风浪联合作用下分布式调谐质量阻尼器对海上半潜漂浮式风机的减振控制

海上半潜漂浮式风机在复杂深海环境下产生有害振动会威胁风机的安全性和耐久性,针对该问题并结合美国NREL的5 MW样机的漂浮平台几何结构构造,提出利用分布式调谐质量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMDs),即分别在漂浮平台的3根浮筒中布置TMD,形成等边三角形布置,对随机风浪联合作用下海上半潜漂浮式风机的平台纵摇振动进行控制。为了更好地描述分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机的减振效果,基于拉格朗日方程和模态叠加法,对海上半潜漂浮式风机-TMDs耦合系统提出并建立了9自由度多体动力学模型。基于H_(∞)算法,即以平台纵摇频响函数的峰值为优化目标,对分布式TMDs的参数进行优化设计,优化设计中考虑了3个TMDs之间的耦合关系。对风机-TMDs耦合系统开展了风浪联合作用下的数值模拟,分析了分布式TMDs对平台纵摇响应的减振效果。结果表明:最优设计下的分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机平台纵摇振动具有良好的减振性能;在三种不同工况的随机风浪荷载作用下,分布式TMDs对平台纵摇固有频率附近的功率谱密度曲线峰值减振率和标准差减振率能分别达到39%和52%以上。

半潜漂浮式风机载荷及运动响应敏感性分析

为研究漂浮式风机在海洋环境作用下载荷及运动响应的参数敏感性,对OC4-5MW半潜漂浮式风机模型进行了气动-水动-系泊一体化时域动态仿真,对比分析了风机位移、倾角、加速度及塔筒载荷在关键极限停机工况下受到风、浪、流载荷及偏航等多个因素影响的响应规律。结果表明:采用中心式风机设计的机头朝向变化对结构不平衡影响可忽略,但基础安装方位应避开纵荡与风浪主频方向夹角60°~120°范围,开启偏航对风或背风控制有利于降低整体倾角、机舱加速度和塔底载荷;风浪方向夹角的影响缺乏明显规律性,设计时应充分考虑0°~90°夹角范围。波浪高度对所有观察变量的影响均较明显,风机上部对波浪高频区更敏感,但基础对低频区更敏感。机舱加速度受浪流影响较大,受风载影响较小;基础加速度对参数相对不敏感。

漂浮式风机变桨距控制方法设计

海上漂浮式风机在风浪联合作用下做变桨控制,会对漂浮式风机的发电功率造成影响。传统的PID变桨控制效果差,存在发电功率波动较大的问题,为此,文中利用美国可再生能源实验室(NREL)提供的FAST软件,建立波浪载荷作用下的漂浮式风机的动力学方程,采用L-M法(Levenberg-Marquardt)对其中的系数进行辨识,并与FAST输出的高保真模型进行对比,验证所建立模型的准确性。其次,利用FAST提供的联合仿真平台设计一种基于遗传算法PID状态反馈的干扰自适应控制的方法,实现漂浮式风机变桨距的稳定控制。结果表明:与基于FAST的变桨距控制相比,基于遗传算法PID状态反馈的干扰自适应控制方法风轮转速的波动较小,输出功率的超调量更小,调节时间较短,更加稳定,而且能够减少漂浮式风机在平动方向和转动方向中横荡的波动,更适合海上漂浮式风机的变桨控制。

半潜式基础漂浮式风机拖带技术研究

随着海上风电的不断发展,漂浮式风机将逐步成为主流的海上风机形式。半潜式基础是漂浮式风机主要基础形式之一,具有适用性强、安装方便、部署灵活、整体风险较低的优点,拥有广阔的发展和应用前景,而漂浮式风机整体拖带是项目实施的重点、难点和主要风险点。本文以典型的半潜式基础漂浮式风机为例,开展了对半潜式基础漂浮式风机海上拖带浮运计算研究,制定拖带船队编组方案,并提出了拖带安全管控措施,解决了半潜式基础漂浮式风机拖带作业中诸多技术问题,为相关技术研发和工程项目实施提供参考。

海上漂浮式风机变桨距控制策略研究

海上漂浮式风机服役环境复杂,为了在风浪载荷的联合作用下减少漂浮式风机的发电功率以及风轮转速的波动。在FAST基础控制的基础上提出了将分数阶比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)变桨控制,来抑制风、浪载荷的影响。以美国可再生能源实验室的5 MW的OC4海上漂浮式风机为研究对象,首先建立了基于分数阶PID变桨距控制的漂浮式风机的动力学模型,结合遗传算法对控制的参数进行寻优,来提高系统的控制效果。使用了FAST与SIMULINK联合仿真,研究其对发电功率和风轮转速以及平台6自由度运动的影响,并且对变桨以后平台6自由度的运动进行了建模与分析研究。结果表明,与FAST基础PID控制器相比,基于遗传算法寻优的分数阶PID控制器具有更高的控制精度,有效降低输出功率和风轮转速的波动,而且会对6自由度的运动产生影响。

海上漂浮式风机气动阻尼效应全耦合数值分析

海上漂浮式风机的风轮气动阻尼效应对基础运动有重要影响。建立了基于气动-水动-弹性-伺服的全耦合漂浮式风机数值模型,通过自由衰减动态模拟,利用轮毂单一自由度运动模型评估漂浮式风机的纵摇阻尼水平范围;根据初步评估的纵摇阻尼水平,设置风浪联合工况矩阵对漂浮式风机进行气动阻尼的动态评估。结果表明,动态工况下的漂浮式风机气动阻尼效应与简单评估模型中通过闭环方法计算获得的阻尼曲线变化趋势保持一致;气动阻尼效应对纵摇运动功率谱密度(PSD)曲线影响不显著,能够减缓纵摇运动幅度;与纵摇运动耦合的纵荡固有频率PSD峰值显著体现气动阻尼效应;相同波浪工况下,气动阻尼效应抑制浮体纵摇运动平均值,纵摇PSD曲线及极值统计结果也得出相似结论;小于额定风速时,气动阻尼效应减小纵摇角极大值与平均值之差;高于额定风速时,气动阻尼效应减小浮体纵摇幅值。研究结果为海上漂浮式风机气动阻尼效应评估提供了参考。

安装误差对半潜漂浮式风机悬链线系泊系统性能的影响

由于浅水深条件下悬链线系泊系统的性能对系泊缆长度和几何形状更为敏感,悬链线系泊系统的安装误差对其性能的影响较深水条件下的更为显著。因此首先对适用于半潜漂浮式风机的悬链线系泊系统施工进行研究,分别确定了锚安装位置误差、系泊缆预铺误差和系泊缆与漂浮式基础回接误差的来源,并根据施工条件给出了误差值。之后,以浮体动力学仿真作为手段,对系泊缆系统施工误差对其性能的影响进行基于时域仿真的量化研究。研究表明,锚安装位置误差对系泊系统性能影响不大,但系泊缆预铺和回接的误差对系泊系统性能的影响较大。系泊缆回接的误差可造成系泊缆张力平均值和标准差与设计值偏差近20%,可能对系泊系统疲劳寿命评估产生较大的影响。与系泊缆回接误差相比,系泊缆预铺误差的产生原因更为复杂,由于系泊缆预铺误差往往导致系泊缆长度增长,存在误差的系泊缆张力的各项统计值总体偏小,但可能会造成同组无误差系泊缆的张力过载。

基于FAST的漂浮式风机全耦合计算分析

为了分析漂浮式风机的风机系统与基础平台相互影响的数值规律,选取OC4 DeepCwind半潜式平台和NREL 5MW风机,利用开源软件FAST进行全耦合分析计算。结果表明,风机的自身转动使平台的运动偏离原有平衡位置,偏移量与风速大小有关,但垂荡运动不受影响;平台轴向移动对风机的影响较小,而平台的绕轴转动对风机气动载荷的影响显著。系泊系统受力情况与风载荷相关,0o风向下,直接迎风的1号系泊缆张紧,受力与风速呈正比,2号、3号系泊缆松弛,受力与风速呈反比,值得注意的是,3根系泊缆受力总和始终保持不变。

漂浮式风机气-水动力耦合下的独立变桨控制方法

提出一种漂浮式风机(FOWT)气-水动力耦合下基于径向基函数神经网络(RBFNN)的独立变桨控制方法。首先,考虑风剪切效应和塔影效应,建立更精确的气动模型,将气动模型与水动模型耦合,得到风浪流扰动下的相对风速。在此基础上,采用径向基函数(RBF)神经网络逼近变桨控制系统未知的非线性函数,通过Lyapunov方法导出自适应率,在线调整神经网络权值来改善所提出的独立变桨控制系统的动态性能。在FAST-Matlab/Simulink联合仿真的基础上,将该文所提控制方法和传统PI控制方法进行对比结果表明,该文所提方法能够更有效地实现FOWT输出功率的稳定,并在一定程度上减小了漂浮基础的载荷波动和俯仰振荡。

海上漂浮式风机支撑结构疲劳强度分析研究综述

海上风力发电具有广阔的应用前景,因此有必要大力发展海上风机项目。海上风电是未来重要的可持续能源,国内外对于海上风电机组以及支撑结构的疲劳寿命进行了广泛和深入的研究,海上漂浮式风机支撑结构疲劳寿命问题开始引起国内外的关注,并成为海上风机研究的重点内容之一。

两种不同基础的漂浮式风机载荷对比分析

根据海上风机建模和载荷计算,对比了半潜式、张力腿式和固定式基础机组在额定风速、切出风速及极限空转情况下瞬态时序及载荷统计值:三种不同基础的风机在机头部件的载荷差异不大;但整体上,半潜式要大于另外两种,当波浪达到一定程度之后,这种载荷差异表现更明显,尤其是塔底载荷。对于半潜式风机,主要是通过优化设计半潜平台、选择合理总体参数及特殊的控制策略等方法来降低其载荷。

海上漂浮式风机发展调研及分析

经调研全球各地海上漂浮式风机的发展历史、现状,总结分析了现有不同漂浮式风机基础平台型式的结构特点及相关特性,对已经开发、正在开发和将要开发的漂浮式风电场进行了汇总分析,通过技术进步和削减建造成本提高竞争力,加强浮式风机领域的技术研究,以期在漂浮式技术方面跻身世界前列。

漂浮式风机基础结构强度设计

随着风电场逐渐走向深远海,漂浮式风机的需求将日益增大。漂浮式结构的运动幅度对风机本身的控制系统要求非常严苛,反之亦然。为了保证风机在风浪联合作用下能安全运转并保证发电效率,对风机基础的运动性能要求很高。漂浮式平台在海洋油气行业已经非常成熟,可以借鉴其设计方法,结合风机的特性来设计基础结构。

漂浮式风机齿轮箱行星架强度分析

针对漂浮式风机齿轮箱承受风载和波浪载荷的强耦合效应,依靠传统的齿轮箱设计方法无法评估行星架强度,文中提出一种根据Blade+Seasm软件考虑风载荷和波浪载荷的耦合影响关系,然后在有限元分析软件ANSYS里施加相应载荷进行行星架强度校核,从而为漂浮式风机齿轮箱的行星架校核找出一种简单易行并且精度高的方法,为行星架的设计和优化奠定基础。

基于改进无模型自适应控制的漂浮式海上风机转矩-变桨协调控制策略研究

针对漂浮式海上风机建模困难、频繁变桨造成的严重疲劳损伤等问题,提出一种基于改进无模型自适应控制的转矩-变桨协调控制策略。该策略不依赖漂浮式海上风机的数学模型,通过集成迭代学习控制策略改进无模型自适应控制方法,设计发电机电磁转矩和桨距角作为控制变量的多输入多输出控制器进行协调控制,允许非零度桨距角下风机用做动能缓冲,在平滑输出功率的同时减少变桨动作量。为证明所提出控制策略的有效性,在多种风场景下,与增益调度PI控制等方法进行了对比实验。结果表明:所提出的控制策略使漂浮式海上风机在满足发电功率平稳性的同时减缓了漂浮平台的俯仰运动,可有效降低漂浮式海上风机的疲劳载荷。

可调节式格栅装置对漂浮式海上风机稳定性的影响

为提高漂浮式风机在复杂海洋环境中的稳定性与安全性,提出一种可调节式格栅装置,开展振动台试验,验证格栅装置减震的可行性,并利用有限元数值分析,建立可调节式格栅装置与漂浮式风机的仿真模型,分析在不同波况下漂浮式风机的动力响应。研究结果表明:无可调节式格栅装置时,漂浮式风机结构在巨浪载荷下最大倾角为3.1°;当增加格栅装置后,在相同波浪荷载作用下,风机结构的晃动幅值与最大倾角均会减小,二者减小幅度与格栅板开启角度有关;同时,风机结构的自振频率增大,在格栅板开启角度为30°时,结构最大倾角与塔筒应力降幅最大,分别减小1.8°和108.89 MPa,由此可见可调节式格栅装置可显著提高漂浮式海上风机的稳定性与安全性。

半潜漂浮式风机垂荡板附加质量研究

半潜漂浮式风机基础往往采用立柱-垂荡板组合结构作为选型型式,这种选型型式的垂荡板附加质量是影响漂浮式风机垂向运动性能的重要参数。以基于边界元法的水动力分析为手段,对半潜漂浮式风机基础垂荡板附加质量的影响因素进行分析与讨论。研究表明:构成半潜漂浮式风机基础多个立柱的垂荡板附加质量彼此之间的干扰较小,并可根据单立柱-垂荡板结构的附加质量推导得到半潜式风机基础的垂向自由度运动整体附加质量。垂荡板-立柱直径比和垂荡板深度的改变都可以调整附加质量,然而从材料成本考虑,改变垂荡板-立柱直径比是较优的选择,最后根据简化计算模型和半潜漂浮式风机的频率设计策略给出了对于初步选型可选择的垂荡板-立柱直径比范围。

激光雷达控制方法对漂浮式风机载荷的影响

文章使用激光雷达控制方法对IEA15MW漂浮式样机在极端阵风、极端湍流风下的载荷做了详细分析。使用基于Openfast的仿真工具,结合激光雷达前馈控制系统,对EOG和ETM风况下的风力机运动响应做了详细的仿真。仿真的工况重点关注额定风速附近工况,观察到雷达控制降低了极端阵风和极端湍流风下风机的载荷,对于保护机组大部件有一定作用。

浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析

采用计算流体动力学(CFD)方法对OC4-DeepCwind半潜式风机基础在30~100 m水深下的水动力特性和非线性波浪荷载进行了研究。基于验证的数值波浪水池,通过结构自由衰减运动及规则波下浮式基础的幅值响应算子(RAO)计算,分析了浮式风机基础的结构动力特性及水动力特性随水深的变化规律,研究了浅水条件下非线性波浪荷载特征。研究结果表明,随着水深的减小,风机基础结构垂荡固有周期略有增大,垂荡和纵摇的阻尼比均呈现逐渐增大的趋势;与黏性流理论计算结果相比,势流结果在浅水波浪工况下对垂荡和纵摇RAO存在显著低估;在浅水波浪作用下,风机基础所受波浪荷载的三倍波频成分占比可超过5%,体现了浅水条件下波浪与结构之间较强的非线性作用。

不同结构参数下漂浮式海上风机水动力性能分析

基于势流理论,采用面元法建立Windfloat半潜浮式风机平台的频域水动力数值模型,探究不同结构参数(立柱直径、立柱间距以及吃水深度等)下的Windfloat半潜浮式风机的稳性、附加质量、辐射阻尼与一阶波浪激励力的变化规律。研究结果表明:立柱直径对Windfloat半潜浮式风机平台的稳性、附加质量、辐射阻尼以及一阶波浪激励力有较大影响。平台吃水的改变对附加质量影响较大,对辐射阻尼与一阶波浪激励力影响较小。立柱间距的改变不仅会影响水动力系数,同时会导致Windfloat半潜浮式平台水动力系数在高频区域的峰值对应频率产生偏移。