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%。     

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%。     

风浪激励下的海上风力机振动控制

该文建立考虑桩-土耦合作用的单桩式海上风力机整机多体动力学模型,结合水动力和空气动力,借助Matlab/Simulink搭建风力机的联合仿真模型。对安装于机舱内的单调谐质量阻尼器（STMD）和多重调谐质量阻尼器（MTMD）系统进行设计,并在运行工况和泊机工况下进行仿真分析。研究表明,相比于正常运行工况,泊机工况下的调谐质量阻尼器（TMD）振动抑制性能更优,对塔基前后弯矩标准偏差有着最优的控制效果,且MTMD系统中TMD的数量与系统振动抑制性能存在非线性关系。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

漂浮式风力机Spar平台摇荡运动混沌特征分析

漂浮式风力机Spar平台在非规则环境载荷作用下运动具有很强的随机性和非线性。为分析平台动态响应中的非线性动力学特征,首先建立基于OC3Spar平台的NREL 5 MW风力机整机模型,采用水动力软件AQWA求解Spar平台的运动特性,进一步采用功率谱法、相空间重构以及最大Lyapunov指数法定性、定量两方面判断Spar平台在波、浪、流载荷作用下摇荡运动时间序列的混沌特征。研究表明:Spar平台在低频时运动幅值较大;平台在多重载荷作用下在平衡位置处摇荡运动;平台在纵荡、垂荡及纵摇方向上的运动时间序列具有混沌特征,且3个方向短期可预测时间最大为6.14 s。混沌理论可作为漂浮式风力机平台非线性运动分析的一种新方法。     

Individual blade pitch control of floating offshore wind turbines

Floating wind turbines offer a feasible solution for going further offshore into deeper waters. However, using a floating platform introduces additional motions that must be taken into account in the design stage. Therefore, the control system becomes an important component in controlling these motions. Several controllers have been developed specifically for floating wind turbines. Some controllers were designed to avoid structural resonance, while others were used to regulate rotor speed and platform pitching. The development of a periodic state space controller that utilizes individual blade pitching to improve power output and reduce platform motions in above rated wind speed region is presented. Individual blade pitching creates asymmetric aerodynamic loads in addition to the symmetric loads created by collective blade pitching to increase the platform restoring moments. Simulation results using a high‐fidelity non‐linear turbine model show that the individual blade pitch controller reduces power fluctuations, platform rolling rate and platform pitching rate by 44%, 39% and 43%, respectively, relative to a baseline controller (gain scheduled proportional–integral blade pitch controller) developed specifically for floating wind turbine systems. Turbine fatigue loads were also reduced; tower side–side fatigue loads were reduced by 39%. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于不同结构的漂浮式风力机Spar平台静动力学性能研究

为研究不同结构漂浮式风力机平台的静动力学响应,基于UG参数化建模的二次开发,建立了OC3-Hywind-Spar平台三维实体模型,采用有限元方法对所建模型进行模态分析,对比各模型固有频率、最大位移量以及最大应力分布情况,并进一步分析其谐响应规律。研究表明:平台的固有频率远离平台服役时所受载荷的对应频率,不会发生共振;平台附加环向筋与纵骨可以有效地降低平台在其各阶振型中的位移量与应力;附加环向筋与纵骨的平台可更好地避免共振发生,其发生较大共振的频率约0.8 Hz,响应值远小于其它结构平台,表明了附加环向筋与纵骨对平台安全性与稳定性有较大提升。     

Effect of platform disturbance on the performance of offshore wind turbine under pitch control

The aerodynamic performance of offshore floating wind turbines (OFWTs) is more complicated than onshore wind turbines due to 6‐degree of freedom (DOF) motion of the floating platform. In the current study, the aerodynamic analysis of a horizontal‐axis floating offshore wind turbine is performed with the aim of studying the effects of floating platform movement on the aerodynamic characteristics of the turbine in the presence of a pitch angle control system. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) 5‐MW offshore wind turbine is selected as the baseline wind turbine. For this sake, the unsteady blade element momentum method with dynamic stall and dynamic inflow models have been employed to obtain the unsteady aerodynamic loads. The baseline pitch angle control system is assumed to be coupled with the aerodynamic model to maintain the rated condition of the wind turbine and also to approach a closer model of wind turbine. In case of pitching motion input, the reduction of mean power coefficient for tip speed ratios (TSRs) less that 7 is expected by an amount of 16% to 20% at pitch amplitude of 2° and frequency of 0.1 Hz. For high TSRs, the trend is reverse with respect to fixed‐platform case. The mean thrust coefficient is reduced for almost all range of TSRs with maximum loss of 37%. Moreover, the mean control pitch angle that is an index of control system effort is increased. The results also represent the importance of considering the pitch control system for aerodynamic analysis of disturbed OFWT.