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。     

极端海况下附配重系泊漂浮式风力机响应分析

为提高风波作用下平台稳定性并降低系泊拔锚风险,提出对Barge平台系泊添加配重的新型系泊系统。基于辐射/绕射理论和有限元方法,对比系泊添加配重前后Barge平台动态响应、系泊受力及躺地长度变化,并研究配重位置的影响。结果表明：在保证系泊安全的前提下,添加配重可有效降低平台纵荡、垂荡及纵摇响应并增加系泊躺地长度;当配重距锚点约160 m时,平台纵荡响应最小且躺地长度最大,纵荡、垂荡及纵摇响应幅值分别减小41.9%、20.4%及11.8%。此外,1~4号系泊躺地长度为未加配重时的12.9、2.0、1.9及0.9倍,张力略有增大,但仍在安全范围内;1号系泊（迎风浪侧）躺地长度最小,拔锚风险最高,4号系泊（背风浪侧）添加配重后其躺地长度缩短,拔锚风险增加。     

2种海上风力机漂浮式风电场平台动态响应对比

为研究不同海上风力机漂浮式风电场平台风浪流联合作用下动态响应,分别建立基于OC3-Hywind Spar与ITI Energy Barge平台漂浮式风力机的2×2阵列漂浮式风电场,结合辐射/绕射理论与有限元方法,使用海洋工程软件AQWA及风力机仿真软件FAST分别进行水动力学与气动载荷计算,分析2种漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明：Spar与Barge平台频域响应均集中在2.00 rad/s以下低频区域,在2种风电场中,Spar风电场各平台在垂荡、纵摇、横摇、艏摇4自由度及机舱振动加速度上稳定性较好;风电场中平台横荡、纵荡及机舱振动加速度大小与其在风电场中所处位置有关。     

漂浮式风力机Spar平台抑制摇荡运动研究

平台稳定性是风力机安全运行的基础保障,以Spar平台为研究对象建立整机模型,在其底部设置摇荡阻尼器,基于水动力学软件并结合有限元方法,研究其在风波载荷作用下的时频域动态响应特性,并与原始Spar平台时域响应进行对比。结果表明:较之于原始Spar平台,摇荡阻尼器对改进后平台的垂荡响应抑制效果最为明显,纵摇次之,纵荡最小。     

漂浮式海上双转子风力机动态响应研究

为研究漂浮式海上双转子风力机的动态响应特性,采用OC3-Hywind Spar漂浮式平台,搭建了漂浮式海上双转子风力机仿真系统。采用自由涡尾迹法(Free Vortex Wake, FVW)和OpenFAST水动力计算模块,建立了漂浮式海上双转子风力机的气动-水动耦合分析模型,并进行了风浪耦合分析与控制仿真。结果表明：主副转子功率波动幅值随风浪夹角变大而逐渐减小;主副转子间流场比陆上双转子风力机更加复杂,多目标变桨控制既可减小功率波动又可缓解副转子的疲劳损伤;风浪夹角在0°和90°的工况下,平台运动响应波动较为明显。     

基于有限元法的漂浮式风力机Spar平台动态响应分析

以美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW漂浮式风力机和Spar平台为参考模型,采用有限元分析法分析了Spar平台的波浪载荷频域特性,包括对振幅响应算子、绕射力和F-K力频域动态响应分析,并对比了三种波浪谱(P-M谱、JONSWAP谱和Wen’s谱)海况下的时域响应.结果表明:Spar平台载荷峰值出现在低频波浪作用下,且响应明显,而随着频率的增大,其值逐渐减小;在P-M谱和Wen’s谱作用下的平台动态响应无明显差异,且两者的振幅和周期大致相同,而在JONSWAP谱作用下的平台动态响应最小,但其往复周期小,频率大,使得系泊系统承受较大的周期性张力.     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究.以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线.为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Harto...     

漂浮式风力机平台结构设计与模态分析

风力机发展趋势使深海漂浮式风力机有着广阔发展前景.分析了漂浮式多浮柱平台的稳定机理,根据美国可再生能源实验室5 MW风力机模型,提出了平面对称结构浮柱平台设计思路,同时初步建立了深海多浮柱平台三维有限元模型.结合机械振动理论,采用有限元计算软件对三浮柱、四浮柱以及六浮柱平台模型进行模态分析,为进一步开展漂浮式平台的优化设计提供了一定参考依据.     

海上漂浮式风力机Spar平台系泊型式及动态响应研究

平台的稳定性是海上漂浮式风力机安全运行的基本保障。研究两种新型系泊型式对海上漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响及系泊的安全性。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL(美国国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的波浪载荷及平台与系泊系统的耦合。首先,验证水动力学模型的可靠性,然后分析平台在不同风浪下的时域动态响应,并评估其生存能力。结果表明:两种新型系泊型式均能大幅减小纵荡响应,对纵摇响应影响很小;型式Ⅰ对纵荡响应的抑制小于型式Ⅱ,且二者对纵荡的抑制作用随系泊间夹角的增加而减小;型式Ⅲ-30°系泊在完整状态下的安全系数大于1.67,破损状态下大于1.33,均满足设计要求。     

海冰载荷作用下海上风力机TMD减振研究

为保证桩柱式海上风力机塔架结构稳定和系统运行安全,提出安装于机舱内的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),以减弱海冰与湍流风联合作用环境下的风力机振动。基于多体动力学开源仿真软件(FAST),通过计算并分析NREL 5 MW海上风力机风-冰联合作用下塔顶振动特性,发现TMD控制对前后向的塔顶位移及塔基剪切力影响较小,但可以有效降低侧向的塔顶位移及塔基剪切力,降低幅度分别达39%与52%。同时,塔架一阶固有频率处的响应降低64%与90%,说明TMD装置能有效减弱风力机振动,保护风力机安全。     

粘滞阻尼器参数对海上风力机风致振动控制影响研究

为研究粘滞阻尼器参数对风力机振动控制效果的影响,以NREL 5 MW海上风力机为研究对象,基于有限元方法建立风力机模型,针对湍流风诱导下风力机振动,对比分析不同参数粘滞阻尼器作用下塔顶位移及塔壁应力分布.结果 表明:粘滞阻尼器可有效控制风载荷导致的风力机塔顶振动,在相对速度指数小于0.7时,随阻尼系数增大对塔顶位移控制...     

新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。     

风浪入射角对漂浮式风力机动态响应影响研究

采用开源软件FAST并结合多体动力学方法,以驳船式(ITI Energy Barge)平台5 MW海上漂浮式风力机为研究对象,研究海上漂浮式风力机塔架与平台结构在风浪不同入射角下6个自由度大小与幅值变化,并分析风力机塔架与塔基在风浪入射角度不一致工况下的动态响应;将模拟所得数据在Matlab语言编辑的Mlife程序中运行,进而得到风力机等效疲劳载荷(DEL)。结果表明:平台6个自由度中,纵荡和纵摇随来流风速的变化最为显著;海上风力机的DEL不仅与风浪载荷大小有关,与其方向也有着密切关联;来流风、浪载荷之间的夹角较小时,风力机塔架和塔基的DEL相应较大。研究结果对海上Barge平台结构的设计与安装具有一定的参考价值。     

Vibration suppression of a floating hydrostatic wind turbine model using bidirectional tuned liquid column mass damper

We propose to mitigate the barge pitch and roll motions of floating hydrostatic wind turbine (HWT) by combining the advantages of the bidirectional tuned liquid column damper (BTLCD) and the tuned mass damper (TMD). This is achieved by enabling the container of the BTLCD to move freely, connecting it to the main structure through springs and dampers, creating what we call a bidirectional tuned liquid column mass damper (BTLCMD). The BTLCMD is made by the hydraulic reservoir of the HWT, saving costs by avoiding the addition of extra mass and fluids. The HWT simulation model is obtained by replacing the geared drivetrain of the NREL 5‐MW barge wind turbine model with a hydrostatic transmission drivetrain. The dynamics of the BTLCMD are then incorporated into the HWT. Two simplified mathematical models, describing the barge pitch and roll motions of the HWT‐BTLCMD coupled system, are used to obtain the optimal parameters of the BTLCMD. Simulation results demonstrate that the BTLCMD is very effective in mitigating the barge pitch motion, barge roll motion, and the tower base load. The BTLCMD also largely outperforms the BTLCD in suppressing barge motions.     

组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台影响的研究

研究新型组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊张力特性的影响。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的水动力载荷及平台与系泊系统的耦合。首先验证水动力学模型的可靠性,然后分析组合弹性系泊对动态响应及系泊张力的影响。结果表明:组合弹性系泊会使平台纵荡增大25.5%,但系泊张力、垂荡和纵摇却会分别减小14.0%、20%和18.1%;弹性索位置对动态响应及系泊张力影响不大;随弹性索长度的增加,平台纵荡响应增加34.0%,平台垂荡和系泊张力分别减小25.0%和7.3%。     

半潜式平台浮式风力机的动态响应

平台的稳定是保障海上漂浮式风力机能够安全运行的基础。为了保障海上平台的稳定及漂浮式风力机的安全运行,基于Semi-submersible平台的NREL(国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机模型,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,调用水动力学软件AQWA(水动力学分析软件),考虑风、浪、流载荷的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到了F-K力(波浪力)和绕射力对平台6个自由度运动的影响以及各波浪力随波浪频率的变化趋势。结果表明:平台在低频波浪时容易出现较大响应;随着海洋环境恶劣程度的增加,平台的动态响应增大;垂荡方向的时域和频域响应程度均小于纵荡方向。     

漂浮式风力机半潜式平台摇荡运动混沌特征分析

针对漂浮式风力机半潜式平台在复杂海洋环境下的摇荡运动所表现出的复杂非线性特征,建立半潜式平台的NREL 5 MW漂浮式风力机模型,基于辐射/绕射理论并结合有限元方法得到了平台摇荡运动时间序列数据。基于混沌理论,应用功率谱分析、相空间重构及最大Lyapunov指数3种方法从定性和定量的角度,对摇荡运动时间序列数据进行了混沌特征分析。结果表明:平台摇荡运动时间序列数据具有明显的混沌特征,其最大Lyapunov指数不同(在0.05~0.09之间小幅变化);平台摇荡运动时间序列数据具有短期可预测性,且其最大可预测时间不同,最大可预测时间均不超过17 s。     

Passive vibration control of an offshore floating hydrostatic wind turbine model

We propose to make use of the hydraulic reservoir of a floating barge hydrostatic wind turbine (HWT) to suppress the pitch and roll motions of the barge by making the reservoir into a shape of an annular rectangular to serve as a bidirectional tuned liquid column damper (BTLCD). This means that we have made a barge‐motion damper with negligible extra costs as an HWT needs a reservoir for fluid storage anyway. The barge HWT simulation model is transformed from the NREL (National Renewable Energy Laboratory) 5‐MW geared equipped ITI Energy barge wind turbine model within the FAST (fatigue, aerodynamics, structures, and turbulence) code by replacing its drivetrain with a hydrostatic transmission drivetrain and incorporating the coupled dynamics of the barge‐reservoir system. We use 2 simplified turbine‐reservoir models to optimize the parameters of the BTLCD reservoir, which describe the pitch and roll motions of the turbine‐reservoir system, respectively. Simulation results based on the transformed NREL 5‐MW barge HWT model show that the optimal BTLCD reservoir is very effective in mitigating pitch and roll motions of the barge under realistic wind and wave excitations, which reduces the tower load and improves the power quality.