极端海况下海上漂浮式风力机张力腿平台动力分析

根据NREL5MW风力机设计参数,建立整机及其张力腿平台三维模型,针对平台动力特性,采用有限元方法,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST,基于Block Lanczos算法和Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,分别研究了平台振动特性和极端海况下平台结构应力。结果表明:不同的风波流载荷方向对平台强度影响极大;最大等效应力发生在平台底部圆板边缘即为平台危险区域;风轮转动和波浪运动均不会引起平台发生共振响应。

漂浮式海上风力机三维尾流模型研究

针对漂浮式海上风电机组接地系统所处的深海环境及特殊的系泊系统,综合考虑纵荡运动对入流风速和尾流区域膨胀的影响,基于二维BP工程尾流模型,提出一种三维尾流模型(3Dksg_BP),将该模型用于全尾流区域横向和垂向风速剖面的预测。预测结果与风洞实验数据对比发现,下游1.7D、2.3D、5.0D和10.0D(D为风轮直径)等位置的预测精度均不低于97.6%。基于3Dksg_BP,研究不同频率和振幅下的纵荡运动对尾流造成的影响,结果表明:纵荡运动对尾迹的影响随频率和振幅的增大而增大,且随着下游距离的增加,纵荡运动对尾迹的影响逐渐减小。

极端海况下海上漂浮式风力机张力腿平台强度分析

采用有限元方法,基于Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST分别研究了极端海况下风、波、流载荷作用方向相同且为0°、15°、30°、45°和风、波载荷作用方向相同且为0°,海流载荷为15°至180°每15°递增时的平台结构应力。结果表明:最大等效应力是保证平台安全稳定运行的关键且底部圆板上与延伸腿和中央立柱的交接处位置为平台危险区域;风、波、流载荷作用方向对平台应力影响极大,应根据当地海况选择合适的平台安装角度;风、波、流载荷均沿45°方向作用于整机时,平台最大等效应力最大;风、波载荷沿0°方向,海流载荷沿180°方向作用于整机时,平台应力最小。

半潜式海上漂浮式风力机气-水动全耦合分析

针对传统水动力学求解软件与其他数值分析代码不能充分考虑叶片气动载荷分布、涡尾迹结构以及风波耦合效应。通过STAR-CCM+中具有叠加运动和悬链线系泊求解器的动态流动相互作用模块建立一套气动-水动-系泊完全耦合动力学方法,开发较为可靠的漂浮式风力机数值模型。通过分析平台自由衰减曲线、6自由度响应以及风轮气动性能验证了所提耦合模型的可靠性;三维可视化流场分析表明,漂浮式风力机在波浪载荷作用下产生6自由度运动,叶片表面与涡管产生的脱落涡与塔架、机舱后方尾涡相互作用,加剧流场复杂性。结果可为漂浮式风力机流场优化与设计提供一定理论参考。

张力腿漂浮式风力机的运动响应计算

漂浮式风力机与近海桩基式风力机、陆上风力机差异很大,特别是漂浮平台设计复杂,对仿真工具要求更高。海上风力机除受气动载荷之外,还需进一步考虑海洋环境所施加的各种其他载荷。采用自由涡尾迹方法计算风力机气动性能,分别采用线性波和PM频谱模拟波浪运动并应用Morison方程计算波浪载荷。构建张力腿漂浮平台结构动力学方程,以气动载荷和波浪载荷为激励,得到平台响应,并反馈至气动计算,从而完成气动、结构和水动的耦合计算。最后以大型风力机NH1500为例,对张力腿式海上风力机进行仿真模拟,对比分析来流风速、浪高和波浪入流角对漂浮平台运动和风力机气动性能的影响,采用PM频谱模拟真实海况并计算漂浮式风力机动态响应,为漂浮式风力机设计提供了依据。

海上漂浮式风力机研究进展及发展趋势

介绍海上漂浮式风力机概念及其发展,列出了浮式结构的分类以及所面临的挑战,重点论述了目前世界上漂浮式风力机研究现状,给出了目前漂浮式风力机的发展趋势,并对其在我国的适用性做了简要分析。

海上漂浮式风力机支撑结构疲劳寿命研究

根据统计资料,得到IEC规范要求的目标海域各工况的风浪联合概率分布参数;首先对支撑结构进行总体强度分析,得到疲劳热点位于塔架与浮体连接处;然后对风力机整体结构进行耦合动力分析,计算得到疲劳热点在风浪联合作用下的载荷时间历程;最后基于S-N曲线、雨流计数法及Miner线性累积损伤理论计算结构在各工况下的疲劳损伤,估算出支撑结构的疲劳寿命。结果表明,支撑结构疲劳寿命满足规范要求。

漂浮式海上风力机全机结构自振特性仿真

针对漂浮式海上风力机全机结构的动力特性问题,以某3 MW漂浮式海上风力机系统为例,基于有限元方法分析了系统自振频率和振型的分布特征,并进行漂浮式海上风力机全机自振特性的参数分析,最后给出全机结构基频和倾覆频率的计算公式。分析表明,漂浮式海上风力机系统自振频率非常低且分布密集。系统基频与拉索锚固深度以及叶片长度呈线性递减关系,与浮筒半径呈反比,与拉索的总截面面积以及塔架高度呈二次曲线关系。倾覆频率与参数的关系则牵涉高次项,较上述关系更为复杂。文中给出的拟合公式计算值与有限元值吻合较好,说明其在预测漂浮式海上风力机系统自振频率方面具有较高可信度。

海上漂浮式风力机结构振动的主动控制

为实现海上漂浮式风力机结构振动的主动控制,文中通过分析风轮及塔架所受风载荷和漂浮平台所受波浪载荷,建立气动-水动-结构耦合的风力机动力学分析模型.在非规则海浪工况下,建立风波联合作用的AMD控制系统运动方程.研究结果表明:利用最优二次型控制算法,实现了以最小能量消耗来对风力机纵荡位移振动的智能控制.对5 MW漂浮式风力机进行数值模拟,在额定载荷和极限载荷时机舱及塔架振动的最大位移振幅均减小了33%.

基于双惯容调谐质量系统的半潜式海上风力机振动控制

与固定式海上风力机相比,漂浮式海上风力机的振动问题更为突出,进一步控制漂浮式海上风力机的振动成为了工程难题.针对此问题,探索了惯容调谐质量阻尼器(惯容-TMD,即IBA)系统对半潜式海上风力机的振动抑制效果,并提出一种基于结构阻抗的惯容-TMD综合优化设计方法,从整个设计空间出发保证惯容-TMD的最优性.为寻求最优的减振效果,基于达朗贝尔原理建立风力机-惯容-TMD动力学模型,采用双IBA的控制策略同时对半潜式海上风力机浮台和塔筒的振动响应进行抑制,并从增益效果角度,比较了双IBA与双TMD的减振性能.最后对OpenFAST软件进行二次开发,数值验证了风浪联合作用下双IBA相对于双TMD减振性能的提升.结果表明:双减振装置的减振性能相较于单个减振装置有明显提升,且双IBA振动控制效果要优于双TMD;此外,基于惯容器质量增益效果,在达到最优TMD相同减振效果的情况下,机舱惯容-TMD(NIBA)和浮台惯容-TMD(PIBA)分别可将结构减振器中质量元件的质量减少23.9%和32.2%,大幅降低装置成本.

漂浮式海上双转子风力机动态响应研究

为研究漂浮式海上双转子风力机的动态响应特性,采用OC3-Hywind Spar漂浮式平台,搭建了漂浮式海上双转子风力机仿真系统。采用自由涡尾迹法(Free Vortex Wake, FVW)和OpenFAST水动力计算模块,建立了漂浮式海上双转子风力机的气动-水动耦合分析模型,并进行了风浪耦合分析与控制仿真。结果表明:主副转子功率波动幅值随风浪夹角变大而逐渐减小;主副转子间流场比陆上双转子风力机更加复杂,多目标变桨控制既可减小功率波动又可缓解副转子的疲劳损伤;风浪夹角在0°和90°的工况下,平台运动响应波动较为明显。

自适应模糊控制在抑制海上漂浮式风力机振动响应中的应用

海上漂浮式风力机是一个复杂的刚-柔耦合非线性系统,难以建立其精确的动力学模型,无法利用常规控制方式提高风力机的抗风浪干扰能力。为解决此问题,采用自适应模糊控制器(AFC)抑制漂浮式风力机的动力响应。引入2个修正因子对模糊规则进行优选,得到了传统模糊控制器(FC);为应对漂浮式风力机工作过程中平衡位置变化和结构参数摄动情况,在FC基础上增加了自适应模块,设计了一种AFC,并对其有效性进行了验证;在随机风浪扰动和叶片桨距控制系统耦合作用下,研究了不同控制策略对海上漂浮式风力机振动响应的抑制效果。仿真结果表明,目标值改变时,AFC对目标值的跟踪能力明显优于FC;随机风浪扰动作用下,相对于被动控制策略,AFC对平台俯仰(PFPI)运动功率谱密度(PSD)峰值的抑制效果可提高39%。

低风速工况下张力腿式浮式风机运动特性分析

本文旨在分析低风速下张力腿式漂浮式海上风力机的动力响应。针对张力腿式漂浮式海上风力机自身特性,建立张力腿式漂浮式海上风力机耦合模型。设定湍流风和不规则波浪联合作用的运行工况,并通过改变风速或有义波高,研究在不同大小风浪联合作用的运行工况下,张力腿式漂浮式海上风力机动力响应。仿真结果表明,和气动载荷相比,波浪载荷对低风速下运行的张力腿式漂浮式海上风力机的运动影响较大。

基于张力腿平台的漂浮式风力发电机功率特性研究

针对漂浮式风力发电机在运行过程中,风力发电机伴随基础受风、浪、流冲击而摇摆运动的特点,对张力腿式漂浮式风力发电机的功率输出特性进行分析和建模。仿真与计算结果表明:漂浮式平台的运动响应会对漂浮式风力发电机的功率特性产生显著影响,可大大增加风力发电机输出功率的波动性。

漂浮式海上风电张力腿平台筋腱选型与防腐蚀论述

文章通过对现有的漂浮式平台张力腿筋腱进行调研,简要分析了筋腱类型及优缺点,总结了常见漂浮式平台筋腱防腐蚀措施。在此基础上,探讨了受限于海洋腐蚀环境的两种筋腱提高耐久性的防腐措施,为漂浮式风电深水平台筋腱选型提供参考和依据。

新型海上浮式风力机概念设计

以美国可再生能源实验室(NREL)研究所选用的5MW海上风力机为主要参考模型,概念性地提出一种新型张力腿-锚缆结合式系泊系统的浮式平台形式。综合考虑顶部风机响应、支撑结构和下部系泊系统的动力耦合作用,参照IEC 61400-3海上风力机设计规范中的典型设计工况,采用数值模拟的手段对新型海上风力机浮式平台进行风浪流联合作用下的时域分析。结果表明,新型张力腿-锚缆结合式系泊系统可很好地保障海上5MW浮式风力机的正常工作性能,其对未来海上浮式风力机的发展具有积极的指导意义。

海上漂浮式风力机变桨距减载控制研究

海上漂浮式风力机在受到风浪载荷作用,会引起漂浮式海上风机的叶尖位移和平台运动,造成载荷变化,使得风机的稳定性变差。为减小风机受到的载荷影响,基于Coleman坐标变化,提出一种基于模糊PID算法独立变桨距控制策略,利用模糊控制器对PID参数进行在线整定。通过FAST与Matlab/Simulink联合仿真,结果表明:提出的基于模糊PID独立变桨距控制技术有效减小了由漂浮式平台的晃动引起的载荷,提高了平台稳定性;对由叶片摆动引起的载荷有一定的减载作用;同时降低了漂浮式海上风力机塔基载荷,提高了风机的稳定性。

面向深远海的新型海上风力机浮式平台水动力性能研究

针对目前海上风机浮式平台现阶段技术瓶颈问题,结合经典半潜式平台与单柱式平台的结构特点,提出面向深远海的新型海上风力机漂浮式平台设计方法,设计了一种具有倾斜侧柱的全潜式浮式风机平台。基于NREL 5MW风力机上部机型参数,对提出的新型浮式平台进行参数优化设计。在此基础上,基于考虑结构全耦合效应的一体化数值计算方法,进行了考虑风剪切、波浪、海流的海上浮式风机水动力响应研究,对比分析了新型浮式风机、半潜式风机与单柱式风机在不同波浪入射角以及波浪频率下的水动力性能。结果表明:基于海上风力机漂浮式平台设计流程可设计出水动力性能优秀的海上浮式平台,新型浮式平台相较于半潜式平台能够明显降低垂荡峰值与其对应波浪频率,降低发生垂荡共振的可能性。此外,不同浮式平台方案的共性结论表明风机运行中应尽量保证波浪正向流入,对于避免侧向产生过大波浪力有利。

新型漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊研究

提出漂浮式风力机Spar平台安装螺旋布置扰流片的设计方法,通过对水动力学软件AQWA的二次开发,实现风波作用下浮式风力机动态响应的求解,对比研究扰流片螺旋布置高度对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响以及对扰流片平台安装系泊配重后对平台动态响应与系泊张力的影响。结果表明:扰流片平台的辐射阻尼较原平台在纵荡、垂荡、纵摇方向上均有所提升;扰流片平台的纵荡、垂荡、纵摇幅值响应算子较原平台均有所降低;随扰流片布置高度提升对平台纵摇方向运动响应抑制效果最好、垂荡方向次之。在风波耦合作用下,扰流片能够降低平台纵荡、纵摇响应,一定程度上抑制垂荡运动响应;安装扰流片可降低风力机转子推力、平台系泊张力有所上升;对系泊安装配重浮筒,在有效降低系泊张力的同时能够抑制平台纵荡、垂荡运动响应,对纵摇运动影响较小。

新型漂浮式海上风电基础概念设计和初步动力响应分析

提出适用于南海200 m水域的新型漂浮式风电基础概念设计,并基于NREL 5 MW风力涡轮机对新型基础进行性能分析。采用莫里森方程和势流理论计算水动力载荷,并利用ANSYS/AQWA软件建立风力机结构与水动力数值模型,探究其在频域范围内的水动力性能,计算分析漂浮式风力机在不同波况下的时域动力响应。结果显示,该基础的固有周期能较好地避开常见波浪的周期范围,避免引起共振,水动力性能良好,在南海某海域1年、20年和50年一遇的3种波况下基础的运动响应均满足规范要求,能保证漂浮式风力机在极端海况下的安全性和稳定性。