Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷。为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响。结果表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小,平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小。风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著。此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好。

平台内TMD对新型Barge浮式风机振动抑制的研究

Barge型浮式风机是发展海上风电的重要装备,其运动响应可以通过被动控制装置调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)有效抑制。基于ITI Energy Barge风机,本研究设计了新型Barge浮式风机基础,建立平台配置TMD的风机动力学模型,在浮动平台内配置不同位置、质量、阻尼参数TMD,研究风浪载荷作用下风机平台配置最优参数TMD前后浮式风机运动响应的变化。结果表明:在新型风机平台内浮筒顶部配置质量比3%、阻尼比6%的TMD后,风机塔顶前后和左右位移分别减小15.56%、44.93%,平台纵摇和横摇抑制率达到22.97%、62.79%,风机塔基前后和左右弯矩分别减少15.62%、39.8%。此时,TMD控制效果最佳,风机整体稳定性大幅提高。

2种海上风力机漂浮式风电场平台动态响应对比

为研究不同海上风力机漂浮式风电场平台风浪流联合作用下动态响应,分别建立基于OC3-Hywind Spar与ITI Energy Barge平台漂浮式风力机的2×2阵列漂浮式风电场,结合辐射/绕射理论与有限元方法,使用海洋工程软件AQWA及风力机仿真软件FAST分别进行水动力学与气动载荷计算,分析2种漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明:Spar与Barge平台频域响应均集中在2.00 rad/s以下低频区域,在2种风电场中,Spar风电场各平台在垂荡、纵摇、横摇、艏摇4自由度及机舱振动加速度上稳定性较好;风电场中平台横荡、纵荡及机舱振动加速度大小与其在风电场中所处位置有关。

普通和恶劣海况下漂浮式风电场概念设计及平台动态响应

为研究风、波浪、海流联合作用下漂浮式风电场平台的动态响应,建立了基于Barge平台的2×2阵列漂浮式风电场模型,根据辐射/绕射理论结合有限元方法,对比研究了单平台和多平台在普通海况和恶劣海况下的时频响应特性。结果表明:在普通海况下,多平台动态响应以低频为主;多平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的稳定性均高于单平台;在恶劣海况下,多平台运动响应主要集中在波频区;多平台在纵荡和纵摇方向上的稳定性较好,且越远离迎风浪侧,风电场平台的纵荡位移和纵摇角度越小。

系泊参数对漂浮式风力机平台的影响研究

海上漂浮式风力机的研究已成为风电领域的重点与热点,而系泊对漂浮式风力机平台的安全有极其重要的影响,因此本文选取基于Barge平台的NREL 5MW漂浮式风力机作为研究对象,研究系泊参数对漂浮式风力机动态响应及系泊缆张力的影响。结果表明:系泊直径和系泊长度的变化对漂浮式风力机纵摇及系泊缆顶端张力影响较大,对垂荡和纵摇影响较小;当系泊直径为0.3m时,纵荡位移偏移量达到最大,系泊缆顶端张力达到最小;随着系泊长度的增长,纵荡位移不断增大,系泊缆顶端张力不断减小。

基于MTMD的Barge型漂浮式风力机稳定性控制研究

为提高漂浮式风力机的稳定性,以NREL 5 MW风力机及ITI Barge平台为控制对象,在传统单个调谐质量阻尼器（STMD）基础上提出风力机机舱及塔架中配置不同动力特性调谐质量阻尼器（TMD）的新型多重调谐质量阻尼器（MTMD）控制方法,分别研究其在环境载荷作用下队海上漂浮式风力机稳定性的控制效果。研究表明：STMD及MTMD对漂浮式风力机塔顶左右位移控制效果较明显,波动范围分别减小38%和45%,稳定性分别提高41%和46%;在STMD及MTMD控制下,漂浮式风力机平台横荡和横摇降幅明显;MTMD对漂浮式风力机塔架和平台的动态响应控制效果优于STMD控制。

极端海况下附配重系泊漂浮式风力机响应分析

为提高风波作用下平台稳定性并降低系泊拔锚风险,提出对Barge平台系泊添加配重的新型系泊系统。基于辐射/绕射理论和有限元方法,对比系泊添加配重前后Barge平台动态响应、系泊受力及躺地长度变化,并研究配重位置的影响。结果表明:在保证系泊安全的前提下,添加配重可有效降低平台纵荡、垂荡及纵摇响应并增加系泊躺地长度;当配重距锚点约160 m时,平台纵荡响应最小且躺地长度最大,纵荡、垂荡及纵摇响应幅值分别减小41.9%、20.4%及11.8%。此外,1~4号系泊躺地长度为未加配重时的12.9、2.0、1.9及0.9倍,张力略有增大,但仍在安全范围内;1号系泊(迎风浪侧)躺地长度最小,拔锚风险最高,4号系泊(背风浪侧)添加配重后其躺地长度缩短,拔锚风险增加。

普通海况下驳船式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

漂浮式风力机的稳定是其正常工作的基础。在深海环境中,载荷复杂且不稳定,受其影响漂浮式风力机将产生复杂的激励运动。建立基于ITI Energy Barge平台的NREL 5 MW漂浮式风力机整机模型,提出Barge平台漂浮式风电场。通过高级程序语言编程求解气动载荷,运用水动力学软件AQWA,采用辐射/绕射理论并结合有限元方法,对海风、波浪载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应进行数值仿真。频域分析结果如下:Barge平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的响应主要集中在低频区域,其中,纵荡、垂荡响应随波浪频率增加逐渐减小,而纵摇响应先增加后减小。时域分析结果如下:漂浮式风电场平台运动轨迹关于风浪入射方向对称。较之于Barge平台,与固定悬链线相连的第一列平台垂荡运动响应稍大,但波动幅度差别可忽略不计;其纵摇和机舱稳定性均得以增强;横摇、艏摇运动幅值很小。研究表明所提漂浮式风电场平台具有良好的稳定性,为进一步的研究工作奠定了基础。

基于TMD的海上漂浮式风力机稳定性研究

海上漂浮式风力机的稳定性研究已逐渐成为风电研究的重点与热点。以NREL(国家可再生能源实验室)5 MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,建立海上漂浮式风力机整机模型,通过配置TMD(调谐质量阻尼器),研究其对环境载荷作用下的海上漂浮式风力机稳定性的控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔架和平台的运动响应有明显的抑制效果,在TMD控制下,漂浮式风力机塔顶左右位移最大值降低近50%,稳定性提高38%;对漂浮式风力机平台的横摇及横荡运动控制效果较明显,平台横荡稳定性提高18%,横摇稳定性提高41%。