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。     

基于FAST的近海单桩风机地震响应分析

为研究近海单桩风机塔架地震动力响应特性,以FAST v7软件为基础自编程开发地震分析模块,形成风机地震动力学耦合仿真平台S-FAST,并采用ABAQUS和Seismic软件验证其有效性。基于扩充的S-FAST平台,计算NREL 5 MW近海单桩风机塔架在湍流风、非规则波浪和地震作用下的动力响应。结果表明：地震是塔顶振动的控制荷载,风浪荷载可有效抑制塔顶振动;塔基面内弯矩主要由地震荷载引起,风浪荷载主要影响塔基面外弯矩;风浪荷载引起的塔基面外弯矩占风、波浪和地震耦合作用工况的69%;风浪荷载和地震荷载之间存在非线性耦合关系,结构设计时应采用全耦合的方法进行结构响应计算。     

Seismic Centrifuge Modelling of Offshore Wind Turbine with Tripod Foundation

The development of offshore wind energy is fast as it is clean, safe and of high efficiency. The harsh marine environment raises high demand on the foundation design of offshore wind turbine. Earthquake loading is one of the most significant factors which should be considered in the design phase. In this paper, a group of earthquake centrifuge tests were conducted on a physical wind turbine model with tripod foundation. The seismic responses of both wind turbine model and foundation soil were analyzed in terms of the recorded accelerations, pore water pressures, lateral displacements and settlements. The results were also compared with those measured in the previous research on mono-pile foundation. It is demonstrated that the tripod foundation can provide better resistance in the lateral displacement and structural settlement under earthquake loading.     

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。     

海冰载荷作用下海上风力机TMD减振研究

为保证桩柱式海上风力机塔架结构稳定和系统运行安全,提出安装于机舱内的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),以减弱海冰与湍流风联合作用环境下的风力机振动。基于多体动力学开源仿真软件(FAST),通过计算并分析NREL 5 MW海上风力机风-冰联合作用下塔顶振动特性,发现TMD控制对前后向的塔顶位移及塔基剪切力影响较小,但可以有效降低侧向的塔顶位移及塔基剪切力,降低幅度分别达39%与52%。同时,塔架一阶固有频率处的响应降低64%与90%,说明TMD装置能有效减弱风力机振动,保护风力机安全。     

湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应

以NREL 5 MW近海风力机为研究对象,基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风,同时采用Matlock模型计算动态冰力,模拟风力机所受冰激振动,研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明:冰激振动极大地加剧塔顶各向振动;频域上,冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率,且相应峰值与冰厚呈正相关关系;受冰激振动作用,塔架各向剪切力明显增加,且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。     

某近海风电场风机基础选型设计

目的  自2022年起,海上风电的国家补贴将全面退出。海上风电机组基础是风电机组的支撑结构,对海上风电场的安全运行起着至关重要的作用。在平价上网、“30·60”双碳目标和国家“十四五”能源规划等政策的指导下,合理地选择、设计海上风电机组基础,是海上风电场降本增效的有效手段。 方法  文章以某近海风电场风机基础选型设计为例,综合国内海上风电场的建设经验,进行基础型式比选;首先选择单桩基础、导管架基础和高桩承台基础3种基础型式进行初选,然后结合该近海风电场的海洋水文和地质条件,分析不同风机基础型式的适用水深及优缺点,从结构安全性、施工可行性、工期及工程经济性等方面进行了综合比选。 结果  研究表明：风机基础型式的选择与水深、土层地质条件、风电机组固有频率、施工安装设备能力、施工工期、工程造价等几个因素有关。单桩基础结构型式优良、施工可行、工期最短、经济性最优,优势明显。 结论  推荐该近海风电场风机基础采用单桩基础方案。     

大型近海风力机塔架地震动力学响应分析

地震激励严重威胁风力机正常稳定运行,以丹麦科技大学(DTU)与Vestas公司联合研发的DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑海床土壤柔性,基于有限元及p-y曲线法,研究风力机塔架在3种实测地震激励作用下的瞬态动力学响应。结果表明:强震级、长时间的地震激励对塔架造成严重破坏;地震发生时塔顶位移最大、应变能集中于塔基;塔顶振动方向、形变位置、剪切应力及应变能集中区域因地震加速度的方向大小而改变。     

海上风机基础混凝土疲劳的计算方法

叙述了挪威船级社的DNV规范和德国劳埃德船级社的GL规范中的海上风机基础混凝土疲劳的计算方法,指出,该方法可供海上风电场基础设计人员参考。     

海上风力机锥体结构抗振分析

为降低海冰与海上风力机撞击作用下的结构非线性动力响应,提出锥体结构防振模型并将其安置于风力机与海平面交界处。通过开发海冰载荷计算模块并与风力机多体动力学气动-水动-伺服-弹性仿真软件FAST结合,建立风-冰-结构多物理场耦合下的海上风力机动力学仿真模型。基于Croasdale与Karna方法计算海冰与结构碰撞,对比5组不同锥角下的结构动力学响应,研究锥体结构对海冰碰撞的减振降载效果。结果表明:未安装锥体结构时,海冰载荷、塔顶位移与塔顶加速度的幅值较大,且频率易与风力机发生共振;安装锥体结构后,随着锥角由70°减至40°,动态响应减弱,幅值分别减小79%、71. 8%与30. 8%,且频率均远离风力机固有频率,避免发生共振;塔基剪切力的最大值与标准差也因安装锥体而减小,其中最大值减小26. 9%,标准差减小67. 8%,降低风力机所受的疲劳载荷。     

冰区海上风机基础设计中的冰荷载研究初探

冰荷载参与组合的工况往往成为冰区海上风机基础设计的控制工况。通过对冰荷载计算方法、冰激振动研究、冰振疲劳分析和抗冰结构设计的相关介绍,明确了海上风机基础设计中开展冰荷载研究的必要性,为海冰作用对基础设计的影响评估提供了理论依据和技术路线指导。     

不同水深海上风力机塔架地震动力响应研究

开发了风力机地震仿真平台SAF(Seismic Analysis Framework),以DTU 10 MW海上风力机为研究对象,建立其地震激励下的动力仿真模型,分析4种水深(20～50 m)时20组不同强度地震、额定风速湍流风与波浪流联合作用下风力机塔架动力响应。研究表明:地震作用对横向塔顶位移及横向平面内的塔基弯矩影响较大,来流方向塔顶位移及来流平面内的塔基弯矩主要受湍流风影响;在存在地震激励时,塔架不同高度处位移、剪切力及弯矩响应均大于湍流风与波浪流作用时;地震强度较弱时,不同水深处风力机塔顶位移与弯矩差距较小,但塔基弯矩随着水深的增大而增大;地震强度较大时,水深对风力机塔顶位移与塔基弯矩影响很大,相同地震强度的响应深水大于浅水。     

桩土相互作用模拟方法对海上风机整体结构模态分析的影响

鉴于海上风机整体结构自身的频率较低使基础设计往往受其整体频率的控制,以江苏省海上某风电场工程为例,选取m法、p-y曲线法及DP模型实体有限元方法3种桩土相互作用模拟方法,分析了不同方法对海上风机整体结构模态分析产生的影响。结果表明,3种方法计算的频率相差较小,结果可靠。     

粘滞阻尼器参数对海上风力机风致振动控制影响研究

为研究粘滞阻尼器参数对风力机振动控制效果的影响,以NREL 5 MW海上风力机为研究对象,基于有限元方法建立风力机模型,针对湍流风诱导下风力机振动,对比分析不同参数粘滞阻尼器作用下塔顶位移及塔壁应力分布.结果 表明:粘滞阻尼器可有效控制风载荷导致的风力机塔顶振动,在相对速度指数小于0.7时,随阻尼系数增大对塔顶位移控制...     

海冰载荷作用下风力机抗冰锥体减载研究

提出了锥体抗冰结构来降低海冰对风力机结构的影响。以NREL 5 MW近海三叶片水平轴风力机为研究对象,基于Ralston算法建立冰载荷模型,采用开源多体动力学软件FAST计算塔架结构动力学响应,研究了不同锥角抗冰结构下塔顶位移和塔架载荷特性。结果表明:锥体结构能有效地缓解由海冰造成的危害,塔架剪切力、海冰载荷及塔顶位移随锥角的降低而减小,锥角由70°降至40°,海冰载荷降低55%~98%;安装锥体前后,塔架剪切力减小28.7%~58.9%,塔顶位移最多减小46%。     

海上风力发电机塔架与基础的连接

叙述了海上风机塔架与基础连接的2种方式及规范推荐的做法——灌浆连接的设计计算、施工方法及监测手段。提出了采用连接方式的建议。     

基于混沌理论的海上风力机锥体结构抗冰研究

为分析在风载-冰载联合作用下海上风力机塔架动力响应非线性特性,以多体动力学仿真开源软件FAST为平台,建立冰-构耦合模型,通过自编程序开发风力机海冰碰撞模块,计算NREL 5 MW风力机在安装不同锥体角度的锥体结构及未安装锥体时受海冰激励作用下的塔顶振动特性,并基于混沌理论,采用相图法及最大Lyapunov指数法从定性与定量两个角度研究了塔顶振动信号的非线性特征。结果表明:未安装锥体及70°锥体结构时,塔顶振动具有明显的混沌特征,最大Lyapunov指数大于零,表现出非周期性的非平稳特征;随着锥体角度的降低,混沌特性减弱并消失,当锥角为40°与50°时,最大Lyapunov指数小于零,混沌特性消失,该结果与塔顶位移时域分析结果相吻合,表明锥体结构能有效减弱塔顶振动,增加风力机稳定性。     

10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

目的  世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。方法  拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。结果  结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。结论  所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震响应影响

为研究伺服系统对10 MW单桩式近海风力机地震动力特性的影响,以DTU 10 MW风力机为原型,建立考虑伺服系统的单桩式近海风力机模型,通过p-y曲线法构建分布式弹簧土-构耦合模型,并基于中国实测地震数据和风力机实际运行环境构建湍流风-波浪-地震伺服系统多物理场计算平台,研究其在不同状态下的动力特性。结果表明：无地震载荷作用时,当平均风速大于额定风速,风力机变桨伺服系统有效缓解了塔顶振动,并减弱了气动载荷对塔基弯矩的影响;地震载荷使风力机塔顶位移明显增加,平均增加71.66%,变桨伺服系统对塔顶位移的作用效果被削弱,使发电机转速发生更剧烈波动;地震及波浪载荷对塔基弯矩的影响很大,风浪震作用较仅湍流风载荷作用下风力机塔基弯矩最大值平均增加131.24%,不能忽略波浪载荷对塔基弯矩的影响。     

海上风力机多层材料防护装置在船舶碰撞下动力响应分析

为研究橡胶-泡沫铝-钢结构新型防护装置不同厚度组合对碰撞过程中海上风力机结构动力响应的影响,基于非线性动力学理论,采用LS-DYNA软件模拟5 000 t级船舶与4 MW海上风力机单立柱三桩基础碰撞过程,对比分析泡沫铝和橡胶分别组成4种厚度防护装置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:防护装置橡胶与泡沫铝厚度变化,橡胶对防护装置整体性能提高具有明显作用,同时抑制塔顶风力机动力响应效果显著。提出应力衰减率作为评估防护装置性能优劣指标,随着橡胶厚度与泡沫铝厚度改变,单立柱三桩基础所受最大碰撞力分别减少6.3%、12.7%,最大应力衰减率7.03%、4.8%,橡胶用于防护装置中整体性能优越,而泡沫铝可作为辅助材料迅速提高防护性能。