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。

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。

漂浮式海上风机施工安装现状与发展趋势及技术挑战

漂浮式海上风机是开发和利用海上风能资源的关键技术装备,对拓展海上风电的开发空间具有重要战略意义。施工安装是漂浮式海上风机全生命周期的重要环节,也是实现海上风电经济、安全和高效开发的关键。然而随着海上风机的深远海和大型化发展,施工安装难度大幅提升,现有安装工艺及技术装备无法满足其安装作业需求。本文首先回顾了国内、外漂浮式海上风机发展历程,展望了未来漂浮式海上风机在降本增效以及解决施工安装难题中的创新设计理念;然后在此基础上,通过工程案例分析,总结梳理漂浮式海上风机运输安装工艺,分析漂浮式海上风机运输安装关键问题与技术挑战;最后针对漂浮式海上风机施工安装难题,从新工艺、新装备和新技术等方面提出发展建议,以期为漂浮式海上风电迈向深远海提供参考。

海上漂浮式风机与船舶碰撞动力分析研究综述

随着海上风机的不断增加和轮船航线越来越密集,海上风机在使用期间与船舶碰撞的风险呈上升趋势。通过已发表的文献和网络资源回顾了海上漂浮式风机在船舶碰撞下的动态响应分析的进展,并介绍了海上漂浮式风机发展趋势和类型,漂浮式风机与船舶碰撞分析的理论方法、试验方法和有限元数值模拟方法及规范要求,同时也对海上漂浮式风机防撞船分析研究的现状和防撞设施概况进行了总结。

基于输入−状态联合估计的漂浮式风机塔架结构载荷反演及状态分析

[目的]旨在研究波浪作用下漂浮式风机塔架的结构载荷反演方法及动力响应状态。[方法]以半潜型风机为研究对象,通过时域仿真模拟测量数据,并且基于漂浮式风机的频域仿真模型计算塔架的质量归一化模态,将二者作为输入−状态联合估计(joint input-state estimation,JIS)算法的输入,对漂浮式风机塔架开展结构载荷反演以及实时状态分析。[结果]结果表明:基于JIS算法,以塔架节点的仿真数据作为算法的输入,估计的塔根载荷以及塔架节点响应与仿真结果具有良好的一致性,实现了高精度的反演。[结论]反演结果验证了JIS算法的有效性,可以用于漂浮式风机的实时状态分析,保障漂浮式风机长期安全稳定运行。

漂浮式海上风电离网制氢联合仿真实验平台

海上风电制氢有助于解决海上风电消纳和远海输电难题,但目前的仿真缺乏海上环境对制氢影响的模拟,限制了相关研究与教学发展,因此亟需开发充分考虑海洋环境载荷的海上风电离网制氢仿真实验平台。该文将风机一体化仿真工具FAST和MATLAB/Simulink电力系统工具箱相结合,实现海上风机与发电机的联合仿真,在MATLAB内部通过设计接口实现电力系统与数学模型的两工具箱的联合仿真,以此构建两软件三工具箱联合的海上风电离网制氢一体化仿真实验平台。仿真结果表明,该平台能实现漂浮式海上风电离网制氢联合仿真,可为海上风电制氢有关研究和实验教学提供有力支撑。

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。

考虑桩-土相互作用的超大型单桩式海上风机结构地震响应

为了解决桩-土相互作用对超大型单桩式海上风机结构地震响应影响的问题,基于IEA 15 MW的固定式单桩海上风机原型,使用Abaqus建立考虑桩-土相互作用与泥面固定2种风机结构模型,桩-土相互作用通过一组非线性弹簧模拟。考虑风-波浪与地震联合作用,分析桩-土相互作用对超大型固定式单桩海上风机结构动力响应的影响。结果表明:针对超大型海上风机,桩-土相互作用效应使风机支撑结构的特征频率降低3%~6%;考虑桩-土相互作用的大兆瓦风机动力响应远大于泥面固定风机模型的动力响应;海上风机尺寸越大,桩-土相互作用引起的海上风机结构动力响应偏差越显著。

海上漂浮式风电机组塔筒优化方法研究

为适应复杂多变的海上环境,高效利用风资源、减少用钢成本,开展漂浮式风电机组塔筒的结构优化设计。以船载风电机组为研究对象,引入漂浮式基础的动态响应,作为影响塔筒弯曲变形的重要约束条件。在保证风电机组稳定功率输出的前提下,以质量最轻为优化目标,以塔筒构造要求和规范为基本约束条件,建立漂浮式基础风电机组塔筒的数值优化模型,并利用遗传算法完成了模型优化。结果显示,在保证风电机组稳定性和正常功率输出要求下,塔筒的质量降低了35%,刚度提高了25%。

大型漂浮式风机塔架系统固有频率快速评估方法

漂浮式风机塔架为细长高耸柔性结构,受风、浪、风轮旋转等多源复杂激励作用,塔架固有频率和模态的准确评估是漂浮式风机系统设计的关键环节。针对当前漂浮式风机塔架的模态分析大多基于塔底固定假设,未考虑浮式基础和风机正常作业的影响。提出了一种准确高效的大型漂浮式风机塔架固有频率快速评估方法,分析了漂浮式风机塔架固有频率的变化特性及规律。结果表明:当风机处于停机状态时,塔底固定的简化模型得出的塔架固有频率存在约10%的偏差,塔架固有频率评估需考虑浮式基础的影响;当风机处于运转状态时,上部风轮气动附加质量效应导致塔架的固有频率略有减小。研究结果可为漂浮式风机塔架以及控制策略的设计提供参考。

四浮筒半潜式海上风机基础水动力性能分析

参照三浮筒式OC4半潜式风机基础,设计了四浮筒式浮式风机基础。建立三浮筒式OC4半潜式风机基础与四浮筒式浮式风机基础水动力模型,利用AQWA软件分析四浮筒式浮式风机基础相关水动力参数,并将四浮筒式浮式风机基础与三浮筒式OC4半潜式风机基础进行不同工况下的时域分析对比,探究两者间性能差异。结果表明,四浮筒式浮式风机基础具有良好的水动力性能,相较于三浮筒式OC4半潜式风机基础,其在纵荡、横荡、纵摇、艏摇4个自由度方向上的运动响应以及缆绳张力方面存在优势。

中欧漂浮式海上风电关键技术与产业链合作路径研究

基于中国完善的装备制造体系与欧洲丰富的项目经验优势互补现状,首先,围绕漂浮式海上风电机组、浮式基础、系泊及锚固系统、动态海缆、勘察设计、施工运输与安装、运行维护等产业链和关键技术进行研究,建立了纵向深层剖析和横向拓展对比的产业链评价体系;然后,结合不同细分领域中欧对比结果提出了18项重点合作领域;最后,探讨了试验交流、合作建设、规模应用、全球推广的中欧合作路径,期望解决国内示范样机浮式基础形式单一、成本高昂、产业链不成熟的问题,并为中欧漂浮式海上风电合作提供一定思路和启发。

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。

基于OPENFAST的漂浮式风机运行状态仿真分析

针对漂浮式风机在多场耦合作用下整体状态的研究不足,本文通过对我国水文观测站数据进行分析,对作用于浮式风机的工况进行设计,并使用OpenFAST对风机整体运行状态进行仿真分析,同时,在相同风速不同波高、不同风速相同波高的作用下进行对比,对风浪载荷对风机的不同部位运行状态的影响进行总结。

中欧漂浮式海上风电成本比较与变化趋势研究

近年来,全球漂浮式海上风电装机规模增长较快,但项目建设成本高昂,为掌握项目成本水平,摸清成本变化趋势,梳理了中欧地区漂浮式海上风电项目成本数据,解析双方项目建设成本,剖析项目间的成本差异与影响因素,预测其在2022,2030,2040年的建设投资与平准化度电成本与未来双方成本的变化趋势。研究结果表明:2022年中国项目成本高于欧洲,中国为138欧元/(MW·h),欧洲预计为137欧元/(MW·h),但中国成本下降速率快于欧洲。2030年、2040年中国项目成本将显著低于欧洲,2030年中国为64欧元/(MW·h)、欧洲预计为72欧元/(MW·h);2040年中国为50欧元/(MW·h)、欧洲预计为57欧元/(MW·h)。研究成果可为中欧漂浮式海上风电降本增效提供参考。

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。

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。

漂浮式风机安装技术探究

为了进一步降低漂浮式风电机组规模化施工成本,针对国内漂浮式风电机组样机半潜式基础型式,结合码头资源和风机安装设备的特点,利用吸力筒结构和系泊桩的特点及使用优势,开展漂浮式风电机组安装技术研究。提出的安装技术不仅解决了码头资源制约工程进度的难题,还有利于提升安装效率降低施工成本。研究成果将有利于推进漂浮式风电场建设降本和工期节约,具有一定参考价值。

基于CFD与动态系泊模型耦合的漂浮式风机半潜平台运动响应数值模拟研究

目前使用CFD方法计算浮式结构物的运动以及系泊线受力时,主要使用静态系泊模型,而静态系泊模型无法准确计算系泊线的张力。基于STAR-CCM+平台,使用重叠网格技术、DFBI多体运动模型以及VOF法捕捉自由面,通过求解N-S方程,对半潜式漂浮式风机半潜平台进行数值模拟研究。并以数据耦合迭代形式植入动态系泊模型,该模型可以充分考虑系泊缆张力、水动力载荷以及海床接触作用力。计算发现:与静态系泊模型相比,CFD和动态系泊模型耦合方法计算的半潜平台运动响应与之相近,系泊线张力响应相差较大;基于动态系泊模型的计算结果与试验结果更吻合。搭建的耦合方法计算精度高,与试验误差小,为浮式风机及其他浮式结构物的设计提供了一种高效精准的数值模拟方法。

漂浮式风机融合养殖网箱结构完整稳性分析

为提高漂浮式风电经济效益,并顺应远海网箱养殖向深远海发展需求,采用漂浮式风机融合养殖网箱以满足两者发展需求。对结构的完整稳性进行分析,采用网衣群目化算法运用莫里森杆件对网衣结构进行数值仿真,并运用Sesam软件建立数值仿真模型,依据美国船级社(ABS)规范对运行工况不同风推力入射角度下的结构完整稳性进行评价,得出0°入射方向所对应倾斜轴为结构完整稳性最不利倾斜轴。分别研究网衣及侧立柱直径对平台稳定性的影响。结果表明,网衣会优化平台稳定性,侧立柱直径则会对静稳心高度产生影响,在一定范围内增大侧立柱直径可优化结构稳定性。