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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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为在优化风电场发电量的同时考虑风力机间复杂的尾流作用,采用偏航控制技术,实现了海上漂浮式风电场总发电量与风力机疲劳载荷的协同优化.首先,分析了偏航角和上游风力机尾流效应对下游风力机塔筒底部平面外弯矩的影响,提出了针对叶轮面风速不均匀分布的线性化降维处理方法.然后,搭建了风力机疲劳载荷预测模型,并结合遗传算法,实现了风电场级偏航控制优化.结果表明,所建立的载荷预测模型误差仅为1.73%.风力机疲劳载荷与偏航角成负相关关系,与风速及湍流强度成正相关关系.即使在已开展布局优化的实际风电场中,风电场级偏航控制技术仍能使其总发电量提升0.3%,同时有效降低疲劳载荷.
海上漂浮式风力机功率优化载荷控制尾流效应偏航控制
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基于螺栓受力特点,提出了外力作用下存在预拉力损失螺栓群先后经历2阶段受力状态,即正常受力和松动状态,其中松动状态为外力完全由螺栓承担,法兰连接刚度将随着松动状态螺栓数量增多而下降明显,导致连接面附近塔筒应变显著变化.针对风力机塔筒连接法兰螺栓具有数量多且难以监测的特点,引入圣维南原理,提出了现场监测螺栓群上方筒壁上、下应变的现场监测方案,即通过确定上、下测点应变比K值曲线脱离点位置及高度h的不同,可实现对螺栓群松动程度的精准识别.有限元分析结果表明:当上、下测点间距大于0.7d(d为塔筒直径)时,塔筒直径上测点应变仅与荷载有关,而与螺栓群松动程度无关,将其视为"等效荷载"不仅可行,而且能与下测点应变同步变化.同时,为提高螺栓群松动程度监测的精度和经济性,建议采用上、下测点错位布置,在有效减少监测点数量的同时,亦可满足监测精度和经济性要求,可供实际工程选用.
螺栓预拉力连接面预压力法兰连接圣维南原理等效荷载
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水平外推不确定性的量化对山地风电场风资源评估至关重要,但目前常用的2种量化方法(基于水平距离和地形加速比的方法与基于空间外推距离和其他综合影响因素的方法)在该地形条件下的适用性尚不明确.为此,本文基于16座山地测风塔的实测数据,开展了水平外推不确定度计算方法在山地风电场的适应性研究.首先,对上述2种方法展开了详细介绍;然后,采用上述方法量化了多种山地风电场工况下的水平外推不确定性,并将计算外推不确定度与Meteodyn WT软件外推目标不确定度进行了对比,从而评估2种方法的适用性.研究结果表明,基于水平距离和地形加速比的方法受地形加速比影响较大,易低估水平外推不确定度,建议避免用于复杂地形;基于空间外推距离和其他综合影响因素的方法受垂直距离影响显著,在垂直距离60～300 m的山地风电场中适用性较好.
山地风电场风资源评估水平外推不确定性适应性研究
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海上风电升压站油浸式变压器长时间遭受盐雾侵蚀、湿气及温度变化等海洋环境因素影响,面临绝缘性能退化与火灾风险攀升的挑战.本文通过模拟海洋环境中热失控演变的具体过程,确定了温度场异常分布、特征气体浓度突增、局部放电能量大幅上升等火灾预警参数的临界数值,构建了包含设备本体耐环境设计、多源信息融合监控、专用灭火装置配置、应急响应流程优化的综合防控体系,并通过性能测试验证了该体系各项技术手段的有效性.
海上风电升压站油浸式变压器火灾防控体系热失控机理智能监测预警
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变桨垂直轴风力机需根据不同运行工况采用不同变桨策略,以改善气动效率与载荷特性,而目前可执行多种变桨策略的试验风力机方案匮乏,制约了叶片变桨技术的工程化.为此,提出并测试了一种叶片独立变桨垂直轴风力机方案.结构上,以集成变桨驱动、支承与监测组件的叶片独立变桨机构为核心,形成了整机结构.控制上,协同叶片方位角识别、桨距角调控及多参数采集的硬件功能,基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)搭建了叶片独立变桨控制系统.风洞试验表明,叶片独立变桨垂直轴风力机可灵活实现多种叶片变桨策略,通过叶片变桨显著提升了气动效率.该工作为变桨策略验证与后续机型优化提供了有效支撑与实践参考.
垂直轴风力机叶片独立变桨变桨机构可编程逻辑控制器控制风洞试验
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"双碳"目标背景下,新能源产业发展迎来重大机遇,"十四五"能源规划即将步入尾声,2025 年是碳达峰阶段性承诺的重要验收阶段.风电市场端,陆上项目建设抢装潮还未完结,海上风电的装机节奏成为新热点,相对于陆上风电而言,海上风能资源丰富,发电能力强大,不占陆地面积且可直接利用海路运输风力发电设备,有利于保障国家安全、优化能源结构、推进低碳转型,是沿海地区实现"双碳"目标的重要依托.有关资料显示,目前中国沿海 11 个省份均已实现海上风电全覆盖.截至 2024 年底,海上风电总装机容量达到 4.127×107 kW.但与陆上风电相比,海上风电如何实现高质量发展,仍是很难突破的问题.以此问题为出发点,就海上风电高质量发展面临的挑战进行了探讨,并提出针对性应对措施.
"双碳"目标海上风电高质量发展应对措施
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为改善风电整机系统稳定性,提出一种基于亚马逊王莲叶脉分形结构的新型半潜式平台,基于数值模拟研究分形特征对平台水动力学性能的影响.结果表明:仿生平台在降低半潜式平台总质量的同时增加其吃水深度,可有效提升半潜式平台稳定性,纵摇响应改善效果最为显著;当分形维数为1.370时,仿生平台可获得最佳动态响应;随着分形维数的增加,仿生平台腔隙结构尺度不断减小,流体壁面黏性效应增强,形成的不同尺度涡旋相互作用,可有效提高波浪能的吸收效果.
海上风力机半潜式平台仿生叶脉分形维数动态响应
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随着风电产业向集群化发展,上游机组尾流引发的多物理场耦合效应已成为影响风电场效益与安全的关键问题.基于美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)的开源软件FAST.Farm,以NREL 5 MW风力机组为研究对象,开展双机布局数值模拟,评估了下游机组在不同布局下的输出功率以及叶根与塔基处的气动载荷及疲劳特性.结果表明,随着左右间距从0.5D增加至1D,机组输出功率提高了约40％,当2台机组左右间距从0D增加值0.5D时,下游机组的疲劳损伤将减小约55％,2台机组左右间距从0.5D增加至1D时,下游机组的疲劳损伤将减小约25％;而随着前后间距的增大,下游机组的输出功率和疲劳损伤分别增加5％～10％和减少15％～25％,输出功率的增幅与疲劳损伤的降幅逐渐放缓,且叶根处受到的疲劳损伤大于塔基处.基于输出功率与疲劳损伤变化规律,提出工程优化方案:在平坦地形中,采用前后间距不小于10D、左右间距不小于1D的布局策略.
风力机FAST.Farm三点式雨流计数法Miner准则疲劳损伤
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针对海上风力机在高频风速扰动和通信资源受限条件下存在的控制效率低与通信负载重的问题,提出了一种基于T-S模糊模型的自适应事件触发控制方法.通过构建不同风速工况下的T-S模糊增量模型,实现对风力机系统非线性动态特性的有效建模.控制器采用状态误差驱动的事件触发机制以降低通信频率.基于Lyapunov稳定性理论,通过求解线性矩阵不等式获得相关增益完成控制器的设计.设计中引入H∞性能指标以提高系统对风扰动影响的抑制能力.仿真结果表明,所设计的控制器能减小阶跃风和湍流风等典型风扰动给系统带来的影响,使风力机功率稳定在一定范围内,同时显著降低系统的通信负载.
海上风力机T-S模糊模型事件触发控制非线性系统线性矩阵不等式
