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。     

基于多岛遗传算法的漂浮式风力机TMD参数优化

以ITI Barge型漂浮式风力机平台为研究对象,对风力机机舱配置的调谐质量阻尼器(TMD)各参数采用全局多目标优化算法-多岛遗传算法进行优化设计。按最优解重新设置TMD参数,并与漂浮式风力机无控制及传统参数TMD控制的效果进行了对比分析。结果表明:漂浮式风力机塔顶左右位移及平台横摇随TMD质量增加均呈现出先减小后增大的趋势,阻尼变化对其具有一定影响,刚度变化对其影响较小;优化后TMD漂浮式风力机横摇标准差分别是无控制和传统TMD控制的37%和63%,塔顶左右位移标准差也减小,分别是无控制和传统TMD控制的42%和67%。     

漂浮式风力机多频调谐质量阻尼器控制及其参数优化设计

以ITI Barge型漂浮式风力机为研究对象,在机舱和塔架中配置参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),组成多频调谐质量阻尼器(MTMD)系统。基于多岛遗传算法,对MTMD系统进行参数优化,并比较了无控制、无优化MTMD控制及优化MTMD控制下风力机的稳定性。结果表明:MTMD对塔顶纵向位移和平台横摇角有很好的抑制效果;风力机塔顶纵向位移和平台横摇角均随机舱TMD质量和塔架TMD质量的增大而减小,随TMD阻尼的增大而增大;优化MTMD控制后,风力机稳定性进一步提升,其塔顶纵向位移和平台横摇稳定性分别提升了80.4%和83.8%。     

基于扰动观测的漂浮式海上风力机主动滑模结构控制研究

针对漂浮式海上风力机主动结构控制问题,提出一种基于扰动观测的主动滑模控制方法,并应用风力机仿真工具FAST验证所提方法的有效性。在扰动二阶导数有界的前提下,理论证明观测器的稳定性和估计误差的有界性,从而有效估计匹配扰动和非匹配扰动。理论证明一类积分型滑模面的有限时间收敛性和闭环系统稳定性。基于FAST的仿真表明：所提出的主动调谐质量阻尼器（TMD）控制方法与最优被动TMD相比,主动TMD系统的漂浮平台俯仰角度和塔顶位移的均方根值可分别降低11.88%和13.56%,有效提升了风力机承受风浪载荷的能力。     

柱状漂浮式风力机结构振动控制

针对柱状漂浮式风力机的结构振动控制展开研究。首先为进行调谐质量阻尼器(TMD)参数的优化,对风力机模型进行简化,并对简化模型中的未知参数进行估计;随后,基于简化模型分别使用公式法和遗传算法对TMD参数进行优化,并通过比较塔顶前后位移的标准偏差确定最终的优化方法;最后,为评估TMD对风力机振动控制的影响,构建风力机的联合仿真模型,并在3种典型工况下进行仿真分析。仿真结果表明,所设计的TMD可以很好地降低漂浮式风力机的载荷以及位移,有效抑制塔顶振动加速度与系泊缆绳有效张力,同时可有效降低额定风速以上时电功率输出的标准偏差,使电功率输出更加稳定。     

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。     

漂浮式风力机结构动力响应MIGA算法优化设计

以ITI Barge平台漂浮式风力机为研究对象,借鉴传统土木工程领域结构控制经验,提出漂浮式风力机MTMD结构控制方法,基于Kane方法建立漂浮式风力机多体动力学模型,研究并对比了风波流作用下有无MTMD时风力机的结构动力学响应特性,并进一步基于多岛遗传算法对MTMD系统进行优化。结果表明:MTMD控制效果较好;所提出优化算法获得的优化参数具有更加明显的控制效果,塔顶侧向位移与平台横摇运动均得到了明显的抑制。不同环境工况下,MTMD都对漂浮式风力机有着明显的控制效果。其中纵向载荷标准差抑制率为78%~83%,横向载荷标准差抑制率为14%~18%。     

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。     

摩擦阻尼器对海上风力机塔架抗震性能研究

为分析摩擦阻尼器对近海单桩风力机结构抗震性能的影响,以单桩式NREL 5MW海上风力机为研究对象,基于有限元理论,建立三维多物理场模型,对多组实测地震下摩擦阻尼器在近海风力机结构抗震中的应用效果展开研究。结果表明：摩擦阻尼器对风力机塔顶振动具有显著控制效果,伪谱加速度最大时可使塔顶位移降低54.79%,但进入滑移状态后其无法复位的特性会导致风力机塔顶位移平均值无法恢复到震前状态;摩擦阻尼器可有效缓解因地震激励造成的塔壁应力集聚现象,Mises应力最大值降低17.96%;摩擦阻尼器对强伪谱加速度（PSA）地震导致的风力机塔顶位移及海床处弯矩控制效果更佳,而对弱PSA地震导致的结构响应控制效果则较为一般。     

基于TMD的风力机塔筒振动控制研究

针对风力机塔筒在风振效应下振动过大的问题,该文基于调谐质量阻尼器(TMD)开展对风力机塔筒的减振控制研究。以某大型2 MW风力机塔筒为研究对象,基于ANSYS建立柔性的风力机塔筒有限元模型,并基于Kaimal谱和模态脉动曳力功率谱模拟得到脉动风速时程和风载时程曲线。为取得较好的TMD减振控制效果,根据Den Hartog法得到TMD的最优频率比和阻尼比。为分析TMD对塔筒结构强度的影响及其TMD的振动控制效果,对风力机塔筒进行静力学和风载作用下的动力响应仿真分析。研究结果表明:TMD对塔筒的静强度影响较小,相比于将TMD放置于塔筒内部,将TMD放置于塔顶机舱内能更有效地减小塔筒在风振效应下的位移峰值、标准偏差以及瞬态应力峰值,其抑制率分别达到63.51%、63.38%和59.74%。     

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。     

随机风浪作用下漂浮式风力机MTMD振动控制研究

基于多体动力学理论,通过二次开发,基于FAST-SC建立漂浮式风力机-多重调谐质量阻尼器（MTMD）耦合振动控制模型FAST-SC-MTMD。以驳船式海上风力机为研究对象,基于线性调频优化方法完成布置于机舱和平台位置的TMD参数设计。以漂浮式风力机结构运动响应控制率为评价指标,研究在随机荷载激励下将TMD和MTMD应用于在驳船式风力机的减振效果。研究发现,采用机舱和平台同时布置MTMD的减振控制策略,可有效降低驳船式风力机塔基荷载和运动响应。     

海上风力机变桨控制策略仿真研究

基于开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台,将干扰自适应控制(DAC)应用于海上风力机变桨控制,并与FAST基础控制进行对比,分析不同控制对海上风力机漂浮稳定性的影响,并提出一种改进的DAC,研究其对海上风力机漂浮式平台及风轮转速的影响。结果表明:与FAST基础控制相比,在DAC下海上风力机风轮转速更稳定,但其漂浮稳定性差;DAC对海上风力机漂浮稳定性的影响主要集中于纵荡和纵摇方向;与DAC和FAST基础控制相比,改进的DAC更适用于海上风力机变桨控制。     

基于粘滞阻尼器的单桩式海上风力机结构振动控制

为探究湍流风与地震联合作用下单桩式海上风力机的结构动力学响应与振动控制,以单桩式NREL 5 MW海上风力机为研究对象,采用有限元法建立三维壳模型并基于二次开发将体等效线性模型集成于ABAQUS中,通过附加粘滞阻尼器对地震诱导风力机振动进行控制。结果表明:粘滞阻尼器能够大幅降低地震导致的风力机塔顶振动,但对湍流风引起的塔顶振动控制效果并不明显;粘滞阻尼器也能缓解因地震造成的支撑结构上Von-Mises应力集中现象且在粘滞阻尼器安装位置效果最好;粘滞阻尼器能够显著降低风力机桩基部分所受剪力最大值,而对弯矩的控制效果则在风力机支撑结构部分效果最明显。     

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效果先增强后减弱。当相对速度指数大于等于0.7时,对塔顶位移控制效果随阻尼系数增加而增强;粘滞阻尼器可减小其连接点上方塔壁米塞斯应力集聚区域的面积;在相对速度指数取1.0,阻尼系数取5.25×10~7 N·s/m时,粘滞阻尼器对米塞斯应力最大值控制效果最好。在相对速度指数为0.7,阻尼系数为3.75×10~7 N·s/m时,粘滞阻尼器对米塞斯应力均方差控制效果最好。     

基于土基-结构耦合作用的风力机塔架地震时频特性分析

为研究不同土质时地震载荷对大型风力机结构动力学响应的影响,基于Wolf方法建立风力机基础平台与土体的耦合模型,通过FAST软件仿真Wind PACT 1.5 MW风力机在不同土质和不同地震强度时塔架的动力学响应。通过分析不同工况下风力机的结构动力学响应,发现地震载荷对塔顶位移和塔基弯矩的影响不可忽略,尤其是塔顶侧向位移和塔基俯仰力矩。在九级设防烈度地震作用下,相比无地震工况,软土、硬黏土和岩土地质风力机塔顶侧向位移分别增大925%、785%和771%。且由于软土阻尼最小,能量耗散小,所以地震后塔架响应降低的速率最慢。     

大型风力机地震动力学响应及稳定性控制研究

为保障极端复杂环境下风力机塔架的结构安全,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于开源软件FAST预留数据接口开发地震载荷计算模块,研究气动阻尼和地震对风力机结构响应的影响,并在机舱和基础平台安装调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对塔架的振动进行控制。结果表明:塔顶响应主要受地震载荷影响,气动载荷对其影响较小,且气动阻尼在一定程度上可以抑制塔架的动力响应,风-震耦合效应不可忽略;地震诱导塔架振动,安装TMD可有效减缓塔架振动和降低塔架弯矩,保证风力机的结构安全和运行稳定。TMD与结构质量比u=0.01,阻尼系数ξ=0.1时,减振控制效果最佳。     

极限海况下Spar平台漂浮式风电场平台动态响应研究

平台稳定性是漂浮式风力机安全运行的基础。以漂浮式风力机Spar平台为研究对象,借鉴"铁索连舟"增强船舶稳定性的思想,建立了共用系泊系统基于Spar平台漂浮式风电场。运用水动力学软件AQWA,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,研究了极限海况下风、浪及流载荷联合作用下多平台的动态响应特性。结果表明:频域分析中,Spar平台在纵荡方向上的幅值响应算子随频率增加逐渐减小,最后趋向于零;在垂荡和纵摇方向上,幅值响应算子随频率增加先增加后减小,最后趋向于零,且峰值频率在低频区域。时域分析中,较之于单平台,漂浮式风电场平台在纵荡、横荡方向上的位移均得到了一定程度的减小,横摇及艏摇运动响应亦得到了抑制。增大系泊链接点半径的方法对于抑制漂浮式风电场平台艏摇响应效果明显。     

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%。