基于有限元方法的风电机组塔筒及法兰优化设计

采用有限元软件ANSYS以某型76m高风电机组塔筒为基础,运用形状优化和尺寸优化,优化设计出该风电机组66m塔筒,同时对优化后的方案进行了校核,保证新设计塔筒满足强度、振动要求;采用ANSYS Workbench中的多目标优化工具Design Explorer/VT结合结构优化理论,对新设计66m风电机组塔筒中部连接法兰进行了优化,根据实际要求建立优化分析模型,以满足强度要求且使用材料最少为优化目标,通过计算得到了满足设计目标的最优方案,相比原始方案,优化后的法兰内表面和过渡圆角的应力分布更加均匀,并且总质量比起原始方案减少了780kg,优化效果显著。     

海上风电塔筒防腐系统的选择与运用

通过电化学原理、热力学理论,将海上风电塔筒所处腐蚀环境进行细化分析,针对各个环境状态下的腐蚀机理,采取不同的腐蚀防护措施。在海洋大气区,采用涂料防腐;在浪花飞溅区和海水潮差区,采取包覆防腐;在海水全浸区,采用阴极保护方式进行防腐。同时,依据NORSOKM501和ISO20340为涂装系统设定了性能要求。     

风电机组塔筒固有频率的计算

风电机组塔筒与叶轮发生共振将严重影响风电机组的安全性。以四川A风场2 MW风电机组为对象,结合瑞利法、工程算法和规范估算公式等对风电机组塔筒进行了固有频率的解析计算,并且利用ANSYS有限元分析软件对风电机组塔筒的三维有限元数值仿真模型进行模态分析,计算出塔筒的理论频率。对比分析了所提出算法的塔筒频率计算结果。分析表明：风电机组正常运转情况下,塔筒不会和风轮发生共振;其中一部分公式精确度较好,可以为塔筒的动态设计提供理论依据,具有一定的实用价值。     

考虑叶片旋转与土构耦合作用的海上风电机组塔筒动态特性研究

基于有限元软件Ansys对NREL 5 MW单桩式海上风电机组塔筒系统进行三维实体建模,分析了叶片旋转状态和桩基土构耦合作用对塔筒振动特性的影响。结果表明：考虑叶片旋转产生的离心力和离心刚度时,土构耦合作用会显著降低塔筒前两阶模态频率,其相对变化量分别为-31.68%和-31.74%,同时会增大塔筒瞬态位移响应,塔筒顶部在前后方向和侧向上的最大位移比底部固定约束时分别增大86.94%和46.59%;在叶片旋转与土构耦合共同作用下,塔筒等效应力显著增大,最大等效应力增大了57.38%,塔筒的一阶及二阶模态频率会在转速9.5 r/min附近与叶片1P转频产生共振点,而在额定转速以内不会与叶片3P转频产生共振。     

风电机组塔筒在线监测技术的应用研究

以塔筒形态在线监测系统的研究为切入点,将倾斜传感器和加速度传感器的数据代入塔体变形的参数方程式,通过方程求解、现场工程实践等方法较准确地得到塔体的变形数据。该系统可以广泛应用于风电机组塔体等高塔的倾斜及变形测量,实现在线安全监控。     

考虑时变气动阻尼的风电机组塔筒地震响应分析

为了分析时变气动阻尼对风电机组塔筒地震响应的影响,首先分析了塔筒所承受的地震载荷和气动载荷,然后基于气动载荷和相对风速之间的导数关系推导了塔筒前后和左右方向上的时变气动阻尼计算方法,将地震加速度和时变气动阻尼引入到塔筒动力学运动方程中并进行时域求解,以某2.0MW风电机组塔筒为例进行地震响应计算,分析了影响气动阻尼大小的翼型气动特性,并着重研究了地震作用下时变气动阻尼对塔顶振动位移的影响程度,为风电机组塔筒抗震设计提供一定参考。     

海上大型风电机组传动链研究

在风力发电系统的研究和开发中,由于受气象环境、地理条件的限制,无法对风力发电系统进行以全生命周期作为评价的实验测试,尤其是动力传输系统。传动链在风电机组的传动系统中起到传递叶轮扭矩的作用。本文介绍了风电机组用于海上风电情况下,对于传动链设计的可能布局和轴承配置形式。同时,对于海上风电的应用环境,传动链设计应着重于提高机组的可靠性,采用冗余设计,并允许采用高叶尖速带来的可能益处。     

风电机组装配式超高钢混塔筒刚度鲁棒性分析

装配式超高钢混塔筒在设计阶段往往过度关注局部构件的承载能力及安全裕度,忽视了装配式结构存在的整体性、刚度及抗震性能差等问题。为找到对整体结构刚度影响大的接触面并加固处理,在局部构件满足承载力要求的前提下须对整体结构刚度鲁棒性进行分析。文章选取分段式和分片式两种不同技术路线的140 m高钢混塔筒结构形式进行分析。首先,对这两种钢混塔筒结构进行模态分析,获取初始前6阶自振频率;其次,计算结构单一接触面分别部分失效情况下的自振频率,获得接触面的重要性排序;最后,计算接触面按重要性逐一失效情况下结构最终的鲁棒值。结果表明:分片式钢混塔筒结构刚度鲁棒性优于分段式钢混塔筒;在混凝土段高度1/6,1/2及5/6附近(从底到顶)要避免设置接触面或设置加强连接措施。     

海上风电筒型基础建造期风险分析研究

以中国某海上风电场筒型基础为研究对象,识别其建造期的风险源,并建立风险指标体系,然后基于改进的模糊故障树方法量化筒型基础建造期的整体风险发生概率,并与单桩基础结果进行对比。研究结果表明：筒型基础及单桩基础结构建造期的风险发生概率分别为3.21×10^-3、9.47×10^-3。依据DNV规范规定的失效频率等级可知,海上风电筒型基础及单桩基础结构建造期的风险等级均为高风险,但单桩基础的风险概率明显高于筒型基础,高约66.10%,筒型基础建造期的风险更低,工程实用性强。     

桁架式支撑结构海上风电机组研究

本文基于国际能源署(IEA)课题30"海上风电机组动态学仿真软件和模型的比较"项目第一阶段桁架式支撑结构的海上风电机组仿真结果,针对海上风电模型复杂的特点,给出桁架式支撑结构细节,研究用BladedV3.80建立桁架式支撑结构的海上风电机组模型。与其他软件建立的模型比较质量和模态,验证海上风电机组的模型。     

基于数据驱动的风电机组状态评估方法研究

为了延长风电机组平稳运行时长和减少故障停机次数,文章基于有监督主成分分析(SPCA)的Hotelling-T~2和Q统计量控制图,提出了一种风电机组状态监测与评估方法。首先,根据风电机组SCADA历史数据提取正常状态数据。然后,训练集成学习模型拟合主要状态变量,采用贝叶斯优化算法优化其中的超参数。最后,在移动时间窗内利用SPCA方法将监测数据分解到主成分空间与残差空间,计算真实数据与参考状态数据的Hotelling-T~2和Q统计量,并同时求取两种统计量的斯皮尔曼系数,通过划定阈值对机组进行状态评估。将该方法用于某风电场1.5 MW级风电机组,结果表明,该方法能够有效地对机组当前状态进行监测并识别出功率输出故障。     

海上风机过渡段塔筒精确安装与精准调平工艺探讨

在海上风电场风机基础施工过程中,过渡段塔筒安装及调平是重点和难点。在海上复杂、恶劣的施工条件下,要实现过渡段塔筒的精确安装与精准调平具有相当大的难度,目前国内海上风机过渡段塔筒的安装技术还未成熟。文章以上海东海风电场5 MW大容量样机为例,通过研究过渡段塔筒加工制作过程、安装工序、调平工艺以及施工过程中预防变形所采取的措施等,结合工程实际,解决了在海上进行风机过渡段塔筒精确安装与精准调平的问题。     

大型海上风电机组变桨距PID控制策略研究

文章针对大型海上风机的叶片具有较大惯性的问题,分析了传统变桨距PI控制器的不足,从而设计出带有超前环节的变桨距PID控制器,其能改善因惯性较大而导致的不良控制效果,并通过典型工况的仿真计算及性能分析,表明PID控制器的整体性能优于PI控制器,不仅具有稳定风轮转速、减轻风机振动的优点,还降低了风机的极限载荷水平,从而在保证安全性的基础上降低了机组成本。     

低风速型风电机组高柔塔筒涡激振动疲劳损伤评估

为实现低风速型风电机组高柔塔筒抗疲劳设计,以某140 m柔塔机组为研究对象,采用欧盟标准EN 1991-1-4推荐的有效相关长度法和频谱模型法,开展涡激振动疲劳损伤评估。基于有限元法建模获取结构固有模态属性;由疲劳应力-寿命（S-N）曲线、风速瑞利分布和Miner法则推导塔筒疲劳应力范围和损伤规则;对比分析柔塔与刚塔两类机型临界风速分布和焊缝疲劳损伤分布。结果表明：柔塔更易激发二阶涡激振动,二阶涡激载荷显著增大,其损伤对不同风场条件（年平均风速、风切变）极为敏感;在6.5 m/s设计风速下,45%～85%塔筒高度处疲劳损伤均超过IEC 61400-6塔架与基础设计要求20年损伤限值0.1,存在疲劳破坏风险,须考虑加阻措施或优化结构设计。     

海上风电机组发展趋势分析

本文追述了海上风电机组的发展历程,分析了世界各主要风电机组生产厂家正在研制的海上风电机组的技术路线,提出了海上风电机组今后发展的主要趋势。     

全钢型负压筒式海上风电机组基础结构的监测参数预报

针对东海海域首个配备监测系统的全钢型负压筒式海上风电机组进行数值模拟研究。首先对海洋环境载荷进行分析,分别建立全钢型负压筒基础模型和主体钢结构模型,采用叠加法计算风电机组的倾角变形;并对不同工况下负压筒和结构的监测量进行数值模拟,最终分析所有测点监测参数的变化范围,从而确定实时监测报警系统参数阈值,并进行报警分析,可为海上风电机组的运维安全提供参考。     

海上风电厚壁筒型基础刃脚优化试验及下沉阻力研究

通过在筒裙端部加装刃脚进行减阻,并通过试验寻找最优的刃脚体型,同时利用任意拉格朗日欧拉方法（ALE）进行筒型基础下沉全过程数值模拟。结果表明：在厚壁筒型基础端部加装刃脚可有效减小端阻力,在砂土中下沉时,最优的刃脚体型为60°夹角,通过试验对比,证明理论公式计算端部压力的可行性;ALE数值方法可模拟试验模型下沉过程,误差在20%以内。最后,利用ALE数值模拟,分析刃脚端面和斜面应力分布,并且研究土质参数对刃脚结构下沉阻力的影响。     

基于风电机组状态的超短期海上风电功率预测

提出一种基于风电机组状态的超短期海上风电功率预测模型。首先,综合考虑海上环境因素以及风电机组部件间的相互作用建立指标的预测模型,以长短期记忆神经网络的预测误差作为监测指标的动态劣化度;然后采用模糊综合评价法对风电机组的运行状态进行评估,依据评估结果对风电机组历史运行数据进行划分;最后根据分类后历史运行数据建立基于机组状态的超短期风电功率预测模型。结合国内某海上风电场实例数据进行分析,算例结果表明所提方法可有效提高风电功率预测精度。     

基于深度强化学习的海上风电机组状态维护与备件库存联合优化

维护与备件库存管理是海上风电运维的两个密不可分的关键环节。为提高海上风电机组设计寿命周期内的运维经济性,构建状态维护与备件库存联合优化策略。首先,将海上风电机组构建为由叶片、齿轮箱、电气、偏航、轮毂、制动、传动链、发电机8个子系统组成的系统,然后将各子系统的劣化过程构建为多状态马尔可夫随机过程,建立维护与备件库存的交互模型,其中包括被动维护时间与随机故障以及备件库存的关系、备件库存对维护活动的影响等。随后,设计子系统的劣化状态与备件库存状态、状态检修动作与备件订购的表征方法,并以此形成深度强化学习Dueling DQN的框架,通过对深度网络的迭代训练,求解海上风电机组的最优维护与备件订购决策序列。最后,以某海上风电场内的风电机组为例,验证所提联合优化方法的优越性,并讨论强化学习的探索率、风电场的可达率对运维成本的影响。