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为解决风力机运行振动影响结构安全性及风力机发电效率的问题,设计了一阶电涡流调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)方案,并通过现场实测研究风力机振动特性及 TMD 减振效果.基于塔架一阶模态简化的单自由度模型设计了风力机塔架 TMD减振装置,并在运行风力机上进行了安装与现场实测,对比了 TMD关闭与开启状态下风力机的正常停机、异常停机、环境风振动及叶片限转频工况下塔顶的振动响应特性,分析了各工况的实际减振率,评估了 TMD对不同工况的减振效果.结果表明:塔架顶部的振动频率在其一阶模态频率附近,其速度响应轨迹呈椭圆状,塔顶两个正交方向的速度响应有一定的相关性;TMD开启后正常停机工况下等效阻尼比提升 2.5 倍以上,振动响应标准差(standard deviation,STD)减振率超过 41%;环境风振动工况下振动响应 STD减振率大于 56%;叶片限转频工况下,TMD减振效果会随着转频而变化,部分转频下没有减振效果.总体而言,TMD可明显提升运行风力机的阻尼比并抑制风力机振动,但叶片在目标控制频率的±10%左右转动时一阶 TMD会没有减振效果.
风力机塔架调谐质量阻尼器现场实测减振效果
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随着陆上风机轮毂高度提升至 200 m 级,传统机械式测风塔已难以满足 200 m 以上高度风资源评估需求.本文依托山地、丘陵、平原 8 个激光雷达测风站点的逐 10 min 时间序列数据,系统分析200 m 及以上高度风切变指数 α 的垂直分布、区域差异、大气稳定度耦合特征及时空变化规律,并结合180～240 m超高轮毂高度风机开展风资源评估与多场景经济性分析.研究表明,300 m高度内豫鄂地区风切变随高度呈"快速递减—趋于平缓"两阶特征,而陕西风切变垂直变化更稳定;大气稳定度随高度升高趋于不稳定,陕西部分山地出现强湍流风切变;通过经济性分析,确立了以α=0.175为经济性判定阈值,高风切变区域(α≥0.175)200 m及以上高塔架可显著提升项目收益率,临界风切变区域(α≈ 0.175)需结合具体成本电价精细比选,低风切变区域(α<0.175)应选用低塔架方案.研究结果可为风电项目投资决策、高塔风机选型与风资源精细化管理提供支撑.
激光雷达测风风切变高塔架风机风资源评估经济性评价
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针对大型风电机组塔架在机组运行过程中易出现振动以及现有加阻算法无法适应其动态过程非线性的问题,本文提出了基于谐振补偿的改进自抗扰控制塔架减振算法.首先,分析了塔架的受力及运动方程,得到塔架振动的动态特性和影响塔架振动动态特性的关键因素.其次,通过设计基于谐振补偿自抗扰控制器的桨距减振控制算法,整定相应的控制参数来抑制塔架的前后振动.最后,在 NREL 5 MW 高保真风电机组模型上对控制算法进行测试,通过对比分析可知,本文方法和传统加阻算法相比,能够进一步降低塔架的振动和载荷波动,并且算法具有更强的鲁棒性和抗扰性.
大型风电机组塔架R-LADRC振动载荷
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漂浮式风力机常位于深远海,受台风侵袭频繁,运动状态复杂且台风下风浪流耦合显著,其载荷分析十分困难,为此该文提出一种台风场景下基于风浪流一体化模拟的漂浮式风力机多部件差异化载荷分析方法.首先,针对台风发展过程中存在快速且剧烈的能量交换,风浪流海况难以准确模拟的问题,提出有限体积法海洋模型、海浪模拟模型、天气研究与预报模型;其次,针对漂浮式风力机受不同环境因素作用,导致各部件承受载荷的多样性,构建一种考虑多环境因素差异化影响的漂浮式风力机多部件载荷预测模型;此外,考虑到外部环境载荷对内部部件传递影响的耦合关系,基于 Paris 模型推导外部载荷对于齿轮机械载荷的传导机制,建立漂浮式风力机内外多部件联合可靠性分析模型.算例仿真表明,叶片、塔架与齿轮所受载荷对风速和风向的变化最为敏感,系泊张力受波浪的影响更为明显,受海流的影响较小;风速变化对于各部件可靠度均有较高影响.
漂浮式风力机风浪流耦合台风载荷预测
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基于钢-混凝土混合塔架已成为高轮毂风电机组的主流支撑结构,其门洞区域与钢-混凝土连接段作为受力最复杂、最薄弱的 2 个关键部位,其可靠性直接决定整个塔架系统在全生命周期内的安全性与耐久性.该文以某风电场 131.4 m 高混凝土塔段为例,采用有限元分析软件完成精细化模型建立,对门洞与连接段进行承载力极限状态下的弹塑性静力进行研究.研究结果表明,钢-混凝土塔架承载能力极限状态下,混凝土塔架局部区域主应力超出混凝土强度设计值.钢-混凝土混合塔架的门洞区域第一主应力超限区域均与环向呈较小角度,可通过增加环向配筋和斜向钢筋来提高抗拉承载力;第三主应力超限区域可以通过提高混凝土标号来提高该位置的承载力.连接段内侧截面变化位置混凝土第一主应力较大,为提高结构安全性,设计时可在该位置适当增加径环向构造钢筋以实现更优抗力.
钢-混凝土门洞连接段极限承载有限元分析
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为研究不同孔型对海上风力机分形防护装置性能影响,基于非线性动力学理论,运用LS-DYNA模拟了5000 t船舶以2 m/s速度撞击4 MW单立柱三桩基础海上风力机碰撞过程.通过分析动能耗散、接触力、系统损伤和塔顶动态响应等指标,得出如下结论:传统三角形孔防护装置动能耗散率最低,而矩形孔动能耗散率最高;在3种防护装置保护下,塔架均产生了一定程度的塑性应变,其中三角形孔塑性应变最小,而矩形孔最大;在塔顶动态响应方面,三角形孔和圆形孔整体数值相近,但三角形孔最大响应值略低于圆形孔,而矩形孔塔顶动态响应相对更加显著.因此,三角形孔分形防护装置具有最佳综合防护性能,能实现更高水平的安全保障.
海上风力机碰撞防护装置分形船舶
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地震作用下,漂浮式海上风力机体系的结构响应会发生显著变化.以某5MW漂浮式海上风力机为研究对象,采用有限元方法进行了风力机体系在叶片最不利停机位置工况下4种水平与竖向地震波(EL-Centro波、Taft波、人工合成波及反应谱)作用塔架、叶片、浮筒及拉索响应差异化分析.研究结果表明:塔架内力值中反应谱大于地震波数值,水平与竖向地震作用下塔架典型内力沿高度呈现先减小后增大趋势;水平地震作用对叶片位移极值的影响依次为:反应谱＞人工合成波＞Taft波＞EL-Centro波,竖向地震作用对位移极值的影响依次为:反应谱＞Taft波＞EL-Centro波＞人工合成波;水平与竖向地震对浮筒环向轴力分布的影响较小,对子午向轴力分布模式的影响显著;拉索轴力受水平地震控制,3种水平地震波作用下拉索轴力大小依次为:人工合成波＞Taft波＞EL-Centro波,各拉索轴力大小依次为:拉索3＞拉索1=拉索2.
漂浮式海上风力机水平地震竖向地震参振模态
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为研究单摆悬吊式调谐质量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMD)对海上风力机在风浪载荷联合作用下的减振效果,以 NREL 5 MW单桩式海上风力机塔架为研究对象,通过 Abaqus 有限元软件建立单摆悬吊式 TMD 塔架模型,基于 Davenport 风速谱和 Mrision方程模拟得到风与波浪载荷时程曲线,并采用 MATLAB 对 TMD 的参数进行优化,得到 TMD 的最优频率比和阻尼比.为分析 TMD 的减振效果,利用数值模拟方法对风力机塔架进行风浪载荷联合作用下的动力学分析.结果表明:单摆悬吊式 TMD 装置能够显著降低由风浪载荷共同作用引起的风力机塔顶振动,当 TMD 固有频率与塔架一阶固有频率接近时,通过优化阻尼系数和质量比等参数,使塔架顶部的位移减小了 17.2%,加速度减小了24.2%.
海上风力机塔架风浪载荷调谐质量阻尼器塔架减振数值模拟
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尾流效应会导致风电场出现功率损失,但现有主动尾流控制存在造成风电机组额外机械载荷的风险.针对这一问题,该文结合鲸鱼优化算法与自适应模型预测控制,提出场站-机组协同的主动尾流和机组载荷双层控制方案,场站层通过主动尾流控制改变尾流方向,机组层面则在指定偏航角的前提下,利用桨距角和转矩的二自由度控制,完成功率提升和载荷抑制.考虑到机组偏航状态下二自由度控制的复杂性,设计模糊推理机制,根据机组运行模态和环境变化实现模型预测控制的自适应调参.仿真结果表明,对比传统单机最大功率点跟踪控制方案,所提方案在较大风速范围内具有提升风电场出力水平5.03%～7.87%,同时实现站内机组塔架和主轴的载荷抑制.
风电场尾流风电机组增效降损双层控制自适应调参
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基于六自由度运动控制平台,开展附加垂荡运动的漂浮式模型风力机风洞实验研究,探究不同垂荡幅值和频率对风力机塔顶载荷特性的影响规律.结果表明:塔顶载荷波动主要由运动惯性载荷和气动载荷变化主导,其中低频段主要受垂荡频率及其倍频调制,高频段则具有明显的风轮旋转频率及其倍频特征;小幅值运动时,气动载荷影响更为显著,叶片受尾涡干扰明显,适当增大垂荡幅值可有效削弱塔顶载荷波动强度;宏观上,垂荡运动的幅值和频率越大,塔顶载荷波动越剧烈;值得注意的是,在工程应用中需重点关注极端工况下垂荡频率倍频与风轮旋转频率耦合效应带来的潜在共振风险.
载荷风洞塔架漂浮式风力机垂荡运动
