风浪异向下漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究风浪异向下海上漂浮式风电场平台运动响应,建立基于ITI Energy Barge平台的漂浮式风力机及共用系泊的二阶阵列漂浮式风电场模型,运用水动力学软件AQWA与风力机仿真软件OpenFAST分别对水动与气动载荷进行计算,分析了风浪异向下二阶阵列漂浮式风电场Barge平台时频响应特性。结果表明：频域内,Barge平台响应主要集中在低频区域,波浪方向对纵摇和纵荡响应影响较大,对垂荡响应影响较小;时域内,纵摇和艏摇自由度背风侧平台响应幅值明显大于迎风侧平台;风电场各平台在横荡、横摇上的响应幅度随波浪入射角度的增大而增大,纵荡和垂荡自由度则几乎不受影响。     

2种海上风力机漂浮式风电场平台动态响应对比

为研究不同海上风力机漂浮式风电场平台风浪流联合作用下动态响应，分别建立基于OC3-Hywind Spar与ITI Energy Barge平台漂浮式风力机的2×2阵列漂浮式风电场，结合辐射/绕射理论与有限元方法，使用海洋工程软件AQWA及风力机仿真软件FAST分别进行水动力学与气动载荷计算，分析2种漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明：Spar与Barge平台频域响应均集中在2.00 rad/s以下低频区域，在2种风电场中，Spar风电场各平台在垂荡、纵摇、横摇、艏摇4自由度及机舱振动加速度上稳定性较好；风电场中平台横荡、纵荡及机舱振动加速度大小与其在风电场中所处位置有关。     

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。     

不同入射角风波流海上漂浮式风力机频域与时域动态特性

采用边界元并结合多体动力学方法分析了张力腿平台(TLP)漂浮式风力机结构,研究了平台结构在不同方向上的频域与时域运动响应变化,并比较了漂浮式平台在海洋环境条件下风波流联合作用时和波浪载荷独立作用时的运动响应,得到了平台结构在时域中的动力响应.研究结果表明:漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP的作用力不能忽略;风波流联合作用时的运动响应标准差大于波浪载荷独立作用时的运动响应标准差,且平台偏离平衡位置的程度更加剧烈;平均运动响应及标准差在入射角分别为0°、22.5°和45°时相差微小.研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值.     

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%。     

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。     

调谐质量阻尼器对漂浮式风力机稳定性的影响

以基于ITI Barge平台的NREL 5 MW风力机为研究对象,通过在机舱配置调谐质量阻尼器(TMD),研究在环境载荷作用下TMD对海上漂浮式风力机塔顶位移和平台摇荡特性的稳定性控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔顶前后位移的控制效果不明显,对塔顶侧向位移的控制效果较明显,其最大值降低了66%,稳定性提高了38%;在TMD控制下,漂浮式风力机平台横荡和横摇降幅明显,其最大值分别降低了29%和45%,稳定性分别提高了18%和41%。     

3种典型海上浮动式风力机动力学特性比较分析

综合考虑海上浮动式风力机所受气动、水动载荷及控制系统的影响,建立3种典型浮动式风力机的气动-水动-控制-结构完全耦合动力学模型。以NREL 5 MW机组为基础,运用FAST程序与Aero Dyn、Hydro Dyn子程序,计算分析3种浮动式风力机在不同工况下的响应,并与相同型号的陆基定桩式风力机组在相应工况下的响应进行分析比较。研究结果表明:气动载荷和水动载荷的耦合作用对浮动式风力机动力学响应影响显著,且不同浮动风力机的响应也有明显差距;浮动风力机所受最大载荷相对陆上风力机有所增加,其中Barge和Spar-Buoy两种浮动风力机最大塔根弯矩增幅达到1.4倍以上;Barge平台和TLP平台作为海上风力机组的浮动平台具有较好的稳定性。     

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。     

海冰作用下近海桩柱式风力机动力学响应研究

高纬度低温海域海平面存在大量运动状态的海冰,位于此处的近海桩柱式风力机容易受到不规则的海冰载荷作用,风力机平台、塔架和叶片等结构部件的动力学响应均受其影响.为定性及定量分析海冰载荷对叶片和塔架的结构动力学响应的影响程度,以NREL5 MW近海4桩柱式风力机为研究对象,耦合风载荷、波浪载荷及海冰载荷,通过Kane方法建立风力机动力学模型,其中海冰载荷通过冰力函数定义.对比分析了在IEC Lock in冰力函数、Mttnen海冰模型和无海冰作用三种工况下叶片和塔架的结构动力学响应,结果表明:海冰载荷使塔顶位移增加,在Mttnen海冰模型作用下塔顶位移增加了24.1%,在IEC Lock in模型作用下则增加了16%;两种海冰模型均不同程度地使叶片挥舞振动的频率增大,其中在Mttnen海冰模型中变化更加剧烈,这极大地增加了叶片的疲劳载荷.     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

风波作用下新型铰接式平台动态响应研究

风波作用下,漂浮式风力机平台的浮动特性会直接影响上部风力机正常运行。为提高平台稳定性,设计一种新型铰接式平台。基于辐射/绕射与有限元方法,结合叶素动量理论,对比分析了风波作用下新平台与立柱式(Spar)平台时频响应特性。结果表明：在纵荡、垂荡及纵摇自由度上,新平台幅值响应算子随波浪频率增大变化趋势与Spar平台基本一致,但峰值明显减小;新平台附加质量较原平台增大,且垂荡自由度上附加质量增加最明显;时域分析中,新平台3个自由度响应幅值较原平台分别减小约83.9%,61.9%及75.5%,标准差减小约76.4%,60%及77.1%,表现出良好的稳定性;功率谱分析中,新平台响应峰值始终小于原平台,且无响应集中现象,波频性能更优。     

载荷优化的海上漂浮式风电机组二阶滑模变桨控制

针对强非线性、强耦合的海上漂浮式风电机组动力学系统,提出一种基于二阶滑模的统一变桨控制策略,解决受海浪风速等随机干扰引起浮式支撑平台运动而产生的疲劳结构载荷及功率波动问题。构建漂浮式风电机组的不确定仿射非线性模型,基于风电机组“额定转速”设计积分滑模面,此“额定转速”不再是恒定值,而是取决于平台纵摇速度的变量,基于超螺旋算法实现二阶滑模变桨控制律。采用FAST和Matlab/Simulink联合仿真,所提出的方案与传统PI控制相比,对稳定高风速时风力发电机功率,抑制浮式支撑平台运动及减少叶根载荷具有更好的控制作用,对塔基也有较好的减载作用。     

不同海况及伺服系统作用下10 MW单桩式风力机地震易损性研究

为探究不同海况及伺服系统下单桩式近海风力机的地震易损性,以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立风浪相关的地震-湍流风-波浪多物理场模型,研究其在变速变桨伺服系统下的动力特性,基于增量动力分析方法评估其地震易损性。结果表明：变速变桨伺服系统可有效缓解风力机高风速下无地震作用时的塔顶振动;当风轮在大推力下,较小的波浪载荷一定程度上可降低风力机塔顶振动及塔底弯矩;随地震动强度增加,风力机各临界损伤状态失效概率逐渐增加;风力机地震易损性主要由地震动强度决定,波浪载荷与湍流风载荷对风力机地震易损性影响较小。     

浮式风机水池模型试验与仿真对比分析

为研究浮式风机动力特性以及验证数值仿真的准确性,以中国海装半潜型浮式风机参数为基础,阐述水池模型试验过程和环境工况,重点对试验与数值仿真结果进行对比分析。结果表明,采用推力相似和弗劳德数相似的水池试验方法可以满足验证浮式风机仿真模型的准确性。半潜型浮式风机低频运动响应明显,气动阻尼对共振响应可以起到抑制作用,横荡运动与横摇运动方向上具有较强的耦合现象。塔筒载荷能量主要位于低频段、波频段和风轮1P频率处,其中低频区主要受风载荷控制,波频区主要受波浪控制。     

海上浮式风力机变桨距控制研究

借鉴陆上风力机基于状态空间法的干扰自适应控制,在状态空间中考虑海上浮式风力机支撑平台运动自由度,采用状态观测器评估系统各状态量,研究不同干扰自适应变桨距控制对海上浮式风力机控制性能的影响,并与FAST基础控制对比分析。结果表明:海上浮式风力机变桨距控制设计应基于状态空间法的干扰自适应控制,同时在状态空间中应考虑平台纵荡、纵摇及艏摇自由度。