基于多岛遗传算法的漂浮式风力机稳定性多重调谐质量阻尼器优化控制

将多重调谐质量阻尼器（MTMD）引入漂浮式风力机控制领域以提高漂浮式风力机的稳定性。以NREL 5MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,提出在漂浮式风力机机舱和塔架中配置2个参数不同的调谐质量阻尼器（TMD）,并基于多岛遗传算法,算出MTMD系统最优参数。通过对3种典型工况下、有无配置MTMD的漂浮式风力机进行模拟计算,研究了最优MTMD的控制效果。结果表明：多岛遗传算法能够有效优化MTMD参数;MTMD控制优于单一TMD控制;经参数优化后,MTMD对漂浮式风力机振动的控制效果更好,塔顶纵向位移和平台横摇角标准差抑制率分别提升了80.4%和83.8%;MTMD对漂浮式风力机不同部位的控制效果不同,控制效果最好的为塔顶纵向位移、塔根横向弯矩及平台横摇角;不同环境工况下,MTMD对漂浮式风力机都有着明显的控制效果,其中纵向载荷和位移的标准差抑制率分别为10.3%~12.1%和76.1%~78.3%,横向载荷和位移的标准差抑制率分别为75%~77.7%和8.9%~10.8%。     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

混合质量阻尼器在海上漂浮式风力机振动响应抑制中的应用

针对海上漂浮式风力机在风浪激励下产生较大振动响应的问题,采用混合质量阻尼器(Hybrid mass damper, HMD)主动控制系统抑制风力机的结构振动。基于拉格朗日能量方程建立Spar式风力机的气动-水动-结构-调谐质量阻尼器(Tunedmass damper, TMD)-HMD耦合动力学模型,并采用遗传算法优化TMD的刚度和阻尼系数;在机舱TMD上施加主动控制力,设计了变增益状态反馈H∞控制器,将控制器的求解问题转化为线性矩阵不等式的优化问题,从而得到最优主动控制力;研究了不同工况下HMD主动控制系统对风力机的减振效果。结果表明,相对于TMD被动控制系统,HMD主动控制系统能够进一步降低风力机的平台纵摇(Platform pitch, PFPI)运动和塔顶纵向(Tower top fore-aft, TTFA)挠度。     

风浪异向下超大型漂浮式风力机动态响应研究

以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立OO-Star半潜式平台漂浮式风力机模型,基于叶素动量理论和辐射/绕射理论分别求解风载荷与波浪载荷,模拟不同环境载荷方向下漂浮式风力机动态响应,对比分析不同环境载荷入射角度对其响应特性的影响.结果表明:湍流风入射角度对漂浮式风力机纵荡、纵摇及艏摇运动响应影响较大,而波浪入射角度...     

系泊失效后漂浮式风力机平台动态响应研究

深海漂浮式风力机平台稳定性是保证系统安全运行的基础,其系泊在风、浪及海流等动态载荷周期性作用下引发蠕变后会加速腐蚀,从而导致系泊失效。为了研究系泊失效后风力机所受载荷对平台动态响应的影响,参考Barge平台的NREL 5 MW风力机建立了漂浮式风力机整机模型,通过对AQWA的二次开发实现了与FAST间的实时数据交换,开展了漂浮式风力机的风波耦合数值仿真。结论表明：系泊失效后漂浮式风力机平台响应增大、风力机的结构安全性降低。其中,迎风侧系泊失效对平台影响最为明显,尤其是横荡和艏摇方向受到的影响更大,失效后的最大响应幅值分别为失效前的6.3倍和9.7倍。     

普通海况下驳船式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

漂浮式风力机的稳定是其正常工作的基础.在深海环境中,载荷复杂且不稳定,受其影响漂浮式风力机将产生复杂的激励运动.建立基于ITI Energy Barge平台的NREL5 MW漂浮式风力机整机模型,提出Barge平台漂浮式风电场.通过高级程序语言编程求解气动载荷,运用水动力学软件AQWA,采用辐射/绕射理论并结合有限元方...     

海上超大型风力机结构动力学响应及稳定性研究

为研究不同运行方式对湍流风及地震作用下海上风力机动力学响应及稳定性影响,以DTU 10 MW海上单桩式风力机为研究对象,采用p-y曲线描述桩基与海底土壤之间的相互作用,基于有限元软件Ansys建立风力机有限元模型,并对其进行结构模态、动力学及屈曲分析.结果 表明:塔架模态振型以扭转和弯曲振动为主,其一阶固有频率介于理想...     

基于VMD方法的海上风力机结构TMD抗震

为研究大型单桩式海上风力机结构的TMD振动控制效果,采用实测地震发生时土壤位移时域响应作为地震激励,通过文克尔模型及p-y曲线法构筑的非线性土-构耦合模型模拟土壤中地震释放的能量传递给风力机的过程,以NREL 5 MW大型单桩式海上风力机为研究对象,建立有限元模型,研究TMD对支撑结构在突发地震时的作用及瞬态动力学响应,并采用VMD方法对时域结果进行分析,从不同频带分析TMD对海上风力机的控制效果。结果表明,突发性地震导致塔顶发生大幅剧烈震颤,机舱加速度激增。地震发生时,TMD与风力机塔顶的位移响应形成明显相位差是其实现对风力机在地震发生时被动控制的主要机理,TMD对塔顶位移及机舱加速度响应的高频带分量控制效果更好,保证塔顶诸多重要部件的稳定运行。     

海上风力机基础防护装置在船舶碰撞下的动态响应研究

海上风力机与船舶碰撞机率随着海上风场的发展而逐渐增加。为此,基于非线性动力学理论,采用Ls-Dyna模拟5 000 t级船舶在不同碰撞速度下与4 MW海上风力机单立柱三桩基础碰撞过程,研究橡胶-泡沫铝-钢结构的新型防护装置对碰撞过程中海上风力机结构动力响应的影响,对比分析有、无防护装置下海上风力机与船舶碰撞时系统能量转换、最大碰撞力及碰撞处的应力分布。结果表明:防护装置对塔顶风力机的动力响应抑制效果明显;塔顶正负向最大位移、速度和加速度较之无防护装置时分别减少了56. 4%、27. 2%和44. 2%;较之无防护装置,塔架下端结构变形能大幅降低,塔架撞深减少;防护装置可起到避免碰撞力集中施加于塔架,一定程度上减弱集中应力的作用。     

基于有限元法的风力机塔架结构动态分析

将有限元技术与模态分析理论相结合,在有限元软件的基础上研制了一套用于风力机塔架结构的动态分析程序系统。讨论了模型建立、载荷施加、边界条件和模态参数的计算,并给出了应用实例及结果分析。     

基于弯扭耦合的大型风力机复合材料叶片结构特性研究

为研究不同类型弯扭耦合叶片结构特性,以NREL 5 MW风力机叶片为研究对象,结合复合材料铺层设计建立不同弯扭耦合叶片有限元模型,通过CFD方法求解叶片气动载荷并对各叶片开展结构模态、强度及屈曲计算,分析不同耦合区域及耦合角度对叶片结构特性影响.结果 表明:弯扭耦合叶片各阶固有频率大多低于传统叶片,其中蒙皮耦合叶片变化最小而全耦合叶片影响最大;弯扭耦合叶片可降低内部von Mises应力及应变峰值,提高叶片疲劳寿命,其中蒙皮耦合叶片降幅最大而主梁耦合叶片降幅最小,尤以蒙皮耦合叶片θ=20°减载效果最佳;弯扭耦合叶片切应力大多高于传统叶片,仅蒙皮耦合叶片θ=20°最大切应力低于传统叶片;叶片的弯扭耦合特性对其稳定性产生一定影响,其中主梁耦合叶片临界屈曲载荷降幅较大而其他弯扭耦合叶片有小幅上升,且一阶屈曲变形量均低于传统叶片.     

大型风力机复合材料叶片结构动力特性分析

建立大型风力机叶片的三维有限元模型,在考虑旋转惯性力等外力因素下,分析和对比不同工况下叶片的振动频率,同时对叶片复合材料铺层角度和模态频率大小之间的关系进行研究。结果表明,叶片模态频率受应力刚化影响较大,通过改变叶片单向层的纤维铺层角可对旋转叶片的模态频率进行调整。     

不同工况下风电机组主轴轴承动态特性研究

为获得风电机组主轴轴承在不同工况下的动态特性,以某汽轮厂1.5 MW风电机组为例,对主轴进行抽象简化,根据叶素理论推导出主轴轴承所承受的轴向载荷和径向载荷。利用UG软件建立主轴轴承模型,导入Adams中建立主轴轴承多刚体动力学模型,对三种不同工况下主轴轴承滚子与内圈、外圈、保持架的之间的相互作用进行分析。结果表明:在风机紧急刹车阶段,主轴轴承滚子与内圈、外圈、保持架的之间的相互作用力最大,转速突变阶段次之,启动至平稳阶段最小。     

基于TMD控制的风力机结构抗震研究

湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制,以NREL 5 MW风力机为研究对象,通过Wolf方法建立土-构耦合模型,基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块,通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明:地震载荷极大加剧了塔架侧向振动,激振频率为塔架一阶侧向固有频率;TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小,其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%,标准差减小了67%,塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低,高达90%;塔顶侧向加速度变化幅度降低4%,标准差缩小了61%,塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明,TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制,提高风力机运行稳定性。