新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。     

考虑到台风海况浮式风力机半潜式平台风浪流载荷动态响应及系泊性能分析

为研究浮式风力机半潜式平台的动态响应及系泊性能,建立了基于半潜式平台的NREL5 MW浮式风力机模型.结合有限元方法,并利用辐射和衍射理论,在考虑风、浪、流载荷的联合作用下,运用Aqwa软件对极端海况下半潜式平台的动态响应及系泊性能进行数值仿真,得到了幅值响应算子(RAO)、附加质量、辐射阻尼随波浪频率的变化趋势以及极端海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应.结果表明:半潜式平台在高频区域(大于1.6rad/s)具有良好的运动性能,动态响应小;垂荡方向动态响应不受波浪方向变化的影响,且波浪方向为0°时,纵荡和纵摇动态响应最为剧烈;台风海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均大于无台风海况;随着海况恶劣程度加深,半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均明显增大.     

风波耦合作用下悬链线系泊参数对不同漂浮式风力机平台动态响应的影响

通过Fortran语言编程进行AQWA二次开发,实现漂浮式风力机气动-水动-系泊耦合动力学模型算法求解。考虑风波耦合作用,研究了悬链线系泊系统不同参数对3种漂浮式风力机平台运动响应及漂浮式风力机系统各参数的影响。结果表明:系统参数对漂浮式风力机Spar平台纵荡位移最大值、垂荡位移最大值影响较大,而对纵摇角度最大值和机舱加速度最大值均影响较小,且导缆孔不同位置的张力最大值变化不同,故合适的导缆孔位置能够有效增强平台稳定性;系泊系统采用较大直径的悬链线可提高漂浮式风力机Barge平台稳定性;系泊长度、导缆孔位置及系泊直径对漂浮式风力机Semi平台纵荡位移最大值、系泊张力最大值影响较大,而对垂荡位移最大值、纵摇角度最大值及机舱加速度最大值均影响较小。     

浮式风机半潜式平台动力响应研究

浮式风机已成为开发海上风能的新趋势。文章基于OC4-DeepCwind半潜式平台,设计了一种具有倾斜立柱的新型半潜式平台,并根据势流理论对上述两种平台的水动力性能进行了频域与时域的对比分析及可靠性验证。同时研究了缆索数量、缆索连接点高度与锚固点位置对平台运动响应的影响,提出了一种优化系泊系统的新平台。研究结果表明:新平台的质量与排水体积大大降低;新平台纵荡、垂荡与纵摇RAO峰值明显减小,垂荡固有周期增加,能有效防止共振现象发生;新平台的垂荡与纵摇明显降低,纵荡的改变较小;与原有系泊系统相比,优化后系泊系统的纵荡运动响应与缆索张力明显下降。     

浮式风力机多平台阵列的动态响应

为研究浮式风力机多平台阵列的动态响应特性,建立了基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,根据辐射/绕射理论方法分别研究并比较了单平台、1×5线性排布和3×3方阵排布的多平台动态响应特性.结果表明:浮式风力机Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的响应均集中在低频波浪阶段;1×5线性排布的多平台纵荡位移响应均低于单平台,共用系泊系统有效抑制了平台的纵荡位移响应,但是对垂荡位移、纵摇偏转角响应影响不大;3×3方阵排布位于两侧的平台存在较大的横荡位移响应,但纵荡位移响应均小于单平台,位于中间位置的平台纵荡位移响应大于单平台,但横荡位移响应几乎可以忽略不计;3×3方阵排布中心位置和顶点处的平台垂荡位移、纵摇偏转角响应小于单平台,其余平台垂荡位移、纵摇偏转角响应没有受到明显抑制.     

组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台影响的研究

研究新型组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊张力特性的影响。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的水动力载荷及平台与系泊系统的耦合。首先验证水动力学模型的可靠性,然后分析组合弹性系泊对动态响应及系泊张力的影响。结果表明:组合弹性系泊会使平台纵荡增大25.5%,但系泊张力、垂荡和纵摇却会分别减小14.0%、20%和18.1%;弹性索位置对动态响应及系泊张力影响不大;随弹性索长度的增加,平台纵荡响应增加34.0%,平台垂荡和系泊张力分别减小25.0%和7.3%。     

新型螺旋扰流片漂浮式风力机半潜平台动态响应研究

为改善半潜式平台漂浮式风力机动态响应,提出将扰流片螺旋布置于半潜式平台浮筒下部的结构设计方法,将附加螺旋扰流片的半潜平台漂浮式风力机与原平台进行对比,并研究扰流片布置螺距对平台性能的影响。结果表明：频域分析中扰流片能够显著降低平台所受横摇波浪激励力矩,对平台垂荡、横摇、纵摇辐射阻尼及附加质量均有一定提升,平台频域幅值响应算子(RAO)峰值明显降低;安装扰流片后,平台固有周期增加,抗共振性能更好;时域分析中,在垂荡、纵摇方向上扰流片布置螺距对平台运动响应影响较小,对横摇运动响应抑制明显,其中0.29D(D为半潜式平台浮筒半径)扰流片平台性能较佳。     

垂荡板对浮式风力机Spar平台的动态响应的影响

为探究垂荡板对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响,利用风压模型模拟风力机风轮的气动载荷,基于势流理论的三维辐射/绕射方法计算波浪载荷,忽略海流沿水深的速度变化且认为海上结构的作用力只由拖曳力组成,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,应用数值计算方法对附有不同数目和不同厚度垂荡板的漂浮式风力机Spar平台进行动态响应分析,得出结构运动的幅频特性。结果表明:随着垂荡板数目的增多,Spar平台的动态响应就越小,附加质量就越大,但其动态响应并未按着线性关系减小,虽有降低平台动态的效果但不明显;随着板厚的增加,整体结构的附加质量也随之增大,纵荡RAO和纵摇RAO减小;垂荡运动响应随着板厚度的增加而减弱,然而在板厚度增加到0.4 m时,整体结构的纵荡和纵摇响应反而会增加。     

风波联合作用下10 MW漂浮式风力机Triple Spar平台动态响应研究

以DTU 10 MW风力机为研究对象,基于Triple Spar平台建立漂浮式风力机整机模型,运用水动力学软件AQWA,通过辐射/绕射理论并结合有限元方法,实现风波联合作用下漂浮式风力机动态响应的求解,并分析其时频响应特性。结果表明:频域分析中,平台纵荡、垂荡和纵摇一阶波浪激振力及其峰值频率和RAO幅频特性曲线趋势及其峰值频率基本不受波浪入射角度改变影响;时域分析中,波浪载荷主要影响平台纵荡、垂荡及纵摇波频处的运动响应,风载荷则加剧了平台低频处的运动响应,引起了平台纵荡-垂荡耦合运动、纵荡-纵摇耦合运动以及和差频运动。     

新型垂荡板对漂浮式风力机半潜式平台垂荡运动的抑制效果研究

设计出一种能有效抑制垂荡运动的新型装配有垂荡板的漂浮式风力机半潜式平台,分析其在风、浪、流载荷联合作用下的动态响应,并与3浮体3立柱结构半潜式平台进行比较。结果表明:在频域分析中,垂荡板对垂荡方向运动响应的抑制效果最好,纵摇方向次之,对横荡方向运动响应无明显抑制效果;在横荡、纵摇和垂荡方向上原平台与垂荡板平台的辐射阻尼均较接近,但与原平台相比,垂荡板平台的附加质量较大。在时域分析中,与原平台相比,垂荡板平台在横荡、纵摇和垂荡方向的运动响应均较小,其中垂荡方向运动响应抑制效果最好,纵摇方向次之,横荡方向抑制效果最差。     

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。     

Platform stabilization and load reduction of floating offshore wind turbines with tension‐leg platform using dynamic vibration absorbers

Floating offshore wind turbines (FOWT) are subject to significant increases in structural loads due to the platform motion under turbulent wind and wave. The under‐actuation challenge in FOWT control demands for development of extra actuators for platform stabilization. For FOWT with tension‐leg platform (TLP), this paper presents a comprehensive study on design and control simulation for realizing active mooring line control via the deployment of vertically operated dynamic vibration absorbers (DVAs) at the spokes of TLP structure. The DVA is designed based on the suppression of the primary modes of platform pitch and roll motion. In addition to the enhancement of FAST‐based simulation module, an 11 degrees‐of‐freedom (DOFs) control‐oriented model is derived for the TLP‐FOWT‐DVA system. Based on the control‐oriented model, a linear quadratic regulator (LQR) controller is designed. Simulations are performed for 9 m/s and 18 m/s turbulent winds with different wind and wave directions. The wind turbine performance, platform motions, and structural fatigue loads are evaluated. The results show that the platform motion and tower loads in the lateral direction are significantly reduced, while the tower load in the fore‐aft direction can be moderately reduced. Also, significant reduction in the mooring line tension loads is observed. For achieving the performance in platform motion stabilization and load reduction, the average power consumption of the DVA actuators is less than 0.27% of the wind turbine power generated during the simulated periods. The figures of merits promise significant potential for the feasibility of DVA based control for TLP‐FOWT.     

Load response of a two-rotor floating wind turbine undergoing blade-pitch system faults

Multi-rotor floating wind turbines are among the innovative technologies proposed in the last decade in the effort to reduce the cost of wind energy. These systems are able to offer advantages in terms of smaller blades deployed offshore, cheaper operations, fewer installations, and sharing of the floating platform. As the blade-pitch actuation system is prone to failures, the assessment of the associated load scenarios is commonly required. Load assessment of blade-pitch fault scenarios has only been performed for single-rotor solutions. In this work, we address the effect of blade-pitch system faults and emergency shutdown on the dynamics and loads of a two-rotor floating wind turbine. The concept considered employs two NREL 5-MW baseline wind turbines and the OO-Star semi-submersible platform. The blade-pitch faults investigated are blade blockage and runaway, that is, the seizure at a given pitch angle and the uncontrolled actuation of one of the blades, respectively. Blade-pitch faults lead to a significant increase in the structural loads of the system, especially for runaway fault conditions. Emergency shutdown significantly excites the platform pitch motion, the tower-bottom bending moment, and tower torsional loads, while suppressing the faulty blade flapwise bending moment after a short peak. Shutdown delay between rotors increases significantly the maxima of the torsional loads acting on the tower. Comparison of blade loads with data from single-rotor spar-type study show great similarity, highlighting that the faulty blade loads are not affected by (1) the type of platform used and (2) the multi-rotor deployment.     

风波耦合作用下风载荷对两种漂浮式风力机平台动态响应影响

为分析风载荷对漂浮式平台的重要影响,建立了基于单桩式及张力腿平台的漂浮式风力机整机模型,基于叶素-动量理论与辐射/绕射理论,运用水动力软件AQWA并结合有限元方法验证了风载荷及风波耦合的重要性,研究了波浪单独及风波耦合作用下漂浮式平台的时频域动态响应。结果表明：风载荷使平台产生了较大纵荡与垂荡漂移,其产生的倾覆力矩改变了纵摇平衡位置,风载荷使纵荡响应偏离平衡位置较垂荡与纵摇响应明显;对于纵荡响应,风载荷使两平台低频固有频率处的响应峰值增加;对于垂荡响应,风载荷使单桩式平台固有频率处的响应峰值减小,使张力腿平台纵荡-垂荡耦合响应及波浪频率处的响应峰值大幅增加;对于纵摇响应,风载荷使单桩式平台及张力腿平台低频固有频率处的响应峰值大幅增加;风载荷是引起单桩式平台纵荡-垂荡耦合运动的关键因素;波浪载荷是引起张力腿平台纵荡响应幅值较大的关键因素。     

考虑黏性效应的半潜浮式风力机动力特性研究

对半潜浮式风力机动力特性进行研究，推导考虑黏性阻尼的动力学方程及传递函数。对黏性效应的影响及其计算方法进行探讨，对比附加阻尼矩阵法、Morison单元法的优缺点，并提出考虑黏性阻尼效应水动力计算的混合法，在此基础上对半潜浮式风力机气动-水动-锚泊全耦合动力响应进行分析。结果表明：黏性效应主要影响共振周期附近的响应值，在数值分析时不可忽略；附加阻尼矩阵法在考虑水平面内运动黏性阻尼时有所不足，且无法考虑黏性效应对共振周期的影响，Morison单元法在考虑垂荡、转动黏性阻尼时有所不足，混合法是考虑黏性阻尼水动力计算的更有效方法；该半潜浮式风力机垂荡和纵摇响应主要受波浪控制，而水平面内运动受风、浪、流联合作用的影响；浮式风力机运动和加速度的最危险工况可发生在发电工况时，最大锚链张力发生在极端环境条件时。     

多工况下漂浮式风力机张力腿平台时域响应及系泊强度分析

为研究漂浮式风力机张力腿平台在风、浪、海流载荷联合作用下的时域响应及系泊受力特征,建立漂浮式风力机及张力腿平台模型,采用有限元方法,对比分析无风、额定、最大及极限工况下张力腿平台运动响应及系泊受力。4种工况作用下,极限停机工况时漂浮式平台运动响应最大,最大作业工况其次,额定作业工况再次,无风作业工况最小;但在最大工况时系泊作用力最大。结果表明:运动响应主要集中在纵荡,垂荡和纵摇方向;作业工况越恶劣,漂浮式平台运动响应越大;系泊张力在最大作业工况时最大,但小于系泊断裂极限。