不同变桨控制对海上风力机漂浮稳定性影响研究

海上风力机叶片变桨将会影响支撑平台的动态响应特性即海上风力机的漂浮稳定性,而海上风力机的漂浮稳定性是影响其有效利用深海区域风能的重要因素。因此,在开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台上,建立干扰自适应控制(DAC),并与FAST原有控制策略对比分析,研究不同控制策略对海上风力机漂浮稳定性的影响。结果表明:较之FAST控制策略,在DAC作用下海上风力机风轮转速及输出功率波动更小,但海上风力机平台动态响应较大;不同控制策略对于海上风力机漂浮稳定性的影响主要集中在纵摇及纵荡;在海上风力机的变桨控制策略设计时应该首先避免纵摇方向的固有频率以提高海上风力机漂浮稳定性。研究结果以期为设计更适合海上风力机的变桨控制器提供理论基础与现实途径。     

考虑土-结构相互作用的海上风力机结构振动控制研究EI北大核心CSCD

利用耦合线性弹簧模型模拟桩基础和土体之间的相互作用,基于海上风力机整体结构耦合运动模型开发了可考虑土-结构相互作用的固定式海上风力机结构振动控制程序。选取5-MW单桩基础海上风力机为研究对象,基于不同边界条件样本风机动力反应特性完成了机舱位置调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)参数设计;基于海上风力机结构时频域响应变化规律及控制率揭示了TMD的减振机理及土-结构相互作用对于减振效果的影响。通过对比得出:考虑土-结构相互作用对海上风力机结构调谐质量阻尼器设计至关重要。     

土基海流耦合条件下海上风电场塔架支撑结构动力特性初探

针对海上风力机塔柱支撑结构受到土基、海洋流体作用的复杂特点,开展多介质耦合条件下塔柱支撑结构动力特性研究。在考虑流固耦合基础上,进一步考虑海床土基弹性条件对塔柱结构动力特性的影响。最后得出了水流、土基与塔柱结构三合一综合动力特性分析结果,初步取得了变化规律。研究结果对海上风电场塔架支撑结构的抗振设计及进一步的研究提供了重要基础性参考依据。     

半潜式海上风力机流固耦合特性分析

根据美国国家可再生能源实验室给出的风力机数据,利用Pro E软件建立5 MW半潜式海上风力机模型,通过仿真软件进行双向流固耦合模拟,探究基于双向流固耦合半潜式风力机风轮在耦合作用时产生的形变及等效应力应变情况。通过分析风力机自存状态以及不同风浪条件下风力机的运行情况可知：作为风力机最重要的部分,风力机叶轮随着转速增大,产生的形变增大,同时形变峰值会越早出现;风轮最大等效应力出现于运行初始阶段,随着时间的推移,应力最终稳定在一定范围内;风力机的形变程度随风速的增大而增大;在风力机运行过程中系泊缆随浮筒一起做周期性运动。研究结果可为海上半潜式风力机安全稳定运行提供参考,同时为设计海上半潜式风力机提供借鉴。     

台风-浪-流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析

为揭示海上台风-浪-流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性,以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象,采用Model Coupling Toolkit(MCT)建立中尺度WRF-SWAN-FVCOM(W-S-F)实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变,再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片-塔筒-波浪面之间的干扰效应,提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。结果表明：建立的中尺度W-S-F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用;塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主,在波浪干扰段以顺风向为主,并在低空波面附近表现出较强的脉动特征;A位置叶片最安全而B位置最危险;T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×106量级,基底弯矩最大达5.2×108量级。     

风力机齿轮箱弹性支撑设计与应用

本文介绍风力机齿轮箱弹性支撑的设计与应用,重点论述弹性支撑刚度的设计方法和固有频率的设计要求,期望能够对风力机齿轮箱弹性支撑的设计起到抛砖引玉的作用。     

三种漂浮式风力机调谐质量阻尼器稳定性控制研究

漂浮式风力机平稳运行是海上风电场建设的基本要求。为对比调谐质量阻尼器(TMD)对不同漂浮式风力机稳定性的控制效果,选取驳船型(Barge型)、浮柱型(Spar型)及半潜型(Semi型)3种漂浮式风力机,在机舱中配置TMD进行控制,研究3种漂浮式风力机在风、浪及流载荷联合作用下的稳定性控制效果。结果表明:无TMD控制时,Barge型漂浮式风力机响应幅度远大于Spar型和Semi型漂浮式风力机;TMD控制后,Barge型漂浮式风力机的响应大幅度减小,在平台首摇和塔顶左右方向上,分别接近Spar型和Semi型漂浮式风力机;TMD对不同类型的漂浮式风力机控制效果不同,Barge型漂浮式风力机控制的效果最好,其次是Spar型,Semi型控制效果最差。研究结果可以为漂浮式风力机的设计和开发提供理论参考。     

铰接式基础风力机数值程序开发与响应研究EI北大核心CSCD

针对50 m作业水深提出了一种新型铰接式基础海上风力机结构,建立了铰接式基础风力机(AOWT)摇摆运动分析模型。采用空气动力-水动力耦合分析方法,利用MATLAB软件在时域内编写运动控制方程,对风、浪、流不同环境载荷作用下铰接式基础风力机的动力响应进行分析,在此基础上,进一步研究湍流风对风力机整体运动及载荷响应影响。计算结果表明,额定风速海况下,铰接式基础风力机运动及载荷性能良好,满足结构设计要求。相比于定常风情况,湍流风作用下,系统响应均值显著减小,但幅值变化加大,且在低频范围内诱发较大共振。     

海冰作用下锥体结构对近海桩柱式风力机结构动态响应影响

基础结构的稳定是海上风力机安全运行的根本保障,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于Ralston理论建立海冰载荷,同时并考虑湍流风作用,研究安装不同锥角的锥体结构风力机结构动态响应并与未安装锥体结构的风力机进行对比,结果表明,锥体结构能有效降低海冰载荷,减小塔顶加速度及塔顶位移。当锥体角度由70°减小至40°时,海冰载荷减小83. 8%,塔顶平均加速度减小43. 1%。较之于无锥体结构时,安装40°锥体结构使得塔架一阶固有频率与风轮一阶固有频率处的塔顶位移幅值减小45%与85%。     

海洋风电支撑结构的随机性动力优化设计

研究了海上风电三脚架支撑结构的随机性优化分析。与陆上风电相比,海上风电支撑结构成本较大,而支撑结构受到复杂载荷作用,且其海上维修、安装费用较大,在设计中必须要考虑支撑结构在海洋环境下的安全可靠性。因此采用了随机性动力优化设计的方法一方面降低了成本,另一方面充分考虑了海上风电工作过程中由于随机性因素引起的安全性问题。首先考虑了风、浪、流及地震载荷作用,对海上风电支撑结构进行了整体动力分析,确定结构随机性优化的响应约束条件。然后通过实验设计的方法简化设计变量,通过代理模型的方法构造变量与响应之间的数学模型。最后在代理模型基础上采用全局优化算法对海上风电支撑结构进行随机性优化。优化后的三脚架支撑结构在满足强度与刚度设计要求下即节省了一定的成本又提高了结构的可靠性。研究算例表明,所提出的海上风电支撑结构的随机性动力优化分析研究具有可行性。     

地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。     

Dynamic Analysis of Wind Power Turbine's Tower under the Combined Action of Winds and Waves

To deal with the dynamic response problem of offshore wind power tower under the combined action of winds and waves,finite element method is used to analyze the structure and flow field around the outside flange of the segmentation part. The changes of pressure distribution and vorticity about the outside flange are obtained.Focused on the analysis on the change of hydrostatic pressure and temperature of the tower cut surface,contour lines under the combined action of winds and waves are depicted. Results show that the surface of the offshore wind turbine tower presents instable temperature field when it suffers the action of winds and waves loads,the static pressure increases nonlinearly with the increase of altitude,the fluid vorticity around the outside flange follows an parabolic curve approximately. Results provide a reference for the actual monitoring data of the offshore wind turbine tower under the combined action of winds and waves,so as to ensure the normal operation of tower.     

Optimization Design of TMD for Vibration Suppression of Offshore Floating Wind Turbine

In order to suppress the responses of the large vibration displacements and loads of the offshore floating wind turbine under the harsh marine environment,an effect method for restraining vibration,putting tuned mass dampers( TMD) in the cabin of wind turbine,is proposed in this paper.A dynamics model for offshore floating wind turbine with a fore-aft TMD is established based on Lagrange equation; Parameter identification of the wind turbine is performed by the non-linear least squares Levenberg-Marquardt( LM) algorithm; Parameter optimization of the TMD is researched when considering the standard deviation of the tower top longitudinal displacements as the objective function.Aiming at five typical combined wind and wave load cases under normal running state of the wind turbine,the dynamic responses of the wind turbine with / without TMD are simulated and the suppression effect of the TMD is investigated.The results show that:there exists the optimum TMD mass ratio1.8% when the damped free vibration of the wind turbine,and the standard deviation of the tower top longitudinal displacements is decreased 60% in 100 seconds by the optimized TMD.The standard deviation suppression rates of the longitudinal displacements and loads about the tower and blades increase with the increasing TMD mass ratio when the wind turbine vibration under the combined wind and wave load cases,and when the mass ratio changes from 0.5% to 2%,the maximum suppression rates are from 20% to 50%,which effectively reduce the vibration responses of the wind turbine.The research results of this paper preliminarily verify the feasibilities of using TMD for restraining vibration of the offshore floating wind turbine.     

近海风力发电高塔波浪动力可靠度分析

采用基于广义概率密度演化方程的极值概率密度理论,该文研究了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力可靠度问题。波场由基于拟层流风波生成机制的随机Fourier海浪谱及线性波浪理论模拟,确定性结构动力响应由有限元模型分析给出。结果表明:采用极值概率密度理论可以方便地计算出不同阈值水平下塔顶侧移的动力可靠度,采用经典的Poisson模型计算的动力可靠度随阈值水平的降低而误差增大。     

考虑RNA运行作用的近海风电结构动力响应分析

在风、浪的长期耦合作用下,海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出,还会加剧结构的累积疲劳损伤,危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性,该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性,采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载,对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析,对比其在不同状态下的动态行为模式;通过批处理程序,开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算,探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明:近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征,其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。     

失效风电塔架的设计分析

对一座失效风电塔架进行了静强度、动力学分析以及疲劳强度的设计分析,从而指出该风电塔架的失效是由于焊接结构中可能存在缺陷,同时指出风电塔架在疲劳设计中应考虑疲劳载荷的随机性和结构的缺口性。     

Vibration Performance,Stability and Energy Transfer of Wind Turbine Tower via Pd Controller

In this paper, we studied the vibration performance, energy transfer and stability of the offshore wind turbine tower system under mixed excitations. The method of multiple scales is utilized to calculate the approximate solutions of wind turbine system. The proportional-derivative controller was applied for reducing the oscillations of the controlled system. Adding the controller to single degree of freedom system equation is responsible for energy transfers in offshore wind turbine tower system. The steady state solution of stability at worst resonance cases is studied and examined. The offshore wind turbine system behavior was studied numerically at its different parameters values. Furthermore, the response and numerical results were obtained and discussed. The stability is also analyzed using technique of phase plane and equations of frequency response. In addition, the numerical results and comparison between analytical and numerical solutions were obtained with MAPLE and MATLAB algorithms.     

台风非平稳性对钢格构浮式基础海上风机动力响应影响研究

该文提出了一种用于海上风机的新型钢格构式浮式基础,研究了台风作用下新型钢格构式浮式基础的动力载荷和动力响应。根据美国可再生能源实验室的5 MW风电机组参数初步设计了一种新型的钢格构式浮式基础;采用Holland台风模型和超强台风“山竹”(1822)的实测数据,基于叶素动量理论、势流理论和Morison方程分析了台风-浪荷载联合作用下的浮式基础动力响应特性。结果表明:该文提出的钢格构式浮式基础的动力载荷和运动响应会受到台风作用的显著影响,强台风及台风过境工况下的响应显著大于稳态强风工况,并呈现出剧烈的非平稳性。浮式基础动力载荷和运动响应与环境风速变化的趋势一致,且当风向不断变化,将引起塔筒底部产生较大的扭矩,海上风机浮式基础产生较大的艏摇运动响应。证明了考虑台风作用对钢格构式浮式风机基础稳定性影响的必要性,为钢格构式浮式基础海上风机在台风作用下的安全评价提供了理论依据和分析方法。     

长周期地面运动和SSI效应对风机动力响应的影响

针对建设在软土地基上的大功率风机结构,需要同时考虑长周期地面运动和土-结构相互作用(SSI)的影响.为了全面研究长周期地面运动和SSI效应对风机塔筒结构动力响应的影响,首先基于某1.25 MW变桨距风机结构建立了包含叶片、机舱、塔筒和基础的结构整体有限元模型,并进行了模态分析.其次在世界地震记录数据库中选择了1条普通波...