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。     

基于惯容的浮筏隔振系统人工自愈技术研究

传统浮筏隔振系统为双层“质量-弹簧-阻尼”机械系统。基于机电相似理论,质量与一端接地电容对应,而惯容是与电容完全对应的双端机械元件。将惯容引入浮筏隔振系统,使浮筏动力学模型中双层质量间可产生可变惯性耦合,从而极大影响系统固有频率与隔振性能。浮筏的退化或异动会改变系统固有频率和力传递率。惯容惯质系数的增加会使浮筏固有频率降低并影响力传递率。将人工自愈的思想引入浮筏隔振系统,根据系统固有频率的监测结果来调节惯容惯质系数,将系统固有频率自主调整恢复至合适固有频率,即为基于惯容的浮筏隔振系统人工自愈技术。为验证该技术原理,搭建浮筏隔振系统实验平台,进行简谐激励扫频试验。试验结果验证基于惯容的浮筏隔振系统人工自愈技术的可行性。     

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。     

基于无源滑模控制的Boost变换器

采用能量成形及阻尼注入的无源性控制方法,完成了Boost变换器的模型,在此基础上加入滑模控制形成双闭环控制.外环电压调节由滑模控制器实现期望的输出电流,内环电流调节由无源控制器实现开关函数的控制.仿真结果表明该控制方案具有良好的动静态性能和抗干扰性.     

一种基于可变传动比的齿轮齿条式半主动惯容性能研究

针对已有齿轮齿条惯容量不可在线调节问题,设计了一种基于可变传动比的齿轮齿条半主动惯容装置。对该装置动力学特性进行了分析,证明了该装置满足惯容特性,具备惯容量调节功能,并分析了设计中材料密度、锥形圆筒上下底面半径的选取问题;此外,基于SolidWorks建立了该装置的运动仿真模型,通过调节线性马达以及旋转马达的参数,分析了齿条和飞轮的运动状态;通过改变电机的位置、锥形圆筒的材料密度与上、下底面半径,探究了这些因素对惯容装置能量存储的影响。仿真及研究结果表明:齿条传动或线性马达对飞轮运动的影响大于电动凹槽对飞轮运动的影响,且该装置的传动比可以通过电机进行在线调节;锥形圆筒材料密度以及上、下底面半径对惯容装置的能量存储有较大影响,电机的位置调节对其的影响则相对较小。     

基于惯容的车辆悬挂系统动态分析与参数优化

为了提升车辆悬挂系统的动力学性能,在传统弹簧-阻尼悬挂模式基础上添加惯容,建立了惯容-弹簧-阻尼三元件并联的悬挂系统,在多组悬架参数下进行数值仿真,分析在新悬挂方式下悬架参数对悬架垂向振动响应的影响,采用多目标遗传算法进行参数优化,针对车身垂向加速度与悬架动行程,对悬架参数进行2组多目标优化,得出惯容、弹簧和阻尼最优参数匹配。仿真结果证明：在传统弹簧-阻尼悬挂模式基础上添加惯容可以有效改善车辆垂向振动系统的减振性能,减小主频。经过2组优化后,与传统弹簧-阻尼悬挂模式相比,车身垂向加速度均方根值分别减小了63.15%、62.22%;悬架动行程均方根值均减小了25.00%;轮胎动载荷均方根值分别减小了73.23%、72.65%。     

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%。     

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。     

整流式S型风力机的功率控制

S型风力机作为风能利用的重要部分,为了使其更有效的利用风能,需解决其效率低和输出功率不稳定的问题。采用整流式的S型风力机,不仅可以提高其风能利用率,同时还可以控制输出功率以减小风速变化的影响。通过Simulink建立风速模型,将得到的风速输入到风力机中,可以得到风力机在控制机构的作用下输出功率的变化,从仿真结果可以看出该风力机输出功率在额定输出功率附近,并且有很好的稳定性。该风力机在提高风能利用率的同时,对输出功率有较好的控制。     

基于双目摄影测量的风力机叶片振动测量方法

提出了一种带径向畸变和切向畸变的成像模型,利用Levenberg-Marquardt算法进行非线性优化参数标定的双目摄影振动测量方法,并对某型风力机叶片进行了模态频率辨识。两台摄像机同步采集振动图像序列并用自适应动态阈值对图像进行目标分割,以编码点区域灰度梯度跳跃最快的方向作为边缘,进一步用最小二乘法拟合边缘,用灰度平方加权质心法获取动态连续图像序列中编码点的精确亚像素中心坐标。每一个编码点类似于微小的"位移传感器",能够反映叶片时域振动响应。最终,从时域响应数据中获取叶片固有模态频率,与有限元法和激光多普勒测振仪分析结果比对,相对误差都在5%以下,验证了双目摄影测量方法的可靠性和有效性。     

海上浮式风电机半潜式平台二阶水动力计算与响应特性分析

提出了基于二次脉冲响应函数法的海上浮式风电机浮式平台二阶水动力计算方法,该方法基于三维势流理论用直接积分法求浮式平台的二次传递函数,并结合波高时程,将二次脉冲响应函数法应用于浮式平台二阶水动力的计算。把计算所得二阶水动力施加到海上浮式风电机整机时域动力学计算模型,计算二阶水动力的激励响应。以DeepCwind半潜式平台为算例,其上支撑美国可再生能源实验室5MW参考风机。先对所提出的二阶水动力计算方法进行验证,再分别在无风和有风条件下,计算一阶水动力单独激励响应和一阶二阶水动力共同激励响应,通过对比响应幅值谱、响应统计值,分析二阶水动力的激励特性。结果表明,对于半潜式平台,慢漂力和平均漂移力有明显的激励作用,和频二阶水动力的激励作用可以忽略。     

兆瓦级风力发电机组耦合振动仿真分析

风力发电机组在自然条件下运行时,作用在叶片上的空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷等交变载荷将使叶片和塔架产生耦合振动。为了得到其在额定工况下各阶模态振型,判断系统运行的稳定性,以沈阳工业大学SUT-1000风力发电机组为例,对其进行动力学分析。将叶片和塔架进行离散化处理,在叶片上模拟施加气动载荷,应用MSC ADAMS进行仿真分析,得到了系统的各阶模态。分析结果对风力发电机组的总体优化设计提供了理论依据。     

海上风机安装阀控软着陆系统的动力控制

结合海上风机安装特点,以被动式软着陆系统为基础,建立了海上风机安装阀控软着陆系统的数学模型;按照吸收给定能量时峰值载荷最小的准则设计了模糊PD控制器。仿真结果表明,相对被动式海上风机安装软着陆系统,阀控软着陆系统能有效抑制海上风机的着陆时的加速度峰值,使得风机在恶劣海况下也可安全平稳地安装。     

海上风力发电机组基础研究

对目前存在的海上风力发电机组基础的形式及其优缺点进行比较分析。     

海上桩式风电机组基础强度设计研究

考虑到海上风电机组与陆地风电机组所处环境的差异,结合波、流、海生物附着等环境载荷对基础的影响,提出一种快速评估海上风电机组基础结构强度的方法。在多体动力学理论的基础上,基于有限元法对叶片进行离散化并建立整机模型,计算上部机组载荷;使用莫里森方程计算波、流载荷;根据计算载荷,基于SACS软件,参考美国石油协会API规范,直观、快速地对基础结构进行强度分析与优化。以某导管架式海上风电机组基础为例,对上述过程进行了演示。     

风力机结构耦合振动分析

采用通用动态尾流理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/Simulink进行编程,建立了风力机传动链的数学模型。在MATLAB/Simulink中进行传动链系统的编程运算,建立了风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,并利用MATLAB/Simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真。仿真时将气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时考虑风力机的结构变形对气动性能、传动性能产生的影响。仿真最终实现了风力机系统振动性能耦合分析,其数据同实验测试数据比较表明,该联合仿真方法可以较好地模拟风力机的振动特性。     

风力发电机组偏航控制研究

为了提高风机的风能利用率,偏航控制技术已成为一项重要研究工作。本文简要介绍了风力发电机组偏航控制系统的分类、功能及结构,在此基础上,对当前主流风机偏航控制技术进行了简要汇总,并总结了各自的优缺点,最后在H-C功率控制算法的基础上提出了一种新型偏航控制算法——改进型V-HC算法,通过风向标与功率追踪算法相结合,使风机效率最大化,并且改善了H-C算法下风机的盲动性,使风机的风能利用率得到提高。     

下塔筒竖直运输在海上风电机组安装的应用

介绍了海上风电机组安装组拼时下塔筒的安装工艺,分析了水平运输和竖直运输两种安装工艺的特点,得出了竖直运输工艺具有更高的安全性、经济性及施工效率的结论,最后对竖直运输工艺的可行性、技术要求与安装要点进行了详细描述。     

磁悬浮风力发电机用锥形被动磁轴承分析与设计

为从根本上解决传统风机轴承的机械摩擦问题以有效提高风能利用率,提出了主、被动相结合的风力发电机全磁悬浮支承方案,在对小型水平轴磁悬浮风机轴承系统受力特性分析的基础上,将锥形被动磁轴承作为轴向轴承,利用有限元法分析了其力学特性,并在空间限定的情况下以刚度最大为优化目标对永磁体的尺寸、环数等进行了优化设计,最后给出了锥形被动磁轴承的实例设计结果。