用于风电钢塔筒的加劲钢管压弯性能试验研究

薄壁圆钢管广泛应用于风电机组锥筒型钢塔筒中,其在径厚比较大时易出现局部失稳,进而导致塔筒承载能力下降。该文提出了一种可用于风电钢塔筒的纵向加劲钢圆钢管结构形式,并进行了6个试件的压弯加载试验,以研究加劲肋形式及径厚比大小对加劲圆钢管压弯性能的影响。试验结果表明:在相同用钢量下,加劲肋有效改善了钢管的局部屈曲,改变了结构的破坏形态,增大了钢管的塑性发展程度,从而提升了钢管的承载力及延性,其中T型加劲肋的增强效果更为明显。并将试验模型与有限元建模进行对照,互相验证了准确性。最后使用现有设计标准对试验结果进行了初步评估,无加劲肋试件与各设计标准吻合良好,但现有计算方法低估了加劲试件的承载力。

基于实测波浪的单桩式海上风电基础波浪力计算研究

基于实测波面的波浪力获取作为结构动力响应分析以及数字孪生模型建立的必备环节,对海上风电数字化运维至关重要。为了满足更大的装机容量需求,单桩式海上风电基础趋于大型化,其尺度因子D/L也随之增大;并且实际海域均为非规则波,以尺度因子划分波浪力计算理论的方法对非规则波的适用性尚不明确。通过建立数值水槽,依据实际工况对不规则波与桩基的作用进行数值模拟,得到入射波浪场与桩基所受波浪力,在此基础上,基于入射波浪场分别采用Morison方程以及绕射理论求解波浪力并将之与数值模拟结果进行对比,分析了不同波浪力计算理论关于尺度因子的适用性,同时探究了波浪要素对计算精度的影响。结果表明:Morison方程在波高较大时精度下降;相对于Morison方程,绕射理论在该尺度下的精度更高。最后,通过分析实测数据进一步探讨了典型工况下的波浪力特征,以期通过实测波面计算波浪力的方法为实际服役风机波浪力计算提供技术支持。

海上风力机前端风电场瞬态重构研究

针对海上风电单机位风速测点有限的关键问题,提出一种基于少数风速测点的海上风力机前端风电场瞬态扩展方法。基于本征正交分解(POD)将先验风电场数据分解为时间系数与空间模态特征信息,通过循环神经网络(RNN)建立有限风速测点到全局风电场的非线性映射关系,实时构建海上瞬态风电场。结果表明基于POD-RNN的重构模型可通过有限风速测点准确重构海上风力机前端风电场,全局风电场瞬态重构均方根误差(RMSE)可控制在1.8136 m/s内。

基于弹簧—阻尼理论的海上变电站动力特性研究

近年来,随着海上风电的迅速发展,海上变电站的建设也逐渐兴起。然而,错综复杂、瞬息万变的海洋环境对变电站的安全性和稳定性提出了严峻的挑战,因此有必要加强对变电站分析和研究的重视。为了提高变电站数值模型分析的效率,研究以海上风电场变电站为中心,采用ABAQUS建立了实体土有限元模型和基于弹簧—阻尼理论的有限元模型,以模拟桩土相互作用。随后进行了模态分析、风浪流响应分析和地震响应分析研究。研究结果表明:使用两种模型进行模态分析得出的振型非常相似,频率误差小于5%。此外,在承受风和波流荷载时,两种模型得出的变电站结构响应具有显著的一致性。在地震荷载作用下,两个模型中样本点位移时程曲线的相位频率与测量数据非常接近。值得注意的是,基于弹簧—阻尼理论的模型计算出的振幅与地震波测量数据更为接近。此外,弹簧—阻尼理论方法还大大提高了计算效率。

海上风电大直径钢管桩溜桩承载力计算方法研究

桩基础被广泛应用于近海工程,如海上风电机多采用大直径钢管桩,但由于桩和锤的重量很大,在沉桩过程中可能会发生溜桩现象,溜桩容易对桩和桩锤造成损伤,严重影响打桩的效率,还可能造成严重的安全事故。因此分析出现溜桩现象的原因,给出合理的承载力计算方法是具有现实意义的。对溜桩的过程和原因进行了分析;用基于CPT的ICP-05和UWA-05设计方法对海上风电大直径钢管桩在自由入泥深度和溜桩深度的土的承载力进行了分析计算,发现ICP-05方法在计算自由入泥深度的承载力时的结果比较理想;针对溜桩现象,提出了一种基于影响区概念的折减优化公式,通过计算溜桩深度的承载力验证了优化设计方法的合理性。

基于2010—2020年东海风浪统计数据的海上风电吸力桶基础动荷载承载特性

为了得到桶基础承受风、浪动荷载的承载性能,结合我国东海地质条件,统计中国东海2010—2020年浅、深海风速和最大海浪数据,通过计算得到风浪荷载并制成ABAQUS软件幅值曲线施加到海上风电吸力桶基础上,分析了吸力桶基础在动荷载作用下的承载特性。结果表明:吸力桶基础受风、浪荷载影响明显,桶基础迎力面受到风浪动荷载产生拉拔现象。在浅海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形不协调,风浪荷载最大的10月份桶基础迎力面最大位移超出了规范0.02D的限制,基础失稳;桶基础背力面受压变形较小。在深海区,桶基础在风浪荷载作用下桶身自上而下变形相对协调,施加风浪荷载后桶体迎力面最大位移为14.9 mm,整体上迎力面位移比背力面位移大4 mm,桶体处于稳定状态。相较浅海区的吸力桶单桶结构,深海区吸力桶结构由于尺寸增加,桶体的稳定性得到提高,说明吸力桶结构的尺寸对稳定性起决定性作用。

基于3D扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究

为有效优化实际业务中海上风电场的机组排布方案设计,降低尾流电量损失,在江苏某海上实际运行风电场采用3D扫描雷达进行实地尾流观测实验,分析独立尾流、半尾流和全尾流三种工况下机组的尾流长度、尾流宽度及尾流深度等尾流特性。研究表明,独立尾流工况下机组尾流下游方向11D~12D(D为叶轮直径)距离处风速变化趋平,尾流影响减弱,机组尾流影响长度在11D左右;近尾流区内,全尾流工况机组的风速衰减较独立尾流和半尾流工况机组明显增大,远尾流区三种工况变化趋势一致,尾流宽度均在3D左右,呈“双高斯”或“凹型”分布特征。二者的差异性主要与相邻机组间距的不同相关。三种尾流工况下,近尾流区的尾流深度明显较远尾流区大,尾流速度亏损明显。

基于声呐图像的海上风电桩基局部冲刷实时监测研究

在江苏大丰某海上风电场选取代表机位,安装桩基局部冲刷实时监测系统对桩基周围海床进行实时监测,并和多波束水下地形测量成果进行对比分析。结果表明:该系统实时监测效果较好,与多波束的测量结果相吻合,其最大优势在于能长期实时连续监测桩基周围海床的高程变化情况,掌握长期冲淤趋势。监测桩基海床已产生最大冲刷深度达8 m的冲刷坑,为保障风机系统的安全稳定,建议及时采取冲刷防护措施,以防冲刷坑进一步发育。

基于CEM-FEM耦合方法的海上风力机抗冰和振动控制研究

冰荷载是影响海上风力机安全运行的重要决定性因素,严重时会致使海上风力机结构发生冰激振动破坏和冰激疲劳失效。该研究基于粘聚单元(cohesive element method,CEM)-有限元(finite element method,FEM)耦合方法,通过非线性分布弹簧考虑桩-土相互作用,建立海冰-寒区单桩海上风力机结构在风-冰联合作用下的整体耦合冰激振动非线性有限元模型。进而,基于非线性数值仿真工具LS-DYNA,分别模拟冰与直立结构和带有抗冰锥的基础结构相互作用过程,并与现有的挤压和弯曲冰力模型进行对比,验证该研究模拟动冰荷载的准确性,讨论两种冰破坏模式下动冰荷载的变化规律。最后,为解决海上风力机发生的强烈冰激振动问题,分别采用振动控制方法和施加抗冰锥的方式,开展风、冰联合作用下海上风力机动冰力和动力响应研究,对比分析以上两种减振方式的减振机理和减振效果差异。结果表明,虽然抗冰锥可明显降低冰-海上风力机相互作用的动冰荷载幅值,然而采用振动控制策略的海上风力机减振效果明显优于抗冰锥。因此,在海上风力机的冰激结构损伤研究和抗冰设计中必须分别考虑以上两种减振方式对结构的影响。

多尺度优化技术在沿海风场同化预报系统中的应用

针对预报系统同化资料的时空分布特征,设计并开展了三组针对不同尺度信息优化的资料同化试验,并使用沿海地区两个测风塔边界层内风场观测数据对模式预报结果进行检验。测风塔观测表明陆地与海上近地层的风场特征截然不同。各组同化试验均能够再现陆地和海上观测风场的主要特征,但海上测风塔的风场预报误差高于陆地测风塔。各组同化试验的预报结果存在较大差异,其中结合新动量控制变量和大尺度约束的试验能够最好地模拟出观测风场的风向和风速分布。进一步表明,沿海地区的近地层风场模拟仍然存在较大的不确定性,需要进一步优化海洋边界层的参数化方案。

浙江东矶列岛海域实测波要素及典型台风浪特征分析

利用东矶列岛海域一年实测波浪资料,统计分析波要素特征,以台风“利奇马”为例,分析台风浪演变过程。结果表明:研究海域年平均有效波高0.88 m,年平均周期4.3 s,年最大波高8.67 m出现在夏季台风“利奇马”影响时。研究海域以轻浪为主,其次是小浪和中浪;常浪向为ESE,次常浪向为E和SE;强浪向为SSE,次强浪向为SE。波浪平均持续时间和波高之间符合指数衰减关系。台风“利奇马”影响期间,最大谱峰56.20 m2/Hz,台风浪谱型以双峰谱为主,台风浪类型经历了涌浪—混合浪—风浪—混合浪—涌浪这一演变过程。

基于球形静力触探的嘉兴海域软黏土强度特性研究

针对海上风力机基础设计中的软黏土强度评价问题,通过在浙江嘉兴海域开展球形静力触探试验和室内试验,标定得到适合中国浙江嘉兴海域淤泥质粉质黏土的球形静力触探因子N_(ball)。采用固结快剪试验结果标定得到的N_(ball),DS范围为6.70~14.91,总平均值为10.58,标准值为10.91;采用三轴UU试验结果标定得到的N_(ball),UU范围为7.75~23.75,总平均值为17.44,标准值为19.03。采用标定得到的N_(ball)值可较好地解译嘉兴海域软黏土的强度,建议采用三轴UU试验结果标定得到的N_(ball),UU的标准值19.03作为强度下限值解译参数,采用固结快剪试验得到的N_(ball),DS的标准值10.91作为最优强度(中值)解译参数。

基于现场监测分析冲刷对海上风电大直径钢管桩的影响

基于对海上风电大直径钢管桩的监测数据分析了冲刷对钢管桩的影响。理论计算显示,风机基础冲刷会导致结构整体刚度下降,同时增大风机基础桩端位移。现场监测结果表明,风机的一阶频率监测值会在一定幅度范围内围绕设计值波动,一段较长时间的监测频率值基本能反映风机实际在位频率或接近设计频率。从监测结果可以看出,针对风机中存在的密集模态,需要采用进一步的手段识别分析。其研究成果为海上风电工程的开发和建设提供了重要的技术支持和参考依据。

不平衡电网下自同步虚拟同步机拓展功率控制策略研究

虚拟同步机控制策略因其能为电网提供惯性和频率支撑的特性被广泛应用于新能源发电系统并网接口,但其在不平衡电网下的运行能力不足。为提高虚拟同步机在不平衡电网下的自同步并网能力和输出功率的电能质量,文章提出一种不平衡电网下基于拓展功率的自同步虚拟同步机控制策略。首先研究拓展功率和传统功率的关系,并提出一种适用于虚拟同步机控制的拓展功率理论。然后分析将拓展功率理论应用于自同步虚拟同步机策略的可行性,并研究一种拓展功率谐振控制方法,使虚拟同步机在不平衡电网中可以实现对传统和拓展功率的精确控制。在此基础上,提出一种基于拓展功率的自同步虚拟同步机控制策略,通过选择不同的功率组合作为控制变量,可实现不平衡电网下虚拟同步机的精准自同步并网和3种不同的功率控制模式。实验结果验证了所提控制策略的有效性。

基于改进Prony变换的时频分析方法及其在海上风电结构中的应用研究

针对现行的时频分析方法(包括小波变换和希尔伯特黄变换等)在分析海上风力机的实测信号时的不足,发展一种基于改进Prony变化的短时时频分析方法,并使用风电基础结构与风电整机结构的海上实测数据验证该方法的正确性。通过与现有的几种主要使用的时频分析方法进行对比研究,对比论证新方法及传统时频分析方法在应用于海上风电结构时的实用性和可行性。

海上相邻风电场间的“尾流效应”实例分析

[目的]研究海上相邻风电场间的“尾流效应”对发电损失的影响。[方法]利用海上风电场实际运行SCADA数据结合激光雷达同期实测测风数据,基于不同的风向扇区范围和风电场实际排布进行尾流效应场景分类,开展实际运行相邻风电场间(20D以上间距)的真实尾流电量损失分析工作。[结果]结果表明:对于规则排布的海上大型风电场,基于实际运行SCADA数据,对各机组发电量进行归一化,可以较好地反映海上风能资源分布特征及各机组发电能力的差异;高度集中的单一扇区条件下,处于下风向的相邻风电场受上风向相邻场区的“尾流效应”影响明显,发电产能较自由流降幅明显;相邻风场间随着缓冲带距离的增加,下风向场区机组尾流电量衰减比随之降低,缓冲带需达到一定的距离,对于风速的恢复有明显的作用,发电产能才能够有所提升;本案例不同场景下,缓冲带距离在23D~44D之间,尾流损失电量降幅在27%~4%之间。[结论]基于相邻风电场实际运行数据开展尾流分析可为后续海上大型风电基地规划设计和机组排布优化设计提供指导。

风载和地震波联合作用下风电机组钢混组合式塔架响应控制研究

为了探究钢混组合式塔架结构(混塔)在风载荷和地震波联合作用下的结构响应,建立了钢混组合式塔架的有限元模型,采用Davenport脉动风速谱,基于AR线性滤波法对脉动风速进行时程模拟;并基于结构所处的场地条件,对混塔进行相应的地震波时程分析。在此基础上,采用基础隔震结构、单个调谐质量阻尼器(single tuned mass damper, STMD)和分布式多重调谐质量阻尼器(distributed multiple tuned mass damper, D-MTMDs)结构、以及隔震结构和D-MTMDs结构组合而成的混合控制结构等一系列控制方法对混塔的响应进行了控制,并采用了七种评价指标对各控制方法的优劣进行了相应的评估。计算结果表明,混合控制结构可以结合隔震结构和D-MTMDs结构的控制优点,不仅展现对风载响应的良好控制,也显示出对风载和地震波联合载荷响应优异的控制效果。

潮流能并网发电示范项目选址研究——以舟山兆瓦级潮流能示范项目为例

我国的潮流能资源比较丰富,在沿海地区建设适合海岛环境的潮流能发电站,将为沿海地区和海岛经济社会可持续发展提供支持,推动潮流能示范工程建设是我国近期海洋能发展的重要任务之一。为了推动我国潮流能开发利用的商业化和规模化进程,本文以舟山兆瓦级潮流能示范项目为例,通过自然环境、社会环境和工程建设条件等要素的综合比选研究,分析探讨了潮流能并网发电示范项目在工程建设前期工作阶段的场址比选流程、方法与内容,并且给出了工程总体规划设计方案。研究成果可以为后续类似潮流能发电工程的选址研究工作提供参考依据。

专利视角下海上风电基础技术态势分析及发展建议

发展海上风电有助于我国实现碳达峰、碳中和的庄严承诺,近年来我国海上风电技术发展迅速,海上风电业务已进入到国际风电市场。海上风电漂浮式基础是海上风电基础未来发展的重点,对漂浮式基础专利分布情况开展计量分析,深入了解各国在漂浮式基础领域的研发实力,对指导国内风电企业制定适合自身的相关技术专利战略以及风电企业“走出去”具有重要意义。

海上大型电气平台筒型基础结构浮稳性

为探究海上大型电气平台底部新型导管架-筒型基础结构整体湿拖的可行性,借助有限元软件展开浮运过程中吃水深度、波浪高度和波浪周期等因素对基础稳性和动态响应影响规律的研究。结果表明:当筒型基础与导管架结构整体在一定吃水深度下且波浪周期在垂向或纵向固有周期附近时,基础可能产生共振现象;筒型基础自身可为包含导管架结构的整体提供足够的浮稳性;在2m以下波浪高度和5级以下海况条件下,整体结构可进行远距离湿拖浮运。