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。     

考虑土壤阻尼的海上风电机组支撑结构响应分析

以极端条件下的某5 MW单桩式海上风电机组为研究对象,考虑局部冲刷作用,采用p-y曲线法建立有限元模型,通过自由振动分析,计算考虑土壤材料阻尼的支撑结构整体结构阻尼,结合耦合弹簧模型建立的基础模型,获得机组结构响应。结果表明:基于p-y曲线法建立的有限元模型模拟桩基础与土壤的相互作用是可靠的,相比未考虑局部冲刷作用,土壤阻尼由0.389%降低至0.138%,进而降低了土壤材料阻尼对结构响应的影响。在设计过程中,需考虑土壤材料阻尼对局部冲刷作用下结构响应的影响。     

局部冲刷作用下海上风电机组支撑结构响应

海上风电机组支撑结构在局部冲刷作用下会形成冲刷坑,从而降低基础埋深,导致基础水平承载力的下降,影响机组正常工作运行。以某5 MW单桩式海上风电机组为模型,考虑土壤结构相互作用,应用耦合弹簧模型建立基础模型,仿真局部冲刷作用下机组结构响应。结果表明:相比仅考虑柔性基础模型,考虑局部冲刷的柔性基础模型在机组泥面处最大倾覆力矩与转角增加3.6%和37.9%,且波动性较大,支撑结构一阶前后与侧向固有频率分别降低4.1%和6.0%。     

基于拓扑优化的海上风电机组三脚架结构设计

为实现海上风电机组支撑结构的轻量化设计,提出基于拓扑优化的海上风电机组三脚架结构设计方法。首先,以结构柔顺度最小化为目标设置体积比约束,基于变密度法实现三脚架结构的概念设计;然后,以拓扑优化结果为依据,通过删除参考结构的水平连杆及增加斜支撑与中心主筒厚度的方式实现三脚架结构的重构;最后,从固有频率、极限强度及疲劳强度3个方面验证优化结构的可靠性及有效性。结果表明:与参考结构相比,优化结构在满足静动态和疲劳设计要求的同时实现了结构大幅减重,充分证明了所提拓扑优化方法的可行性及优越性。     

海上风电机组塔架基础一体化设计

  [目的]  随着国家对于海上风电竞价上网指导意见的出台,降低开发成本的需求越来越迫切,急需通过技术创新降低成本。而海上塔架和基础的成本,显著影响着海上风电的平准化度电成本LCoE(Levelized Cost of Energy),直接决定着海上风电项目的竞争力。  [方法]  为了有效降低塔架基础的成本,文章提出了基于数字化云平台iDO(integrated Design Offshore)的一体化设计方法,对极端极限状态ULS工况下结构的静强度、疲劳极限状态FLS工况下结构的疲劳损伤进行了数值计算分析。为验证一体化设计方法在降低海上风电塔架基础成本的效果,文章针对两个实际工程项目,基于iDO云平台和传统分步迭代法SIA(Sequentially Iterated Approach)进行设计分析,对比ULS工况和FLS工况下的结构安全衡准指标。  [结果]  计算结果表明:ULS和FLS工况下,基于iDO云平台的一体化设计方法比SIA在结构强度、变形、疲劳损伤等指标有较大幅度下降,可显著优化塔架基础结构,降低结构重量,减小整个支撑结构成本,降低海上风电的LCoE。  [结论]  在实际海上风电工程项目应用中,基于iDO云平台的一体化设计方法可有效降低塔架基础结构成本,从而提高海上风电项目的竞争力,同时可对未来海上风电支撑结构优化设计提供借鉴。     

基于PCA-SVM方法的海上风电机组安装费用模型

风机安装费用在整个海上风电项目的安装费中占了很高的比重,如果对其进行较为准确地把控,对控制海上风电项目的总体造价将起到很重要的支撑作用。为此利用主成分分析法(PCA)对风机安装费用的影响因子进行了筛选,将筛选后的因子作为支持向量机模型(SVM)输入量,构建了风机安装费用的PCA-SVM模型。将该模型应用于风电项目的风机安装费用预测,得到了比较好的结果,可满足工程的实际需求。     

大型柔性风电机组动态模型研究

针对大型柔性风电机组动态过程复杂的特点,将联合仿真技术应用于风力发电机组结构动力学分析中:用MSC.NASTRAN进行结构建模及模态分析,用MSC.ADAMS进行柔性多体动力学分析,用AERODYN建立气动模型,用MATLAB构建控制模型。模型兼顾了风力发电机组的机械及电气动态特性,弥补了现有各种模型过于简化的不足。与传统的2个、3个质量块等效模型进行了仿真比较,采用该模型可更加有效地进行风力发电机组控制系统的设计,分析机组在各种运行工况下的动态行为。     

珠海桂山海上风电场风电机组基础设计

珠海桂山海上风电场是我国南海第一座大型的海上风电场,其风机基础同时具有海洋结构工程、高耸结构基础、动力设备基础和复杂软弱土地基基础四种显著工程特性,地基基础设计成为该工程的关键技术难题之一。介绍了该工程风机塔基础设计内容,重点分析了海洋土参数与桩土相互作用、风机基础结构耦合分析、频率窗口问题、基础结构疲劳分析、防腐设计、灌浆分析等基础设计关键技术。     

全钢型负压筒式海上风电机组基础结构的监测参数预报

针对东海海域首个配备监测系统的全钢型负压筒式海上风电机组进行数值模拟研究。首先对海洋环境载荷进行分析,分别建立全钢型负压筒基础模型和主体钢结构模型,采用叠加法计算风电机组的倾角变形;并对不同工况下负压筒和结构的监测量进行数值模拟,最终分析所有测点监测参数的变化范围,从而确定实时监测报警系统参数阈值,并进行报警分析,可为海上风电机组的运维安全提供参考。     

大型风电机组柔性塔架结构改进研究

针对大型风电机组柔性塔架分段处的动态响应问题,文章利用双向流固耦合法对塔架分段处法兰进行流体与结构动力学分析,得出动力响应曲线。将考虑耦合作用与未考虑耦合作用的塔架法兰的应力、位移进行对比,经过基本应用理论分析,提出塔架结构改进措施。对比结果表明:考虑耦合作用的塔架法兰位移、应力变化幅度均比未考虑耦合作用的小;结构改进后的塔架应力、位移变化幅度相对较小。     

海上风电机组基础灌浆技术应用与发展

海上风电灌浆是影响海上风电发展的一项重要技术,由于风机设备的长期动力载荷作用,使得海上风电的灌浆无论是灌浆材料、连接段类型、受力机理等多方面都与常规海洋工程有所不同。海上风电机组基础灌浆具有高终强、高早强、抗疲劳、抗离析等优越性能,本文简述了海上风电场对灌浆材料的要求,详细介绍了单桩基础与导管架基础这两类典型的灌浆连接段类型及其各自的工程应用和发展,最后简述了灌浆病害的监测与修复,并对海上风电灌浆技术进行展望与总结。     

基于进化策略的海上风电支撑结构多参数同步优化设计

针对典型海上风电场3 MW固定式三桩单立柱风力机支撑结构主尺度优化问题,文章采用参数化建模方式进行力学建模,在有限元分析的基础上,结合生物进化策略,以风机塔顶位移、结构最大Mises应力为限制条件,以减小支撑结构整体体积为优化目标,对海上三桩单立柱风力机支撑结构主尺度参数进行多参数同步优化设计。研究结果表明:在保证风机塔架刚度和结构强度的前提下,通过结合有限元分析与进化策略对风机主尺度参数进行同步优化,风机支撑结构整体体积明显下降,优化效果明显。该多参数同步优化设计方法可为海上风电固定式支撑结构设计提供参考。     

基于综合模态能的海上风电支撑结构损伤识别研究

文章研究了基于模态能的海上风电支撑结构损伤识别方法。利用结构损伤前后模态能的变化,构建了一种综合模态能损伤判别指标。该指标的最突出特点是同时使用了结构的模态应变能和模态动能。通过引入统计假设检验,给出了该损伤指标的判别阈值。为验证该方法的有效性,开展了三脚架式海上风电支撑结构的数值和试验研究。结果表明,文章所提出的综合模态能指标可有效地识别海上风电支撑结构的损伤;与传统的模态应变能法相比,该方法具有更强的噪声鲁棒性。     

海上风电机组发展趋势分析

本文追述了海上风电机组的发展历程,分析了世界各主要风电机组生产厂家正在研制的海上风电机组的技术路线,提出了海上风电机组今后发展的主要趋势。     

基于多失效模式的海上浮式风电机组结构可靠性研究

为准确评估浮式海上风电机组结构服役安全性,提出一种基于多失效模式的可靠性评估方法。以美国国家可再生能源实验室（NREL）研制的5 MW浮式风力发电机组OC3 Hywind为目标模型,根据不同海况下浮式风电机组结构耦合动力响应分析结果,分析关键结构的不同失效模式,最后基于多失效模式的可靠性评估方法计算整体系统可靠性。结果表明,考虑串联系统,基于多失效模式可靠性分析方法得到的海上浮式风电机组结构整体的失效概率远高于单一模式失效概率,采用此方式评估结构可靠度更加安全准确。     

海上风电机组多导管架拓扑优化方法

为实现海上风电机组多导管架结构概念设计,对某型5 MW多导管架结构进行模态分析、整机载荷计算与极限工况下的刚强度分析。根据受力特点,建立多导管架结构的多目标拓扑优化模型,通过最小尺寸约束抑制棋盘格现象并设置对称面约束,得到不同权因子下的拓扑优化结果。基于某一加权因子下拓扑优化结果,重新建立新型多导管架有限元模型,并进行载荷重分析。通过极限工况下的静动态分析结果对比可知,优化结构一阶固有频率略有提高,最大变形和应力均大幅降低。上述结果证明了提出的拓扑优化流程在海上风电机组多导管架设计中的可行性和优越性。     

海上风电基础修正p-y曲线模型研究

单桩基础是海上风电基础中应用范围较广的基础形式,目前工程中在分析桩土相互作用及单桩位移时常采用API规范推荐的p-y曲线模型进行计算。随着桩土理论的不断发展和进步,现有的API规范推荐的p-y曲线模型在应用于大直径桩的分析和计算时,其结果低估了不同深度处土体的极限土抗力,高估了初始地基反力模量,因而降低了计算结果的准确性。该文针对该问题,分析了现有p-y曲线法中影响极限土抗力和初始地基反力模量的因素;通过建立桩土相互作用的有限元数值模型,对不同桩径和土体深度的计算模型进行分析和数据回归,引入修正系数来考虑大直径桩的尺寸效应,并讨论了不同因素影响指数的变化规律,最终建立了适用于大直径单桩基础的修正p-y曲线模型。最后通过与模型试验和现场试验的结果对比,修正后的模型对极限土抗力和初始地基反力模量的计算更加符合实际情况,从而验证了修正p-y曲线模型的可靠性与合理性。     

基于相干函数的海上风电支撑结构非线性损伤识别实验研究

文章研究了基于相干函数的海上风电支撑结构非线性损伤识别方法。为了克服传统相干函数法的不足,提出了一种仅利用结构振动响应信号的相干性分析方法。基于此,定义了相对损伤函数和局部相对损伤函数,构建了一种损伤检测指标和一种损伤定位指标。对于带宽或频谱成分不同的信号,采用了一种两阶段解析模式分解法进行信号处理。为验证方法的有效性和实用性,对单立柱式海上风电支撑结构开展了非线性损伤识别实验研究。结果表明:所提出的基于相干函数的非线性损伤检测指标可灵敏地指示结构非线性损伤的发生及相对损伤程度;损伤定位指标可以准确地识别结构的损伤单元。     

海上风电机组不同基础自然接地体的比较研究

海上风力发电机组接地网结构、所处环境等与陆上风力发电机组有显著差异。为研究海上风电机组基础作为自然接地体的问题,分别建立了单桩基础、单柱三钢桩基础、高桩承台基础和导管架基础4种地网形式的计算模型,将模型的每一个导体进行分段,再通过复镜像法求解每一段导体的格林函数,最后通过叠加定理求解基础的接地阻抗,并综合分析了典型水位变化对接地阻抗的影响。结果表明,利用海上风力发电机基础作为自然接地体能够满足电气工程生产和安全的需要,可为海上风电机组接地设计提供参考。     

基于土壤阻尼曲线的海上风电机组响应分析

以NREL 5 MW单桩式海上风电机组为研究对象,基于p-y曲线法与土壤阻尼曲线建立有限元模型,通过自由振动分析与时域仿真分析,分别获得基于土壤阻尼曲线的海上风电机组结构响应。结果表明:支撑结构土壤阻尼对土壤剪应变较为敏感,且在自由振动分析结果额定条件下达到最大值1.259%;相比塔顶位移与转角,泥面位移与转角最大值对土壤阻尼响应更为敏感。在设计过程中,考虑土壤材料阻尼时,可选择土壤阻尼曲线用于土壤建模。