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。     

Spar型漂浮式风力机断缆影响及运动稳定性研究

为探究系泊断裂对漂浮式风力机造成的影响，建立基于Spar平台的漂浮式风力机多刚体动力学模型，研究在正常运行工况以及风浪存在不同夹角工况下系泊断裂对其动力响应的影响，通过考虑漂浮式风力机断缆前后的运动稳定域探讨两种风电场布置的可行性。结果表明：漂浮式风力机的纵荡与横荡运动受系泊断裂的影响较大，且位于荷载方向两侧的系泊相比其他系泊在发生断裂后对风力机运动响应的影响更大；对于风浪夹角工况，30°以下的风浪夹角不会增大系泊断裂给漂浮式风力机带来的不利影响；对于采用共享锚链锚固点的风电场布置而言，星形布置方式存在相邻风力机碰撞的风险，宜采用安全距离较大的六边形布置。     

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。     

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。     

风浪异向下漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究风浪异向下海上漂浮式风电场平台运动响应,建立基于ITI Energy Barge平台的漂浮式风力机及共用系泊的二阶阵列漂浮式风电场模型,运用水动力学软件AQWA与风力机仿真软件OpenFAST分别对水动与气动载荷进行计算,分析了风浪异向下二阶阵列漂浮式风电场Barge平台时频响应特性。结果表明：频域内,Barge平台响应主要集中在低频区域,波浪方向对纵摇和纵荡响应影响较大,对垂荡响应影响较小;时域内,纵摇和艏摇自由度背风侧平台响应幅值明显大于迎风侧平台;风电场各平台在横荡、横摇上的响应幅度随波浪入射角度的增大而增大,纵荡和垂荡自由度则几乎不受影响。     

不同入射角风波流海上漂浮式风力机频域与时域动态特性

采用边界元并结合多体动力学方法分析了张力腿平台(TLP)漂浮式风力机结构,研究了平台结构在不同方向上的频域与时域运动响应变化,并比较了漂浮式平台在海洋环境条件下风波流联合作用时和波浪载荷独立作用时的运动响应,得到了平台结构在时域中的动力响应.研究结果表明:漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP的作用力不能忽略;风波流联合作用时的运动响应标准差大于波浪载荷独立作用时的运动响应标准差,且平台偏离平衡位置的程度更加剧烈;平均运动响应及标准差在入射角分别为0°、22.5°和45°时相差微小.研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值.     

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%。     

海上风力机变桨控制策略仿真研究

基于开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台,将干扰自适应控制(DAC)应用于海上风力机变桨控制,并与FAST基础控制进行对比,分析不同控制对海上风力机漂浮稳定性的影响,并提出一种改进的DAC,研究其对海上风力机漂浮式平台及风轮转速的影响。结果表明:与FAST基础控制相比,在DAC下海上风力机风轮转速更稳定,但其漂浮稳定性差;DAC对海上风力机漂浮稳定性的影响主要集中于纵荡和纵摇方向;与DAC和FAST基础控制相比,改进的DAC更适用于海上风力机变桨控制。     

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。     

随机风浪作用下漂浮式风力机MTMD振动控制研究

基于多体动力学理论,通过二次开发,基于FAST-SC建立漂浮式风力机-多重调谐质量阻尼器（MTMD）耦合振动控制模型FAST-SC-MTMD。以驳船式海上风力机为研究对象,基于线性调频优化方法完成布置于机舱和平台位置的TMD参数设计。以漂浮式风力机结构运动响应控制率为评价指标,研究在随机荷载激励下将TMD和MTMD应用于在驳船式风力机的减振效果。研究发现,采用机舱和平台同时布置MTMD的减振控制策略,可有效降低驳船式风力机塔基荷载和运动响应。     

不同风况下半潜漂浮式风力机动力学响应分析

针对现有漂浮式风力机在风浪作用下运动响应较大的问题，提出一种具有圆台形浮筒的新型半潜式平台。基于FAST耦合水动力、空气动力和系泊系统等物理场，同时结合水动力学软件AQWA计算的频域参数对不同风况下漂浮式风力机动力学响应进行分析，并在额定风况下与OC4-DeepCwind漂浮式风力机进行对比。分析结果表明：不同风速对漂浮式风力机的纵荡、纵摇及艏摇运动影响明显，对垂荡运动影响较小；与OC4漂浮式风力机相比，新型漂浮式风力机在各风况下纵摇、横摇响应得到明显降低，具有良好的稳定性。     

考虑桩基础柔性的固定式海上风力机调谐液柱阻尼器振动控制研究

采用线性耦合弹簧模拟风力机桩基础柔性，基于时域整体耦合分析方法，建立考虑桩基础柔性的海上风力机-调谐液柱阻尼器（TLCD）的耦合数值仿真模型，开展风浪联合作用下固定式海上风力机结构振动控制研究，探讨TLCD对于减振效果的影响，并结合频域响应揭示了TLCD的减振机理。研究表明，所设计TLCD通过调谐支撑结构一阶模态有效降低了固定式海上风力机结构自由衰减时程和耦合运动响应。与此同时，验证了不同设计工况下海上风力结构减振效果的差异，以及环境荷载与海上风力结构耦合效应对于TLCD减振效果的影响，进一步，依据海上风力机结构耦合运动响应控制率对TLCD的适用性和有效性进行了评价。     

风波耦合作用下悬链线系泊参数对不同漂浮式风力机平台动态响应的影响

通过Fortran语言编程进行AQWA二次开发,实现漂浮式风力机气动-水动-系泊耦合动力学模型算法求解。考虑风波耦合作用,研究了悬链线系泊系统不同参数对3种漂浮式风力机平台运动响应及漂浮式风力机系统各参数的影响。结果表明:系统参数对漂浮式风力机Spar平台纵荡位移最大值、垂荡位移最大值影响较大,而对纵摇角度最大值和机舱加速度最大值均影响较小,且导缆孔不同位置的张力最大值变化不同,故合适的导缆孔位置能够有效增强平台稳定性;系泊系统采用较大直径的悬链线可提高漂浮式风力机Barge平台稳定性;系泊长度、导缆孔位置及系泊直径对漂浮式风力机Semi平台纵荡位移最大值、系泊张力最大值影响较大,而对垂荡位移最大值、纵摇角度最大值及机舱加速度最大值均影响较小。     

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。     

极端风况下双转子风力机降载复合控制策略

为降低双转子风力机在极端风况下的大波动载荷,基于双转子风力机气动与控制仿真系统,提出了基于独立变桨自抗扰控制器和偏航模糊控制器的降载复合控制策略,并分析了正常风况和极端风况下该策略的控制效果。结果表明：与传统PID独立变桨控制相比,在极端运行阵风和极端湍流模型下,独立变桨自抗扰控制方法使叶根挥舞弯矩标准差减小18%以上;与传统恒速偏航控制相比,在极端风向变化下,偏航模糊控制方法使偏航轴承滚动力矩标准差减小约27%。降载复合控制策略有效降低了极端风况下双转子风力机的大载荷,抑制了功率波动。     

基于扰动观测的漂浮式海上风力机主动滑模结构控制研究

针对漂浮式海上风力机主动结构控制问题,提出一种基于扰动观测的主动滑模控制方法,并应用风力机仿真工具FAST验证所提方法的有效性。在扰动二阶导数有界的前提下,理论证明观测器的稳定性和估计误差的有界性,从而有效估计匹配扰动和非匹配扰动。理论证明一类积分型滑模面的有限时间收敛性和闭环系统稳定性。基于FAST的仿真表明：所提出的主动调谐质量阻尼器（TMD）控制方法与最优被动TMD相比,主动TMD系统的漂浮平台俯仰角度和塔顶位移的均方根值可分别降低11.88%和13.56%,有效提升了风力机承受风浪载荷的能力。     

陆海风力机动态响应对比

以NREL实测数据为湍流风场数据源,以NREL 5 MW风力机为样机,并结合波浪作用,分别研究了陆海风力机平台及各柔性部件的动力学响应.结果表明:平台运动形式主要为纵荡、纵摇和首摇;漂浮式风力机的叶根摆振力矩和纵向剪力要大于陆上风力机;漂浮式风力机塔尖和塔基纵向剪力及塔基俯仰力矩的波动范围为陆上风力机的3倍;漂浮式风力机塔尖运动加速度呈现高频和大跨度的特点.     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

极限海况下Spar平台漂浮式风电场平台动态响应研究

平台稳定性是漂浮式风力机安全运行的基础。以漂浮式风力机Spar平台为研究对象,借鉴"铁索连舟"增强船舶稳定性的思想,建立了共用系泊系统基于Spar平台漂浮式风电场。运用水动力学软件AQWA,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,研究了极限海况下风、浪及流载荷联合作用下多平台的动态响应特性。结果表明:频域分析中,Spar平台在纵荡方向上的幅值响应算子随频率增加逐渐减小,最后趋向于零;在垂荡和纵摇方向上,幅值响应算子随频率增加先增加后减小,最后趋向于零,且峰值频率在低频区域。时域分析中,较之于单平台,漂浮式风电场平台在纵荡、横荡方向上的位移均得到了一定程度的减小,横摇及艏摇运动响应亦得到了抑制。增大系泊链接点半径的方法对于抑制漂浮式风电场平台艏摇响应效果明显。     

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。