海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析

以海上大型漂浮式风电机组三浮桶式支撑结构为对象,考虑风波联合作用,借助叶素-动量理论和线性波理论,联合风载荷和波浪载荷模型构建了风波联合载荷模型。计算过程中,考虑了风电机组不同的运行工况,依据浮桶直径与波长的比值来确定波浪载荷适用的计算模型(Morison理论与绕射理论);得到了不同工况、不同环境参数和结构参数条件下的载荷结果,分析了风波载荷的变化特征。

平台运动对漂浮式风电机组气动功率和推力的影响研究

漂浮式风电机组存在平台六自由度运动,使得风电机组气动特性的非定常性显著。本文采用自由涡尾迹法对NREL 5MW风电机组的气动特性进行了模拟。为了能清晰比较单个平台运动对气动性能的影响,将浮式平台的纵摇、纵荡以及横摇运动简化为给定的正弦函数,研究了不同振幅的平台纵荡、纵摇、横摇运动以及两者和三者之间耦合运动下风电机组的气动功率和推力变化。结果表明:浮式平台的运动会导致风电机组功率和推力的波动,平台纵摇运动影响最大,横摇运动的影响最小;较剧烈的耦合运动会显著增加平均发电量;平台三自由度耦合运动中,增大纵荡振幅可以增大平均功率输出,并减少平均推力。

风剪切与平台纵摇对漂浮式风电机组气动失谐的影响

漂浮式风电机组浮式平台在风浪流耦合作用下存在六自由度运动,使风轮旋转平面内的气动力不均匀,导致风轮产生气动失谐。而风剪切使风电机组的失谐特性更加明显。文中使用计算流体力学方法(CFD)研究风剪切来流与平台纵摇运动分别对风电机组总体性能与叶片不同展向截面气动载荷的影响。结果表明纵摇运动使风电机组的总体性能发生波动,且随着幅值的增加而增加。风剪切0.2与0.3使风电机组总体气动性能增加,且随着风剪切系数的增加而增加。平台纵摇使截面气动载荷的波动从外叶展到内叶展逐渐增大,风剪切造成的截面气动载荷的波动从外叶展到内叶展逐渐减小。风剪切与幅值较低的纵摇运动对截面气动载荷的影响相当。

基于状态空间的漂浮式风电机组控制策略研究

在保证漂浮式风电机组正常发电、可靠运行的前提下,以降低机组的载荷和浮动基础的运动幅度为设计目标,研究基于状态空间理论的多输入多输出控制算法。结合线性二次型调节器(LQR)最优算法的设计,寻找风电机组发电性能和浮动平台载荷两者之间的平衡,实现最优设计。通过扰动跟踪控制(DTC)与扰动适应控制(DAC)的方法实现转矩与变桨控制设计,并采用FAST软件进行仿真。与传统比例积分微分(PID)控制策略对比,有效降低塔底及漂浮式基础载荷;状态空间控制更能反映机组内部的耦合,可为后续漂浮式控制算法升级应用提供设计平台。

适用于过渡水深的漂浮式风电机组的研究

在借鉴国内外已有的研究成果的基础上,介绍了几种适用于过渡水深的漂浮式风电机组,并从主尺度、总体性能、荷载与控制系统、结构设计与成本等方面进行了对比分析。通过分析发现,半潜(Semi-Sub)式漂浮式风电机组的技术成熟度最高,但运动响应和产生的疲劳荷载要比张力腿(TLP)式大,船(Barge)式、Semi-Sub式与TLP式的控制系统优化逻辑有一定差别;TLP式和Barge式的结构设计比Semi-Sub式简单,但TLP式的施工难度较大;不同类型漂浮式风电机组总建设成本相差不多,只有从整个产业链上降低成本,漂浮式风电机组的商业价值才能显现。

海上漂浮式风电机组空气动力特性的仿真模拟研究

采用NREL开发的5 MW风电机组基础模型,分别应用BEM和CFD方法进行仿真研究,并对在不同运行状况下,由不同方法产生的计算结果进行对比分析。结果显示,FAST软件在复杂工况下(风浪流联合作用下)与STAR CCM+软件的计算结果存在一定差异,特别是在大运动的情况下,这种差异尤为明显。

基础运动对漂浮式风电机组齿轮箱传动系统附加激励的影响

风电齿轮箱传动系统是漂浮式风电机组中传递力与运动的关键传动装置,受到频繁的基础运动影响,振动特性复杂。提出一种适用于非惯性坐标系下六自由度基础运动与含公转/自转运动构件六自由度振动位移的耦合建模方法,并利用集中参数法和拉格朗日方程建立了风电齿轮箱传动系统动力学模型,分析了基础运动对构件产生的附加激励以及振动响应影响。研究结果表明:基础运动会对传动系统中构件产生时变的附加参数激励,这些附加激励的特征频率主要以系统自身特征频率与基础运动频率及其倍频的组合频率为主;作用在构件上的附加激励幅值与纵荡、纵摇基础运动幅值及其频率呈现非线性关系,纵荡、纵摇基础运动的幅值越大、频率越高,附加激励中纵荡与纵摇运动之间的耦合效应也愈明显;基础运动会增大构件的径向与轴向振动响应,使其出现与基础运动频率相关的特征频率。

考虑漂浮式基础位移的风电场尾流优化策略研究

风电机组间的尾流效应对发电量有直接的影响,漂浮式机组的尾流受姿态的影响导致其建模和优化更加复杂。针对漂浮式基础位移,提出了一种基于偏航控制的风电场尾流优化策略。首先,考虑漂浮式平台位移对偏航角的影响,改进了Curl尾流模型;其次,建立了风电场发电量与尾流风速、偏航角关系的目标函数;最后,以偏航角为优化参数,采用Nelder-Mead单纯形法进行优化,从整体上提高了风电场的发电量。基于NREL 5 MW的TLP型漂浮式机组,在不同工况条件下对控制策略进行仿真验证,结果表明所提优化策略较传统尾流优化方法提高漂浮式风电场整场发电量效果更加明显。

基于调谐质量阻尼器的风电机组振动抑制

针对基础含有多自由度的特点,在复杂风浪载荷下风电机组更容易产生剧烈的结构载荷的问题,该文建立含风浪载荷的动力学模型与蚁狮算法配合,寻求机舱中调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)各参数最优解。首先,基于拉格朗日方程建立含风浪载荷的动力学模型,采用Levenberg-Marquardt(LM)算法分别对动力学模型未知参数和风浪载荷参数进行辨识;其次,采用蚁狮算法和含风浪载荷的动力学模型配合对TMD各参数同时寻优;最后,在5种典型工况下,利用FAST全耦合模型验证TMD的减载效果。结果显示,优化参数后的TMD能有效降低漂浮式风电机组关键部位疲劳载荷。对比有无TMD时,叶根纵向弯矩降低约10%~30%,叶根纵向剪力降低了约10%~35%,塔基纵向弯矩降低了约10%~45%。

Hywind及WindFloat漂浮式风电项目技术路线研究

结合国外漂浮式风机的2个主要系列工程Hywind和WindFloat项目的进展和特点以及国内类似项目的现状,梳理总结了国外漂浮式风机工程的主要技术特点及开发经验,对我国深远海风电工程开发提供借鉴作用和启示。

海上漂浮式风机子系统技术特点浅析

该文基于目前主流基础平台型式,对不同基础平台、风机系统、系泊系统和电缆系统的技术特点进行了归纳和分析,总结了各子系统的主要技术特点以及设计思路,为将来的漂浮式风机设计提供参考。

基于蚁群算法的Spar型浮式风机独立变桨控制方法

针对多自由度、非线性、强耦合的漂浮式风电机组,为了缓解其在额定风速以上出现的风轮载荷不平衡、漂浮式基础摇荡及功率输出不稳定等问题,提出了一种基于蚁群算法的独立变桨控制方法,用于动态优化PID控制器参数。针对传统蚁群算法搜索效率低、质量差等问题,文章采用最优-最劣蚂蚁系统对其改进,得到了更适用于漂浮式风电机组的蚁群PID独立变桨控制方法。FAST-Matlab/Simulink联合仿真结果表明,相比于PID独立变桨控制,基于蚁群算法的独立变桨控制方法能有效地减小桨叶根部所受力矩,缓解漂浮式基础的纵向运动,保证功率输出的稳定。

风力发电设备技术现状与发展趋势

近年来,“双碳”政策与平价上网时代的双重刺激下,风电行业竞争加剧,整机企业技术升级力度加大,产品技术迭代不断加速。主要分析了风电设备技术发展路线与发展方向,并对未来智能化风电产品发展趋势进行了具体探讨,以期为相关技术人员的研究提供一定参考。