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基础运动对漂浮式风电机组齿轮箱传动系统附加激励的影响

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机械工程学报 2023年第1期59卷 35-49页

作者：谭建军朱才朝李浩宋朝省董晔弘重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 中国船舶重工集团海装风电股份有限公司重庆401122 重庆大学电气工程学院重庆400044

风电齿轮箱传动系统是漂浮式风电机组中传递力与运动的关键传动装置,受到频繁的基础运动影响,振动特性复杂。提出一种适用于非惯性坐标系下六自由度基础运动与含公转/自转运动构件六自由度振动位移的耦合建模方法,并利用集中参数法和拉... 详细信息

风电齿轮箱传动系统是漂浮式风电机组中传递力与运动的关键传动装置,受到频繁的基础运动影响,振动特性复杂。提出一种适用于非惯性坐标系下六自由度基础运动与含公转/自转运动构件六自由度振动位移的耦合建模方法,并利用集中参数法和拉格朗日方程建立了风电齿轮箱传动系统动力学模型,分析了基础运动对构件产生的附加激励以及振动响应影响。研究结果表明:基础运动会对传动系统中构件产生时变的附加参数激励,这些附加激励的特征频率主要以系统自身特征频率与基础运动频率及其倍频的组合频率为主;作用在构件上的附加激励幅值与纵荡、纵摇基础运动幅值及其频率呈现非线性关系,纵荡、纵摇基础运动的幅值越大、频率越高,附加激励中纵荡与纵摇运动之间的耦合效应也愈明显;基础运动会增大构件的径向与轴向振动响应,使其出现与基础运动频率相关的特征频率。

关键词：漂浮式风电机组风电齿轮箱传动系统基础运动动态响应

TLP型漂浮式风电机组叶片载荷控制策略研究

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TLP型漂浮式风电机组叶片载荷控制策略研究

作者：张鹏波沈阳工业大学

学位级别：硕士

风电作为主要清洁能源的发展势头迅猛,目前已成为世界第三大能源。随着路上风资源区的开发殆尽以及风电行业的不断发展,海上风电备受关注,深海漂浮式风电机组将成为海上风电发展的方向。海上漂浮式风电机组单机容量大,系统模型复杂,风... 详细信息

风电作为主要清洁能源的发展势头迅猛,目前已成为世界第三大能源。随着路上风资源区的开发殆尽以及风电行业的不断发展,海上风电备受关注,深海漂浮式风电机组将成为海上风电发展的方向。海上漂浮式风电机组单机容量大,系统模型复杂,风轮尺寸大,同时其运行环境复杂多变,增加了叶片的疲劳载荷,尤其是叶根部载荷。因此,有必要对漂浮式风电机组叶根部载荷进行控制研究。本文选TLP型漂浮式风电机组作为研究对象。首先考虑到海上机组运行环境的复杂性,对风况和海况进行了分析;其次,在传动风电机组的基础上结合TLP型漂浮式基础的特点,建立了海上风电机组-漂浮式基础-系泊系统动力学模型;最后,重点研究了漂浮式风电机组叶片载荷及其控制,提出通过对风电机组桨距角控制来改善叶片根部载荷,为后续的研究提供了理论基础。针对TLP型漂浮式风电机组运行过程中桨距角的变化对叶根部载荷产生的影响,提出了一种基于塔架振动反馈的桨距角PID控制方法。将风电机组的塔架振动变量引入基于PID的统一变桨控制系统中,产生桨距角增量,反馈给桨距角控制系统,用于调节桨距角。仿真结果表明本文所设计的控制器可以使得桨距角变化能够更好的降低叶根部载荷。针对海上TLP型漂浮式风电机组在运行过程中因桨叶受力不均匀而导致的叶片振动,提出了一种基于模糊独立变桨的叶根部载荷控制方法。首先,结合空气动力学原理并线性化机组模型后,同时对叶片产生的不平衡载荷及Coleman变换展开研究。其次,结合模糊逻辑控制策略,多个模糊逻辑控制器和Coleman变换得到统一变桨角度和最优桨距角信号增量,通过叠加上述两个变桨角度以获取不同叶片所需的变桨角度,实现变桨控制。仿真结果表明相比于传统的统一变桨控制,减小了机组叶片根部所受力矩,优化了机组叶片载荷控制策略。

关键词：漂浮式风电机组塔架反馈减载控制独立变桨距控制叶根部载荷

平台运动对漂浮式风电机组叶片气弹特性的影响研究

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平台运动对漂浮式风电机组叶片气弹特性的影响研究

作者：郭翼泽华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着全球气候变暖日益严重,世界各国都在推进能源供给由化石能源向可再生能源转型。风电作为当前规模化利用广泛的可再生能源发电方式,具有良好的发展前景和研究价值。海上风电因其风资源丰富、噪声影响小等特点,成为当今风电发展的方... 详细信息

随着全球气候变暖日益严重,世界各国都在推进能源供给由化石能源向可再生能源转型。风电作为当前规模化利用广泛的可再生能源发电方式,具有良好的发展前景和研究价值。海上风电因其风资源丰富、噪声影响小等特点,成为当今风电发展的方向。风电向深远海发展的进程中,漂浮式平台显示出其成本优势,得到了更多的关注。漂浮式风电机组的运行受到风浪流的耦合作用,存在平台多自由度运动,对机组运行产生显著影响。同时,随着风电机组不断大型化,叶片长度增长,柔性增加,研究平台运动对于机组气动性能与叶片气弹特性的影响具有重要的意义。在本文中,首先基于计算流体力学方法研究多种复杂条件下浮式平台多自由度运动对风电机组气动性能的影响。以NREL 5MW风电机组为研究对象,研究了平台纵摇与纵荡运动在多种初始相位差条件下耦合,纵摇与纵荡运动不同频率耦合,以及纵摇纵荡横摇三自由度平台运动耦合时机组的气动性能,结果表明,当平台纵摇与纵荡运动以同相位耦合,功率和推力的变化最剧烈。初始相位差导致不同工况之间功率和推力曲线发生平移,功率和推力的波动减小。初始相位差对瞬时功率的影响比对瞬时推力的影响更大。平台纵摇运动和纵荡运动以不同频率耦合时,功率和推力的波动变得更加剧烈。平台纵摇、横摇、纵荡三种运动耦合时,横摇使峰值功率降低,平均功率相较于纵摇,纵荡两自由度耦合降低。从截面的气动载荷方面,横摇对中外叶展的气动载荷影响较小,对内叶展的影响较大。在气动性能分析的基础上,建立基于计算流体力学与有限元方法的双向流固耦合模型,研究平台运动下的叶片气弹特性。在考虑叶片柔性时,研究多种平台运动对机组总体性能与叶片形变与振动特性的影响。结果表明,考虑叶片柔性后,无平台运动时,总体气动性能与假设叶片刚性的结果相差较小,而推力略微增加。当浮式平台以较小幅值和频率运动,机组平均功率小幅下降,平均推力小幅增加,考虑叶片柔性后总体性能产生一个较小的滞后相位差。随着平台运动幅值和频率的增加,平均功率和推力显著下降,总体性能的波动减小,滞后相位差增加。平台运动幅度较小时,叶片等效应力与叶尖位移的主频表现为平台运动与风轮旋转频率的耦合,平台运动幅度较大时,等效应力与叶尖挥舞位移的主频为平台运动频率。平台运动使叶片表面等效应力发生波动,中叶展较内叶展更容易受到平台运动的影响。

关键词：漂浮式风电机组平台运动流固耦合气动性能叶片气弹特性

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10MW级漂浮式风电机组叶片气弹特性研究

10MW级漂浮式风电机组叶片气弹特性研究

作者：白雪峰华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

能源结构转型推动了可再生清洁能源的快速发展。风电作为可再生能源的重要组成部分,具有广阔的发展前景与研究价值。海上风资源丰富,海上风电成为风电行业发展的重点。随着海上风电向深远海发展,漂浮式基础体现出成本优势,漂浮式风电机... 详细信息

能源结构转型推动了可再生清洁能源的快速发展。风电作为可再生能源的重要组成部分,具有广阔的发展前景与研究价值。海上风资源丰富,海上风电成为风电行业发展的重点。随着海上风电向深远海发展,漂浮式基础体现出成本优势,漂浮式风电机组成为发展方向。漂浮式风电机组在运行过程中下会产生多自由度运动,并且随着风电机组大型化,叶片长度不断增加,多自由度运动会极大地影响了大型风电机组叶片的气弹稳定性。因此,研究大型漂浮式风电机组叶片的气弹特性具有重要意义。漂浮式风电机组在风浪流的耦合作用下存在平台六自由度运动,包括纵荡、横荡、垂荡三种平动以及纵摇、横摇、艏摇三种旋转运动,其中纵摇和纵荡运动的影响最大,同时伴随海上多变的风况,叶片的气动特性和结构动态响应非常复杂。基于自由涡尾迹法与模态法进行了数值模拟,研究了平台多自由度运动下DTU 10MW风电机组叶片的气弹特性。为了可以清晰比较单个平台运动对叶片气弹特性的影响,将浮式平台的纵摇、纵荡简化为给定的正弦函数。通过与叶素动量理论（BEM）、广义动态尾流方法（GDW）以及计算流体力学方法（CFD）的对比,验证了所采用方法的可信度。研究了均匀来流条件下,不同振幅和频率的平台纵荡、纵摇运动以及两者之间耦合运动下风电机组的总体性能,分析了截面气动载荷以及叶片的弹性变形。结果表明:平台纵荡-纵摇耦合运动下,风电机组叶片的气弹特性主要受平台纵摇运动影响;平台运动会显著增大叶尖的非线性变形,振幅和频率越大,叶尖变形越剧烈,且叶尖挥舞变形大于叶尖摆振位移变形;叶片的弹性会降低风电机组的平均功率输出和所受平均推力,且功率和推力波动较平台运动存在一定的相位滞后。大气边界层会对海平面以上的垂直风速分布产生作用,改变风剪切来流下的风廓线形状,这种改变会影响风电机组叶片的气弹特性。计算了不同剪切因子的剪切风与平台纵荡、纵摇运动耦合作用下风电机组叶片的气弹特性。研究表明,与均匀来流相比,剪切来流与平台运动的耦合减小了风电机组平均功率与推力输出,并且减小幅度随着剪切因子的增大而增大;平台纵摇运动下,风剪切效应主要影响叶片中外叶展的受力,且叶片切向力系数曲线的波谷变化缓慢,在各截面均出现了切向力载荷平台;剪切来流会加剧叶片挥舞方向的变形幅值,对摆振方向的形变无显著影响,风电机组在实际运行环境中通常会面临各种复杂的非稳态条件,来流风的多变性对风电机组气弹特性的影响起着关键性作用。建立能够反映真实的大气层风况特性的湍流风速场。研究了不同湍流强度的湍流风与平台运动耦合作用下,风电机组的总体性能、叶片截面气动载荷以及叶尖的弹性变形。研究表明,与均匀风工况相比,剧烈湍流风与平台纵摇运动的耦合会降低风轮的平均功率,剧烈湍流风与平台纵荡的耦合会增大平均功率;平台运动与不同湍流强度的湍流风耦合作用会使柔性叶片内叶展的气动载荷波动紊乱;平台运动和湍流风的耦合作用对叶尖挥舞变形的影响更大,摆振变形受湍流风的影响较小。

关键词：漂浮式风电机组平台运动风剪切湍流风气弹特性

平台运动对漂浮式风电机组气动功率和推力的影响研究

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风机技术 2022年第2期64卷 39-47页

作者：白雪峰王晓东赵庆旭潘其云戴丽萍叶昭良华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室华能集团清洁技术研究院有限公司

漂浮式风电机组存在平台六自由度运动,使得风电机组气动特性的非定常性显著。本文采用自由涡尾迹法对NREL 5MW风电机组的气动特性进行了模拟。为了能清晰比较单个平台运动对气动性能的影响,将浮式平台的纵摇、纵荡以及横摇运动简化为给... 详细信息

漂浮式风电机组存在平台六自由度运动,使得风电机组气动特性的非定常性显著。本文采用自由涡尾迹法对NREL 5MW风电机组的气动特性进行了模拟。为了能清晰比较单个平台运动对气动性能的影响,将浮式平台的纵摇、纵荡以及横摇运动简化为给定的正弦函数,研究了不同振幅的平台纵荡、纵摇、横摇运动以及两者和三者之间耦合运动下风电机组的气动功率和推力变化。结果表明:浮式平台的运动会导致风电机组功率和推力的波动,平台纵摇运动影响最大,横摇运动的影响最小;较剧烈的耦合运动会显著增加平均发电量;平台三自由度耦合运动中,增大纵荡振幅可以增大平均功率输出,并减少平均推力。

关键词：漂浮式风电机组纵摇横摇纵荡自由涡尾迹功率推力

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基于状态空间的漂浮式风电机组控制策略研究

太阳能学报 2021年第6期42卷 337-341页

作者：黄国燕朱敏明阳智慧能源集团股份公司中山528437

在保证漂浮式风电机组正常发电、可靠运行的前提下,以降低机组的载荷和浮动基础的运动幅度为设计目标,研究基于状态空间理论的多输入多输出控制算法。结合线性二次型调节器(LQR)最优算法的设计,寻找风电机组发电性能和浮动平台载荷两者... 详细信息

在保证漂浮式风电机组正常发电、可靠运行的前提下,以降低机组的载荷和浮动基础的运动幅度为设计目标,研究基于状态空间理论的多输入多输出控制算法。结合线性二次型调节器(LQR)最优算法的设计,寻找风电机组发电性能和浮动平台载荷两者之间的平衡,实现最优设计。通过扰动跟踪控制(DTC)与扰动适应控制(DAC)的方法实现转矩与变桨控制设计,并采用FAST软件进行仿真。与传统比例积分微分(PID)控制策略对比,有效降低塔底及漂浮式基础载荷;状态空间控制更能反映机组内部的耦合,可为后续漂浮式控制算法升级应用提供设计平台。

关键词：漂浮式风电机组状态空间多输入多输出漂浮式基础载荷线性二次型调节器

漂浮式风电机组动力学耦合建模与智能变桨控制方法

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漂浮式风电机组动力学耦合建模与智能变桨控制方法

作者：李飞龙长沙理工大学

学位级别：硕士

当海洋水深超过50m时,传统固定式基础的海上风电机组成本将显著提高,漂浮式基础的出现成为解决这一问题的有效途径。由于漂浮式结构的特殊性,风轮、机舱、塔架、漂浮式基础及系泊系统之间的相互耦合,将产生随机集中应力,增加支撑结构的... 详细信息

当海洋水深超过50m时,传统固定式基础的海上风电机组成本将显著提高,漂浮式基础的出现成为解决这一问题的有效途径。由于漂浮式结构的特殊性,风轮、机舱、塔架、漂浮式基础及系泊系统之间的相互耦合,将产生随机集中应力,增加支撑结构的疲劳载荷,影响漂浮式风电机组的安全运行。此外在受到风、海浪、海流及系泊等各类环境载荷影响时,漂浮式风电基础将会产生复杂的运动响应,影响漂浮式风电机组输出功率的稳定。为保证漂浮式风电机组安全运行和输出功率的稳定,该文对漂浮式风电机组动力学耦合建模与智能变桨控制方法进行了研究。该文详细介绍了国内外漂浮式风电机组的研究现状,确定了该文的研究内容和各章节的结构安排。采用平均风速、脉动风速、塔影效应及尾流效应建立了漂浮式风电机组的风载荷模型,在此基础上分别对塔架风载荷和桨叶风载荷进行了计算。在计算桨叶风载荷时,考虑风电机组实际运行状态,对叶素动量理论进行了修正。从海浪、海流及系泊3个方面对漂浮式风电机组的水动力载荷进行了建模,在计算海浪载荷时,对于小尺度的海洋构件,可采用莫里森公式,当构件直径大于0.2倍的海浪入射波长时,需采用三维线性势流理论。海流模型的建立可采用挪威船级社的经验计算公式,在计算海流载荷时可使用粘性流体阻力的计算方法。以悬链线系泊系统为例,采用准静态的方法,通过导缆孔的位置求解了漂浮式基础发生位置偏移时的系泊载荷。将漂浮式风电机组简化到4个坐标系下进行描述,以NREL-5MW风电机组和OC3-Hywind漂浮式基础及其系泊系统组成的漂浮式风电机组作为研究对象,考虑各部件之间的动态耦合效应,采用牛顿-欧拉法建立了漂浮式风电机组动力学耦合运动模型,得到了漂浮式平台运动下的有效风速和风能转换效率。在此基础上研究了风载荷和浪载荷对漂浮式风电机组动力学耦合动态响应的影响。通过Coleman坐标变换的方法,将轮毂坐标系下作用于桨叶根部的不对称弯矩,转换为固定坐标系下的俯仰和偏航弯矩。在此基础上,提出了一种基于蚁群算法的独立变桨控制方法,蚁群算法用于动态优化PID控制器参数。考虑传统蚁群算法搜索效率低、质量差等问题,采用最优-最劣蚂蚁系统对其改进,得到了更适用于漂浮式风电机组的蚁群PID独立变桨控制方法。在FAST和Matlab/Simulink的联合仿真下对该控制方法的有效性进行了验证。

关键词：漂浮式风电机组环境载荷动力学耦合独立变桨控制蚁群算法

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海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析

中国机械工程 2016年第1期27卷 32-40,45页

作者：刘德顺刘子其戴巨川龙辛湖南科技大学湘潭411201 海上风力发电技术与检测国家重点实验室湘潭411102

以海上大型漂浮式风电机组三浮桶式支撑结构为对象,考虑风波联合作用,借助叶素-动量理论和线性波理论,联合风载荷和波浪载荷模型构建了风波联合载荷模型。计算过程中,考虑了风电机组不同的运行工况,依据浮桶直径与波长的比值来确定波浪... 详细信息

以海上大型漂浮式风电机组三浮桶式支撑结构为对象,考虑风波联合作用,借助叶素-动量理论和线性波理论,联合风载荷和波浪载荷模型构建了风波联合载荷模型。计算过程中,考虑了风电机组不同的运行工况,依据浮桶直径与波长的比值来确定波浪载荷适用的计算模型(Morison理论与绕射理论);得到了不同工况、不同环境参数和结构参数条件下的载荷结果,分析了风波载荷的变化特征。

关键词：漂浮式风电机组风波载荷叶素-动量理论线性波理论

复杂风浪联合作用下张力腿漂浮式风电机组载荷智能控制研究

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复杂风浪联合作用下张力腿漂浮式风电机组载荷智能控制研究

作者：李欣中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)

学位级别：硕士

目前,中国海上风电发展方兴未艾,但仅限于近海区域,近海风电影响渔业、海军和通讯。在机组越做越大、可开发浅海风资源越来越少的大趋势下,逐渐成熟的深水漂浮式基础结合大功率容量机组无疑是海上风电未来发展的重点方向。相比陆上和固... 详细信息

目前,中国海上风电发展方兴未艾,但仅限于近海区域,近海风电影响渔业、海军和通讯。在机组越做越大、可开发浅海风资源越来越少的大趋势下,逐渐成熟的深水漂浮式基础结合大功率容量机组无疑是海上风电未来发展的重点方向。相比陆上和固定基础机组,漂浮式风力机的载荷更加复杂。基础6个自由度的多频段运动给流场带来更大扰动,易与风力机多体动力学模型产生共振,降低零部件疲劳寿命;另一方面,深水平均风速更大,风轮尺寸变大,载荷增加。为了降低发电成本,保证机组全生命周期安全可靠地运行,降载势在必行。而目前用于漂浮式风力机的载荷控制方式主要仍是变桨。变桨技术惯性大,动作慢,不能有效地适应载荷控制的局部性、随机性和快速性的要求。“智能叶片”开始受到广泛关注。它的基本思想是通过传感器、执行器和控制器的组合装置来实现局部气动表面的变形。柔性尾缘襟翼(DTEF,Deformable Trailing Edge Flap)作为公认的最有前景和最有可能商业化的一种智能叶片概念,目前应用到陆上及固定基础机组上的降载有效性已被广泛证明。因其控制对象是气动载荷,将其应用到漂浮式风电机组的效果预期可观,但DTEF目前应用到漂浮式风力机的研究资料甚少。为进一步推动DTEF实现工业应用,围绕大型海上漂浮式风电机组载荷智能控制的研究具有必要性和紧迫性。以张力腿式(TLP,Tension Leg Platform)UpWind/NREL 5 MW 风电机组为研究对象,采用FAST8/AeroDynl4开源代码,结合自主开发的基于DTEF的载荷智能控制系统,搭建了气动-水动-伺服-弹性仿真平台,选取IEC 61400-3标准中DLC 1.2和DLC 1.4分别考察DTEF对TLP漂浮式风电机组的疲劳和极限载荷控制的能力。沿着载荷传递路径分析发现:DTEF不仅能有效控制叶片、传动链和塔架的载荷,还能抑制叶片、塔架变形和基础震荡。此外,在额定风速以上DTEF的辅助变桨作用缓解了变桨系统的磨损,同时降低了发电机转速、扭矩和功率的波动。具体来说,在DLC 1.2工况下,经DTEF控制后主要零部件载荷的波动可降低20%～35%,基础横荡和艏摇的振动最大降低了 23%和40%。而DLC 1.4工况下,叶根挥舞力矩和叶尖挥舞方向变形波动幅度最大可减小50%,塔架扭矩和艏摇波动最大降低了 45%。关于DTEF控制效果的原因也做了相关分析。DTEF通过改变翼形的弧度和边界层压力分布从而改变升阻力与攻角的关系,使得气动载荷的波动减小。从机理层面讲,DTEF的变形引入额外的气动阻尼削弱了气弹耦合的同步性。而主要由重力和惯性力引起的以及波浪主导的物理量的变化不超过5%。另外,由于DLC 1.4中风向变化以及偏航控制的作用,仿真后期波浪方向与机组轴向(风向)几乎垂直,这导致最后阶段DTEF控制对基础运动均产生了负面影响。本文的研究为漂浮式风电机组以及DTEF控制器的设计提供了理论指导。在基础横荡和纵荡方向出现了较大的共振响应,基础自然频率应避免风和波的主要能量频率范围,或在选址时考虑风和波在频域的能量分布。未得到有效控制但量级很大的物理量如纵荡和塔基俯仰力矩,可以考虑改变传感器输入信号进行多目标全方位控制或采用更先进的控制策略,如模型预测控制算法。

关键词：漂浮式风电机组张力腿基础智能叶片控制柔性尾缘襟翼疲劳和极限载荷