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漂浮式风力机稳定性TMD控制及其参数优化设计

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漂浮式风力机稳定性TMD控制及其参数优化设计

作者：黄致谦上海理工大学

学位级别：硕士

风电作为目前发展最快速、应用范围最广的可再生新能源发电技术,已在全世界范围内实现大型规模化、应用化。基于陆上风电的限制和现今海上风电开发技术的日益成熟,风电产业由陆地向海洋、由浅海向深海的发展趋势已然成形。随着海水深度... 详细信息

风电作为目前发展最快速、应用范围最广的可再生新能源发电技术,已在全世界范围内实现大型规模化、应用化。基于陆上风电的限制和现今海上风电开发技术的日益成熟,风电产业由陆地向海洋、由浅海向深海的发展趋势已然成形。随着海水深度的不断加大,固定式风力机已经不能满足成本和环境的要求,不受水深限制和建造成本低的漂浮式风力机成为研究主流。漂浮式风力机因其漂浮基础不固定,导致其始终处于受力不平衡、运动非定常状态。此复杂的运动状态将会影响漂浮式风力机的正常工作,降低发电效率,引发塔架和叶片的变形,甚至会导致平台倾覆。因此如何高效、经济地保证漂浮式风力机在复杂海洋环境下安全稳定地工作,成为海上风电产业建设中亟待解决的一个重要问题。本文以驳船型(Barge型)、浮柱型(Spar型)及半潜型(Semi型)3种漂浮式风力机为研究对象,以空气动力学、水动力学以及系泊动力学为理论基础,建立了漂浮式风力机动力学模型,对比研究了3种漂浮式风力机在复杂风、浪及流载荷联合作用下的动态响应特性。为提高3种漂浮式风力机的稳定性,提出使用结构控制方法(被动调谐质量阻尼器,Tuned Mass Dampers,TMD)建立气动-水动-控制-TMD-结构耦合的动力学模型进行稳定控制,对比研究了3种漂浮式风力机在复杂环境载荷联合作用下的稳定性控制效果。基于优中择优的原则,并考虑TMD的缺点,针对TMD控制效果最好的驳船型漂浮式风力机进一步提出使用多重调谐质量阻尼器(Multiple Tuned Mass Dampers,MTMD)进行稳定性控制。同时,由于MTMD的参数众多,参数设计不同,控制效果也不一样。针对此问题,提出使用全局优化算法——多岛遗传算法(Multi-Island Genetic Algorithm,MIGA)进行参数优化,研究不同参数对控制效果的影响和不同海况下最优MTMD的控制效果,主要工作与结论如下:1.考虑风、浪及流载荷的相互耦合效应,对比研究了三种漂浮式风力机在复杂环境载荷下的动态响应,结果表明:三种漂浮式风力机在运行一段时间后,动态响应变化均不相同;Barge型漂浮式风力机的运动响应在各个指标上几乎均远大于其他两种平台,Semi型漂浮式风力机和Spar型漂浮式风力机动态响应大体上相近,但在个别指标的动态响应上有巨大的区别。***控制后,Barge型漂浮式风力机的动态响应幅度都有所降低,且有更加优越的波频特性。平台首摇角和塔顶纵向位移控制效果明显,稳定性分别显著提升了53.60%和60.30%。Spar型漂浮式风力机平台的首摇角减小幅度不明显,稳定性仅提升了9.75%;塔顶纵向位移的控制效果好,稳定性提升了29.79%。Semi型漂浮式风力机的平台首摇角没有控制效果;塔顶纵向位移的TMD控制效果有明显好转,稳定性提升了28.46%。***控制后,在平台首摇方向上,Barge型漂浮式风力机的响应大幅度减小,与Spar型漂浮式风力机的响应接近,但仍大于Semi型漂浮式风力机的响应;在塔顶纵向位移方向上,Barge型漂浮式风力机与Semi型的响应接近,大于Spar型漂浮式风力机的响应。TMD对Barge型漂浮式风力机的控制效果最好,其次是Spar型,对Semi型控制效果最差。4.通过MIGA算法对MTMD参数进行全局优化,结果表明漂浮式风力机塔顶纵向位移和平台横摇角随MTMD参数变化趋势相似,两者的响应幅值均随机舱TMD质量和塔架TMD质量增加而减小,随TMD阻尼增加而增大。当机舱TMD质量取值不变时,塔顶纵向位移和平台横摇角随TMD阻尼变化趋势较为明显,随塔架TMD质量变化趋势较小;当塔架TMD质量不变时,塔顶纵向位移和平台横摇角随机舱TMD质量变化的影响程度较大,随TMD阻尼的影响程度较小;当TMD阻尼不变时,塔架TMD质量的变化几乎不会引起塔顶纵向位移和平台横摇角的变化;即塔顶纵向位移和平台横摇角受机舱TMD质量影响最大,TMD阻尼影响次之,塔架TMD质量影响最小。5.通过对比分析漂浮式风力机在无控制、STMD控制及优化MTMD控制时的动态响应,发现优化MTMD控制效果最好,其中,塔顶纵向位移和平台横摇稳定性分别提升了84.2%和86.3%,验证了MIGA优化结果的准确性,为漂浮式风力机应用MTMD提供理论参考。***对漂浮式风力机不同部位结构运动的控制效果不同,控制效果最好的部位为塔顶纵向位移、塔基横向弯矩及平台横摇角。不同环境工况下,MTMD都对漂浮式风力机有着明显的控制效果。其中纵向载荷和位移的标准差抑制率为10%8%,横向载荷和位移为8%4%。

关键词：漂浮式风力机动态响应结构控制参数优化多岛遗传算法 MTMD

基于多岛遗传算法的漂浮式风力机稳定性多重调谐质量阻尼器优化控制

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中国机械工程 2018年第11期29卷 1349-1356页

作者：黄致谦丁勤卫李春汤金桦上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

将多重调谐质量阻尼器(MTMD)引入漂浮式风力机控制领域以提高漂浮式风力机的稳定性。以NREL 5MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,提出在漂浮式风力机机舱和塔架中配置2个参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),并基于多岛遗传算法,算出MTMD系... 详细信息

将多重调谐质量阻尼器(MTMD)引入漂浮式风力机控制领域以提高漂浮式风力机的稳定性。以NREL 5MW风力机及ITI Barge平台为研究对象,提出在漂浮式风力机机舱和塔架中配置2个参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),并基于多岛遗传算法,算出MTMD系统最优参数。通过对3种典型工况下、有无配置MTMD的漂浮式风力机进行模拟计算,研究了最优MTMD的控制效果。结果表明:多岛遗传算法能够有效优化MTMD参数;MTMD控制优于单一TMD控制;经参数优化后,MTMD对漂浮式风力机振动的控制效果更好,塔顶纵向位移和平台横摇角标准差抑制率分别提升了80.4%和83.8%;MTMD对漂浮式风力机不同部位的控制效果不同,控制效果最好的为塔顶纵向位移、塔根横向弯矩及平台横摇角;不同环境工况下,MTMD对漂浮式风力机都有着明显的控制效果,其中纵向载荷和位移的标准差抑制率分别为10.3%~12.1%和76.1%~78.3%,横向载荷和位移的标准差抑制率分别为75%~77.7%和8.9%~10.8%。

关键词：漂浮式风力机动态响应结构控制多岛遗传算法多重调谐质量阻尼器

新型垂荡板对漂浮式风力机半潜式平台垂荡运动的抑制效果研究

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动力工程学报 2019年第5期39卷 402-408页

作者：黄致谦丁勤卫李春上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

设计出一种能有效抑制垂荡运动的新型装配有垂荡板的漂浮式风力机半潜式平台,分析其在风、浪、流载荷联合作用下的动态响应,并与3浮体3立柱结构半潜式平台进行比较。结果表明:在频域分析中,垂荡板对垂荡方向运动响应的抑制效果最好,纵... 详细信息

设计出一种能有效抑制垂荡运动的新型装配有垂荡板的漂浮式风力机半潜式平台,分析其在风、浪、流载荷联合作用下的动态响应,并与3浮体3立柱结构半潜式平台进行比较。结果表明:在频域分析中,垂荡板对垂荡方向运动响应的抑制效果最好,纵摇方向次之,对横荡方向运动响应无明显抑制效果;在横荡、纵摇和垂荡方向上原平台与垂荡板平台的辐射阻尼均较接近,但与原平台相比,垂荡板平台的附加质量较大。在时域分析中,与原平台相比,垂荡板平台在横荡、纵摇和垂荡方向的运动响应均较小,其中垂荡方向运动响应抑制效果最好,纵摇方向次之,横荡方向抑制效果最差。

关键词：漂浮式风力机半潜式平台垂荡板时域分析频域分析运动响应水动力系数

漂浮式风力机多频调谐质量阻尼器控制及其参数优化设计

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动力工程学报 2019年第1期39卷 72-78页

作者：黄致谦丁勤卫李春上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

以ITI Barge型漂浮式风力机为研究对象,在机舱和塔架中配置参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),组成多频调谐质量阻尼器(MTMD)系统。基于多岛遗传算法,对MTMD系统进行参数优化,并比较了无控制、无优化MTMD控制及优化MTMD控制下风力机的稳定... 详细信息

以ITI Barge型漂浮式风力机为研究对象,在机舱和塔架中配置参数不同的调谐质量阻尼器(TMD),组成多频调谐质量阻尼器(MTMD)系统。基于多岛遗传算法,对MTMD系统进行参数优化,并比较了无控制、无优化MTMD控制及优化MTMD控制下风力机的稳定性。结果表明:MTMD对塔顶纵向位移和平台横摇角有很好的抑制效果;风力机塔顶纵向位移和平台横摇角均随机舱TMD质量和塔架TMD质量的增大而减小,随TMD阻尼的增大而增大;优化MTMD控制后,风力机稳定性进一步提升,其塔顶纵向位移和平台横摇稳定性分别提升了80.4%和83.8%。

关键词：漂浮式风力机多频调谐质量阻尼器结构控制动态响应参数优化多岛遗传算法

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调谐质量阻尼器对漂浮式风力机稳定性的影响

动力工程学报 2018年第8期38卷 658-664页

作者：黄致谦郝文星李春叶舟上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海200093

以基于ITI Barge平台的NREL 5 MW风力机为研究对象,通过在机舱配置调谐质量阻尼器(TMD),研究在环境载荷作用下TMD对海上漂浮式风力机塔顶位移和平台摇荡特性的稳定性控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔顶前后位移的控制效果不明显... 详细信息

以基于ITI Barge平台的NREL 5 MW风力机为研究对象,通过在机舱配置调谐质量阻尼器(TMD),研究在环境载荷作用下TMD对海上漂浮式风力机塔顶位移和平台摇荡特性的稳定性控制效果。结果表明:TMD对漂浮式风力机塔顶前后位移的控制效果不明显,对塔顶侧向位移的控制效果较明显,其最大值降低了66%,稳定性提高了38%;在TMD控制下,漂浮式风力机平台横荡和横摇降幅明显,其最大值分别降低了29%和45%,稳定性分别提高了18%和41%。

关键词：漂浮式风力机调谐质量阻尼器塔顶位移摇荡特性

新型漂浮式风力机半潜平台抑制摇荡运动设计研究

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中国电机工程学报 2018年第24期38卷 7295-7303页

作者：黄致谦丁勤卫李春韩志伟上海理工大学能源与动力工程学院

漂浮式风力机在海洋环境中易受到风、浪和流载荷作用而影响正常运行,为此设计一种新结构漂浮式风力机半潜平台(新平台),运用水动力学软件AQWA并结合有限元方法,对其在复杂海洋环境下进行数值仿真。并与三浮体三立柱结构半潜平台进行对... 详细信息

漂浮式风力机在海洋环境中易受到风、浪和流载荷作用而影响正常运行,为此设计一种新结构漂浮式风力机半潜平台(新平台),运用水动力学软件AQWA并结合有限元方法,对其在复杂海洋环境下进行数值仿真。并与三浮体三立柱结构半潜平台进行对比分析,得到了两平台频域和时域上的运动响应数据。结果表明:较之三浮体三立柱平台,频域分析中新平台横摇、纵摇及垂荡3自由度响应的最大值和平均值都显著减小,体现了良好的稳定性;新平台的垂荡固有周期增加两倍以上,能更加有效地防止共振现象的发生;时域耦合分析中,新平台横摇、纵摇与垂荡的运动响应大幅度减小,且横摇和纵摇运动响应表现更加明显;谱分析中新平台响应谱峰值同样显著减小,体现了新平台更加优越的波频性能。新平台结构合理可行,拥有良好的稳定性,能有效抑制摇荡运动,可为未来漂浮式海上风力机平台设计提供参考。

关键词：漂浮式风力机半潜式平台极限海况摇荡运动时频域分析运动响应

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新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

热能动力工程 2019年第9期34卷 156-163页

作者：黄致谦丁勤卫李春上海理工大学能源与动力工程学院

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA... 详细信息

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。

关键词：漂浮式风力机张力腿平台系泊系统动态响应附加质量辐射阻尼

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风速时间序列非线性短期预测

热能动力工程 2019年第9期34卷 199-206页

作者：黄致谦丁勤卫李春上海理工大学能源与动力工程学院

针对风速时间序列复杂的非线性特征,根据C-C算法确定重构参数(嵌入维数及延迟时间)并对风速重构相空间,建立径向基函数神经网络(RBF网络)及Volterra自适应预测模型对风速时间序列进行预测,以Lorenz方程数值解为例验证了两种预测方法的... 详细信息

针对风速时间序列复杂的非线性特征,根据C-C算法确定重构参数(嵌入维数及延迟时间)并对风速重构相空间,建立径向基函数神经网络(RBF网络)及Volterra自适应预测模型对风速时间序列进行预测,以Lorenz方程数值解为例验证了两种预测方法的可行性。结果表明:RBF神经网络模型和Volterra自适应预测模型都能对实测风速时间序列进行较为准确的预测,预测误差分别在0.3和0.1 m/s内;Volterra自适应预测模型预测结果总体较RBF神经网络模型预测精度更高,且随着预测时间的增大,预测误差呈增大趋势,这与混沌存在初值敏感性的特征相符。

关键词：风速时间序列非线性短期预测

基于浮式风力机平台的分形特征垂荡板强迫振荡水动力特性

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热能动力工程 2018年第5期33卷 133-140页

作者：黄致谦周蕊丁勤卫李春上海理工大学能源与动力工程学院

垂荡板因其具有增大水动力阻尼及附加质量的优点而广泛应用于海洋工程领域。将分形理论应用于垂荡板的结构设计,提出一种具有分形特征孔的垂荡板,运用Fluent的自定义函数并结合动网格技术对不同垂荡板模型进行数值模拟,研究其水动力特... 详细信息

垂荡板因其具有增大水动力阻尼及附加质量的优点而广泛应用于海洋工程领域。将分形理论应用于垂荡板的结构设计,提出一种具有分形特征孔的垂荡板,运用Fluent的自定义函数并结合动网格技术对不同垂荡板模型进行数值模拟,研究其水动力特性。对比分析了不同振幅下实心、不同分形阶数（透空率）以及规则孔垂荡板的水动力特性,得到了不同垂荡板垂向力时间历程曲线、附加质量系数Cm和阻尼系数Cd以及涡量云图。结果表明：振动周期不变时,随振幅的增大,各垂荡板Cd值随之减小,最终趋于平稳,而Cm值随之增大;比较不同分形阶数时,Cm值随分形阶数增加而减小,Cd值随分形阶数增加而先增大后减小,在分形阶数为二阶时,Cd值最大;相同透空率时,分形孔和规则孔垂荡板Cm值大致相等,分形孔Cd值较规则孔有较大提升,最大提升为17.83%,平均为14.74%。由此可见,较之普通开孔垂荡板,分形特征垂荡板具有优越的性能。

关键词：浮式风力机平台垂荡板分形特征孔动网格附加质量系数阻尼系数