10 MW张力腿平台风电机组极端条件下响应特性分析

使用FAST构建10 MW漂浮式风电机组的完全耦合非线性模型,针对极端情况,通过耦合求解器FAST对张力腿平台(TLP)式风电机组的叶片、塔架和平台等关键部件进行研究。结果表明:在最大运行工况下,TLP式风电机组风轮叶片承受更大的载荷,但在极端停机工况下,塔架承受更大的弯矩和剪切力;TLP在极端停机工况下的响应更剧烈。风轮叶片的结构校核应基于运行工况,而其他部件的结构校核要考虑极端停机工况。     

海上风电机组荷载分析及控制研究

分析了海上风电机组的荷载来源,为某漂浮式风电机组设计了控制策略,并重点仿真验证了驱动链加阻、塔筒加阻和独自变桨控制算法在海上风电机组的控制效果,最后提出了漂浮式风电机组的动态停泊模式。     

漂浮式海上风电综合解决方案能力的建设

结合我国海域资源条件与漂浮式海上风电的特点,分析了漂浮式海上风电所涉及的资源分析、风电机组开发、基础设计、施工安装、运行维护、电力输送、成本分析和体系认证等领域的核心需求与技术难点,提出集合整机厂、设计院、施工单位、认证机构等各方面的资源建设漂浮式海上风电的综合解决方案,为漂浮式海上风电在我国的推广提供支撑。     

基于动力学模型和多种群遗传算法的漂浮式风电机组调谐质量阻尼器参数优化

针对5 MW ITI Barge型漂浮式风电机组，该文利用动力学模型和多种群遗传算法配合寻求机舱中调谐质量阻尼器（TMD）各参数最优解。首先，基于拉格朗日方程建立含TMD的风电机组动力学模型，采用列文伯格-马夸尔特（LM）算法对模型中未知参数辨识；其次，以塔架纵向位移标准差为目标函数，采用多种群遗传算法和动力学模型配合对TMD各参数寻优。最后，按照最优解重新设计TMD参数，分别在5种典型风浪组合载荷工况下，利用FAST全耦合模型验证TMD的减载效果。结果显示：优化参数后的TMD能够有效降低Barge型漂浮式风电机组的关键部位的疲劳载荷。对比无TMD控制时，塔架纵向位移标准差降低约6%～48%；塔根纵向弯矩标准差降低约10%～45%；叶根纵向弯矩标准差降低约11%～33%。     

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%。     

基于状态空间的漂浮式风电机组控制策略研究

在保证漂浮式风电机组正常发电、可靠运行的前提下,以降低机组的载荷和浮动基础的运动幅度为设计目标,研究基于状态空间理论的多输入多输出控制算法。结合线性二次型调节器(LQR)最优算法的设计,寻找风电机组发电性能和浮动平台载荷两者之间的平衡,实现最优设计。通过扰动跟踪控制(DTC)与扰动适应控制(DAC)的方法实现转矩与变桨控制设计,并采用FAST软件进行仿真。与传统比例积分微分(PID)控制策略对比,有效降低塔底及漂浮式基础载荷;状态空间控制更能反映机组内部的耦合,可为后续漂浮式控制算法升级应用提供设计平台。     

漂浮式海上风电场TLP锚固基础应用研究综述

通过对全球已有的张力腿式(TLP)平台进行调研,详细分析了TLP锚泊系统的应用现状,总结了常见的TLP锚固基础形式的特点及发展趋势;并在此基础上探讨了适用于我国漂浮式海上风电场的TLP锚固基础形式,为我国漂浮式海上风电场深水平台的研究和工程设计提供了一定的参考和依据。     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

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.     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

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。     

3种典型海上浮动式风力机动力学特性比较分析

综合考虑海上浮动式风力机所受气动、水动载荷及控制系统的影响,建立3种典型浮动式风力机的气动-水动-控制-结构完全耦合动力学模型。以NREL 5 MW机组为基础,运用FAST程序与Aero Dyn、Hydro Dyn子程序,计算分析3种浮动式风力机在不同工况下的响应,并与相同型号的陆基定桩式风力机组在相应工况下的响应进行分析比较。研究结果表明:气动载荷和水动载荷的耦合作用对浮动式风力机动力学响应影响显著,且不同浮动风力机的响应也有明显差距;浮动风力机所受最大载荷相对陆上风力机有所增加,其中Barge和Spar-Buoy两种浮动风力机最大塔根弯矩增幅达到1.4倍以上;Barge平台和TLP平台作为海上风力机组的浮动平台具有较好的稳定性。     

海上风电机组延伸腿上移式张力腿基础的运动性能研究

采用AQWA水动力计算软件进行数学模型计算,研究海上风电机组延伸腿上移式张力腿(TLP)基础在目标海况下的运动响应。结果表明,延伸腿上移式TLP基础具有更好的固有周期,在目标海况风浪流联合作用时,其运动性能良好,运动响应满足设计要求。     

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。     

海上风电发展及其技术研究概述

全球海上风电装机容量不断增多,固定式海上风电机组的技术不断成熟,漂浮式海上风电机组技术也在不断发展中,尤其是第一座漂浮式风电场的并网运行,标志着海上风电在深远海域发展步伐的加快。本文对国内外海上风电的行业背景、国家政策、发展历程和趋势,以及技术研究等方面进行了概述。     

张力腿漂浮式风电机组疲劳载荷智能控制研究

以张力腿式(tension leg platform,TLP)UpWind/NREL 5 MW风电机组为研究对象,采用FAST/AeroDyn开源代码,结合自主开发的基于柔性尾缘襟翼(deformable trailing edge flap,DTEF)的载荷智能控制系统,搭建气动-水动-伺服-弹性仿真平台,选取国际电工协会(IEC)标准正常湍流模型(NTM)和正常海况模型(NSS)工况,开展张力腿漂浮式风电机组载荷控制研究。通过与整体变桨控制比较发现,在DTEF控制下,叶片、传动链和塔架的疲劳载荷得到了有效控制,载荷降低20%～35%,增加了系统的可靠性和经济性。在额定风速以上,DTEF的辅助变桨作用可缓解变桨系统的磨损,并同时降低发电机转速、扭矩和功率的波动,提高了机组的性能。为探索控制有效性的原因,开展详细的基于DTEF的相关机理分析。     

海上漂浮式风机关键技术研究进展

  [目的]  海上漂浮式风机由于不受水深限制且便于运输安装等诸多优点,近年来在欧美日等发达国家得以快速发展。文章针对海上漂浮式风机关键技术和工程案例进行综述分析,以向国内相关研究和工程项目提供技术参考。  [方法]  首先介绍了海上漂浮式风机发展背景及基本类型,再进一步,分别介绍其稳性校核技术、系泊与动态海缆技术、水动力特性、气动力特性、一体化计算、模型试验研究、建造与安装技术、工程挑战与案例,最后对浮式风电市场与拓展运用做了相关总结。  [结果]  通过对海上漂浮式风机各关键技术进行梳理分析,理清了其技术研究现状与未来发展方向。  [结论]  文章综述了海上漂浮式风机各关键技术现状及相关工程运用案例,现阶段海上漂浮式风机依然面临不少技术挑战和行业发展困境,解决之道需从相关政策激励,技术攻关以及产业链的培育等,以多途径的方式降低浮式风电的工程造价成本,促进浮式风电产业进一步发展壮大。     

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。     

6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究

海上风电场建设由近海走向深远海,漂浮式风电机组将会是这一区域最适合的选择。选用华锐6 MW机组,结合东海某海域环境条件和IEC规范,利用气动-水动耦合时域分析方法,对不同基础型式下的风电机组载荷特性进行研究。计算结果表明:漂浮式风电机组叶片、轮毂极限载荷与海上固定式风电机组相比没有明显增加,塔筒底部极限载荷增加幅度可达30%;在正常发电工况和极端空转工况叶片和轮毂极限载荷主要受风载荷控制,而塔筒底部和顶部极限载荷在不同工况受风载荷和波浪载荷影响效果则有不同。