强非线性波作用下海上风机动力特性模型试验研究

  目的  单桩式基础是目前近海海上风电场应用最广泛的支撑结构。中国海洋环境多为浅水和中等水深,受到非线性波浪影响较为明显。与行进波相比,聚焦波可以在短时间内形成一个作用在桩柱上、比常规波浪力大的冲击力,从而影响海上风机的运行性能和疲劳寿命。文章旨在探究强非线性波浪作用下海上风机单桩基础荷载特性,掌握聚焦波与基础相互作用规律,为工程设计提供参考。  方法  文章采用水池模型试验的方法对NREL 5 MW单桩海上风机开展研究,缩尺比例为1∶80。结合我国东部沿海风电场的海洋环境条件,选取了三种典型聚焦波模型,通过浪高仪器和测力天平分别记录了不同工况下单桩周围波浪爬高和底部受力变化情况。  结果  结果表明:桩基所受的水平波浪力具有很强的瞬态性;单桩基础所受水平波浪力在聚焦波的作用下会突然增大,在波谷会受到反向冲击力。  结论  文章揭示了聚焦波引起的海上风机单桩基础荷载变化规律,证实了非线性波浪对于风机基础动力特性的重要影响,相关成果具有较高的理论和工程应用价值。     

风荷载对全潜式浮式风机拖航运动响应的影响

目的  为了解决浮式风机拖航运输的安全问题,对全潜式浮式基础风机的拖航运动特性展开研究。 方法  针对全潜式浮式风机拖航过程,通过Moses软件建立了“全潜式浮式风机-拖缆绳-拖船”一体化拖航系统数值模型,设置了五组不同的海况对拖航过程进行计算。文章研究风速和风浪方向对全潜式浮式风机拖航运动响应的影响,并根据分析结果,提出有助于全潜式浮式风机拖航安全的建议。 结果  结果表明：相比于横摇运动,全潜式浮式风机的纵摇和垂荡运动受风速影响较为明显,风速越大,运动幅度越大;当风浪方向为90°时,风机的横摇运动受风浪方向影响较大,风浪方向为0°时,风机的纵摇和垂荡运动受风浪方向影响较大。 结论  在保证拖航过程在拖航窗口期的前提下,实际工程中建议对全潜式浮式风机采用逆风拖航的方式,以降低风机振动和共振的风险。同时,应尽量避免风向与拖航方向垂直的情况,两者垂直容易引发较大程度的横摇运动,使拖航过程较为危险。逆风拖航时,在超过平均海况的较大风速30.9 m/s下,全潜式浮式风机的运动响应及拖缆力仍能满足安全拖航的要求。     

海上张力腿浮式风机整体结构动态特性研究

随着大型海上风电场的建设逐步由浅水海域向深水海域发展,传统固定式基础结构已不能满足海上风机工作性能要求,研究漂浮式风机已成为各国开发海上风能的热点工作。文章采用风机正向设计软件SWT对海上张力腿浮式风机整体结构进行了模态分析,得到浮式风机整体结构的动态特性。由分析结果可知,浮式基础的振动对上部塔架有连带作用;浮式基础低阶振型主要表现为横荡、纵荡、首摇、纵摇、横摇和垂荡,高阶振型表现为振荡、摇动和部件振动的复合;浮式风机自振频率和主要海浪谱频率以及风机叶片旋转频率不产生共振。     

在极端载荷作用下TLP型浮式风机基础的总体强度

文章建立了TLP型浮式风机基础的有限元模型,对极端载荷作用下浮式风机基础的总体强度进行了分析;根据相关规范对浮式风机基础强度进行校核显示,该风机基础总体强度满足要求。研究结果表明了TLP型浮式风机基础在立柱与水平悬臂连接处的应力较大,为TLP型风机浮式基础的安全评估提供了相关理论支撑。     

风浪对多浮筒半潜浮式风机关键部位弯矩的影响研究

针对半潜型浮式基础横撑和塔柱底部的弯矩特性,文章采用了气动-水动力-结构弹性耦合的时域分析方法,以DeepCwind浮式风机系统为研究对象,进行了不同风浪组合下的全耦合分析。该方法将各浮筒看作独立浮体,采用多体水动力理论预报浮式基础的波浪载荷,实现横撑与浮筒连接处弯矩的计算。计算结果表明:风载荷和波浪载荷对塔柱底部的弯矩均有明显的影响,而横撑弯矩主要来源于波浪载荷;相对于塔柱底部,横撑更容易发生破坏;将风和波浪单独引起的弯矩时历直接相加,可以较好地模拟风浪联合作用下横撑和塔柱的弯矩特性。研究结果可以为多浮筒半潜浮式风机的疲劳评估提供参考。     

极端海况下半潜式浮式风机运动响应与系泊响应

以OC4-DeepCwind半潜式浮式风机为研究对象,利用ANSYS AQWA软件,通过时域耦合法模拟不同海况,在受到波浪、风、流载荷联合作用下,风机的动力响应和系泊响应,讨论极端海况对风机的影响。结果表明,与正常海况相比,极端海况下风机锚链张力的波动范围明显增大,相对最大值为正常海况下的4.98倍,影响系泊系统的稳定性;极端海况下风机卧链长度的相对最小值为正常海况下的1.75%,仅为4.21 m,与荷载作用方向一致的风机锚链变化较为剧烈,为风机的主承载锚链;极端海况下风机的纵荡、垂荡运动均有所增加,相对最大值分别为正常海况下的15.95倍、1.82倍,纵摇偏转变化到最大4.95°,其余方向变化较小,风机重心发生10.19 m的偏移,影响风机的稳定性,干扰风机的正常运行。     

深海三浮体式风机整体结构模态分析

海上风电逐渐从浅海的桩柱型向深海的漂浮式发展。采用风机正向设计SAMCEF for Wind Turbine软件对安装于水深100 m处的三浮体式风机平台整体结构进行了模态分析。由计算结果分析可知,浮式风机整体结构振型比较复杂,不同构件振型变化较大,平台的振动对上部塔架有连带作用;平台低阶振型主要表现为纵荡、横荡、垂荡,横摇、纵摇和首摇,能够有效避开海洋频区对结构造成的不利影响;高阶振型表现为振荡和摇动的复合。由坎贝尔图可知,浮式风机塔架自振频率和风机叶片旋转频率不会产生共振。     

多浮筒全潜式海上风机整机拖航运动特性试验对比

  目的  基于搭载了DTU 10 MW风机的三四筒型全潜式浮式风机整机海上拖航过程,开展了物理模型试验,对比研究三浮筒型式和四浮筒型式的SFOWT在拖航过程中各自由度运动响应及拖缆力在不同工况下的变化规律。  方法  首先在静水中开展自由衰减试验,随后在规则波和不规则波浪环境中开展拖航过程试验,研究不同的拖缆点高度、波高以及周期对拖航过程的影响。  结果  结果表明:（1）对SFOWT的垂荡、横摇和纵摇自振周期进行分析,发现相同自由度下2种结构SFOWT的自振周期相差在5 s以内,三浮筒式SFOWT与四浮筒式SFOWT相比,三浮筒式SFOWT垂荡加速度更小,纵摇和横摇的自然周期更大;（2）随着波高的增加,SFOWT在各自由度上的响应以及拖缆力都在增大,规则波和不规则波工况下波高的增加对三浮筒型式SFOWT垂荡加速度、横摇角的影响更大,纵摇角以及拖缆力较小;（3）当波浪周期与SFOWT自身的固有周期相差较大时,随着波浪周期的增大,除垂荡加速度外SFOWT各自由度上的响应呈现减小的趋势;（4）当拖缆点高度与水线面齐平时,2种型式SFOWT的拖缆力幅值较其他两种工况最大分别减小11.1%和14.7%。  结论  四浮筒型式SFOWT的拖航运动性能更佳。在实际工程中,应当将拖缆点高度布置在结构自浮时水面线所在的位置,以减小拖航过程中的运动响应。     

南海海况下半潜浮式风机在故障工况下的动力学响应分析

  [目的]  作为新型清洁可再生能源,风力发电的发展备受瞩目。随着风力发电由陆上向海洋发展,海上浮式风电发展迅速。  [方法]  以南海海况下半潜浮式风机为研究背景,采用ANSYS-AQWA分析软件,对浮式风机在南海典型海况下的动力学响应进行了分析。采用等效载荷法模拟空气动力荷载,采用势流理论计算水动力荷载和系泊系统的锚链荷载。  [结果]  研究表明:当单根锚链发生断裂时,浮式风机的纵荡和运动会大幅增加,可能会引起平台失控。当两根锚链断裂时,在一定时间内,运动响应会适当增加。因此建议采用冗余系泊系统,即单组多根锚链,从而在单根锚链失效后为更换锚链赢取时间。  [结论]  研究成果为我国深海浮式风电的开发提供了一定的参考。对于舱室破损工况的破损机理及数值模拟方法,有待进一步的研究。     

基于PSCAD的并网型风机建模及仿真

建立了包含风速模型、风力机模型、发电机模型和控制系统模型的风力发电机组的整体动态数学模型;应用PSCAD软件,以建立的数学模型为基础搭建了变速恒频风电机组仿真算例;并以短路故障和渐变风干扰为例,对由一台单机容量为2 MW变速恒频风电机组并网后的运行特性进行了仿真研究.仿真结果表明了变速恒频风电机组良好的运行特性及影响该机型风机稳定的因素.     

风力机风场模型的研究及紊流风场的MATLAB数值模拟

讨论了风剪、塔影和尾流对风场平均速度的影响,介绍了随机理论中离散随机序列与其功率谱、傅立叶谱的关系,研究了紊流风场模型中常用的几种典型的速度功率谱密度模型如Harris速度谱、Kaimal速度谱、Von Karman速度谱等模型。根据随机理论,确定利用速度谱求风速的紊流部分的算法,并用MATLAB编程实现了风力机紊流风场的数值模拟。     

风力机组风速仪测量风速与来流风速校正研究

为解决风力机组实际运行中风速仪测量风速不准确的问题,采用真机试验与数值模拟相结合的研究方法对其进行研究。通过对试验数据及模拟结果进行分析,得如下结果：风力机转轮转速未达到额定转速时,测风仪测量的风速偏差随来流风速的增加而增大;在转轮达到额定转速,来流风速为8 m/s时,此时风速仪测量风速为8.82 m/s,存在的最大偏差为0.82 m/s;转轮转速保持在额定转速,来流风速继续增大时,测风仪测量风速偏差将随来流的增加逐渐减小,相比于一次修正函数,对测风仪测量风速采用二次函数进行修正,其效果较好,得到的实际功率曲线与理论功率曲线更为符合。     

基于CFD的旋转风轮气动性能分析

采用Fluent6．3软件,并结合SSTκ-ω模型对1．2MW风力发电机旋转风轮流场进行了数值模拟,对设计转速为18．44r／min工况下三叶片风轮与相同叶片单叶片、双叶片以及四叶片风轮流场的输出功率与湍动能进行了比较,并分析了风轮旋转对叶片间流动的影响．结果表明：旋转上游叶片在转动过程中会发生附着涡的脱落,导致旋转下游叶片周围流场的环境发生变化,对叶片转矩及输出功率造成较大影响．在翼型优化中,考虑叶片间作用可以提高风力发电机的效率．     

半潜式平台浮式风力机的动态响应

平台的稳定是保障海上漂浮式风力机能够安全运行的基础。为了保障海上平台的稳定及漂浮式风力机的安全运行,基于Semi-submersible平台的NREL(国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机模型,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,调用水动力学软件AQWA(水动力学分析软件),考虑风、浪、流载荷的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到了F-K力(波浪力)和绕射力对平台6个自由度运动的影响以及各波浪力随波浪频率的变化趋势。结果表明:平台在低频波浪时容易出现较大响应;随着海洋环境恶劣程度的增加,平台的动态响应增大;垂荡方向的时域和频域响应程度均小于纵荡方向。     

风电机组低电压穿越能力测试中的风机故障

近年来,我国风力发电装机容量不断增长,大规模风电并网对电网的影响日益受到重视。低电压穿越能力是风电机组并网特性的重要考核指标之一,该文详细分析了目前风电机组低电压穿越能力测试所依据的标准,就标准中对风电场及风电机组低电压穿越性能的具体要求进行了分项阐述,在此基础上总结了已开展的现场低电压穿越测试中风机发生的种种故障及其原因,证明了同样机型的风电机组测试性能存在差异,而且现场试验证实了风机零部件故障也成为影响风机低电压穿越性能重要因素。     

Investigating the aerodynamic performance of a model offshore floating wind turbine

Understanding the impact of wave-induced dynamic effects on the aerodynamic performance of Offshore Floating Wind Turbines (OFWTs) is crucial towards developing cost-effective floating wind turbines to harness wind energy in deep water sites. The complexity of the wake of an OFWT has not yet been fully understood. Measurements and numerical simulations are essential. An experiment to investigate the aerodynamics of a model OFWT was undertaken at the University of Malta. Established experimental techniques used to analyse fixed HAWTs were applied and modified for the floating turbine condition. The effects of wave induced motions on the rotor aerodynamic variables were analysed in detail. An open source free-wake vortex code was also used to examine whether certain phenomena observed in the experiments could be reproduced numerically by the lifting line method. Results from hot wire measurements and free-wake vortex simulations have shown that for OFWTs surge-induced torque fluctuations are evident. At high λ a discrepancy in the mean C_P between the fixed and floating conditions was found from measurements and numerical simulations.     

Modelling the aerodynamics of vertical‐axis wind turbines in unsteady wind conditions

Most numerical and experimental studies of the performance of vertical‐axis wind turbines have been conducted with the rotors in steady, and thus somewhat artificial, wind conditions—with the result that turbine aerodynamics, under varying wind conditions, are still poorly understood. The vorticity transport model has been used to investigate the aerodynamic performance and wake dynamics, both in steady and unsteady wind conditions, of three different vertical‐axis wind turbines: one with a straight‐bladed configuration, another with a curved‐bladed configuration and another with a helically twisted configuration. The turbines with non‐twisted blades are shown to be somewhat less efficient than the turbine with helically twisted blades when the rotors are operated at constant rotational speed in unsteady wind conditions. In steady wind conditions, the power coefficients that are produced by both the straight‐bladed and curved‐bladed turbines vary considerably within one rotor revolution because of the continuously varying angle of attack on the blades and, thus, the inherent unsteadiness in the blade aerodynamic loading. These variations are much larger, and thus far more significant, than those that are induced by the unsteadiness in the wind conditions. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.