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漂浮式海上风机动力响应及振动抑制分析

漂浮式海上风机动力响应及振动抑制分析

作者：高宇中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

随着可再生能源领域的发展和日益增长的能源需求,需要开发大型漂浮式海上风机(FOWT),以实现大规模可再生能源发电。大型浮式海上风机的负载和响应特性更加复杂,为了了解浮式风机的运动特性以避免破坏性响应,研究浮式海上风机的运动和动... 详细信息

随着可再生能源领域的发展和日益增长的能源需求,需要开发大型漂浮式海上风机(FOWT),以实现大规模可再生能源发电。大型浮式海上风机的负载和响应特性更加复杂,为了了解浮式风机的运动特性以避免破坏性响应,研究浮式海上风机的运动和动力响应特性并分析其振动抑制方法十分重要。此外,对于解决我国海上能源问题,推动我国海上可再生能源领域的发展也具有十分重要的意义。本次工作结合流体动力学分析及数值模拟方法对漂浮式海上风机进行了频域和时域内的系统研究,主要工作内容如下:(1)针对漂浮式海上风机的载荷类型进行相关理论分析,推导了叶素-动量理论公式以用于气动载荷的求解;针对波浪载荷,根据不同类型浮式结构分别对莫里森方程和三维势流理论进行分析推导,另外考虑不规则波的影响,对常用的两种不规则波谱进行了分析讨论。(2)考虑浮式海上风机的系泊影响,对半潜浮式风机进行水动力学频域分析,在选定主要机型后,利用ANSYS/AQWA软件对半潜浮式平台的水动力学系数,即附加质量、辐射阻尼、幅值响应算子以及一阶波浪激振力进行了系统分析,得到了各自由度上水动力学参数频域响应特性。(3)利用得到的水动力学系数,结合Open FAST仿真程序,对半潜浮式风机进行时域分析。在无外载,并给予初始扰动的情况下,进行自由衰减运动分析,修正了浮式风机的固有频率和刚度矩阵;考虑流载荷和系泊载荷,多角度分析了半潜浮式风机的运动和动力响应特性,所得的结果很好的反映出不同载荷情况下浮式风机的时域响应特性。(4)根据浮式风机的运动响应特性进行振动抑制分析,采用机舱-塔架被动阻尼结构,对被动阻尼结构的相关参数进行了分析并验证其有效性;根据典型工况,对带有被动阻尼结构的浮式风机的响应特性进行对比分析。本次研究基于AQWA软件和Open FAST仿真程序,提出了完整的漂浮式海上风机频域和时域分析方法,并进行了相应的振动抑制分析。结果表明,大型漂浮式海上风机的运动响应更为复杂,应着重关注浮式风机纵荡和俯仰方向上的运动;被动阻尼结构能够有效的抑制漂浮式海上风机的振动响应。

关键词：漂浮式海上风机水动力学分析动力响应 OpenFAST 振动抑制

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

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动力工程学报 2024年第4期44卷 607-615页

作者：张艳峰杨锡运王忻哲华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206

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... 详细信息

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。

关键词：海上风电漂浮式海上风机无模型自适应控制转矩-变桨协调控制

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面向降载的漂浮式海上风机变桨距控制技术

上海电机学院学报 2022年第5期25卷 271-276页

作者：陈殿辉徐曼如朱政洪炫宇李建国(指导) 上海电机学院电气学院上海201306 国网上海奉贤供电公司上海201400 三峡新能源海上风电运维江苏有限公司大丰项目部江苏盐城224008

为了降低风浪联合作用下由漂浮式海上风机的平台垂荡运动和叶尖位移引起的载荷,以NREL-5MW基础风机和OC4-DeepCwind漂浮式平台为研究对象,提出了一种基于卡尔曼滤波算法的改进单神经元PI独立变桨距控制技术。通过OpenFAST-Matlab/Simul... 详细信息

为了降低风浪联合作用下由漂浮式海上风机的平台垂荡运动和叶尖位移引起的载荷,以NREL-5MW基础风机和OC4-DeepCwind漂浮式平台为研究对象,提出了一种基于卡尔曼滤波算法的改进单神经元PI独立变桨距控制技术。通过OpenFAST-Matlab/Simulink联合仿真,结果表明:相较于PI统一变桨距和方位角权系数独立变桨距控制技术,提出的独立变桨距控制技术在一定程度上缓解了浮式平台的垂荡运动,降低了漂浮式海上风机叶尖位移的振幅。

关键词：漂浮式海上风机卡尔曼滤波算法改进单神经元PI算法独立变桨距控制技术

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10MW级半潜漂浮式风机的动力响应

船舶工程 2021年第10期43卷 1-9,43页

作者：施伟薛瑞宁侯晓彬修昊张礼贤大连理工大学建设工程学部辽宁大连116024 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

选取新型钢筋混凝土结构OO-Star半潜浮式风机平台展开研究,采用ANSYS/AQWA建立半潜浮式基础的水动力数值模型,研究该平台的水动力性能。同时建立水动力-锚泊系统耦合数值模型,开展10 MW级大型海上漂浮式风机在风浪作用下的动力响应研究... 详细信息

选取新型钢筋混凝土结构OO-Star半潜浮式风机平台展开研究,采用ANSYS/AQWA建立半潜浮式基础的水动力数值模型,研究该平台的水动力性能。同时建立水动力-锚泊系统耦合数值模型,开展10 MW级大型海上漂浮式风机在风浪作用下的动力响应研究。结果表明,OO-Star半潜浮式风机平台水动力性能优异,且在不同风浪荷载环境作用下,运动响应以及锚泊系统的张力响应较为合理,未来必将在大型海上漂浮式风机的开发领域占有一席之地。

关键词：漂浮式海上风机水动力荷载数值分析动力响应

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大型海上风机的非线性水动力特性研究

大型海上风机的非线性水动力特性研究

作者：曾昕萌大连理工大学

学位级别：硕士

随着我国2030年碳达峰,2060年碳中和的国家战略提出,大力发展可再生能源是应对气候变化,减少碳排放的重要手段之一。我国拥有极其广阔的海域,大力发展海上风能,能够极大的缓解我国能源分布格局,对于我国能源结构的调整具有十分重要的意... 详细信息

随着我国2030年碳达峰,2060年碳中和的国家战略提出,大力发展可再生能源是应对气候变化,减少碳排放的重要手段之一。我国拥有极其广阔的海域,大力发展海上风能,能够极大的缓解我国能源分布格局,对于我国能源结构的调整具有十分重要的意义。我国近海海域水深较浅,波浪非线性较强,极端台风巨浪天气频发,对海上风机的结构安全和长时间稳定运行带来了不容忽视的挑战。传统的势流理论对于强非线性波浪载荷存在严重的低估,无法考虑非线性波浪与结构相互作用的问题。本论文基于计算流体力学方法,通过水池实验验证数值模型,研究强非线性波浪(高阶陡波、破碎波、聚焦波)与大型海上5MW单桩式、漂浮式风机相互作用的水动力特性。本论文首先对国内外研究现状进行了简单的回顾,并介绍了本课题研究的背景及意义,研究内容和研究方法以及涉及的基础理论。本文主要研究工作和创新成果如下:(1)通过对比不同湍流模型,为求解斜坡上单桩波浪力和波浪爬高提供了合适的数值湍流模型。(2)探究了不同形态破碎波浪与单桩风机作用的水平波浪力、各阶能量分布、二次循环荷载以及波浪压强对单桩的影响分布。揭示了破碎波浪对单桩风机的高阶谐次载荷分布及变化。(3)采用相位控制谐波分解方法,对比研究了有/无破冰锥的单桩风机高阶谐次波浪力的变化以及高阶谐次波浪爬高沿单桩的分布,从波浪的谐次分布揭示了波浪沿单桩爬高的运动机理。(4)探究了不同波陡的聚焦波浪与半潜风机作用的水动力载荷、平台运动以及锚链力。揭示了聚焦波浪作用下平台的低频载荷以及低频运动共振响应,采用相位控制谐波分解方法研究了高阶谐次波浪载荷,研究了聚焦波浪对平台产生的瞬态效应。

关键词：单桩式海上风机漂浮式海上风机破碎波聚焦波相位控制谐波分解方法非线性水动力