极端风浪载荷激励下的海上漂浮式风力发电机组结构振动控制研究

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随着风电技术的不断发展,固定式海上风机在近海海域的可发展面积不断接近饱和,为了捕获更丰富的海上风资源,在超过50m水深的海域,海上漂浮式风电机组将是比固定式更经济可行的选择。长期工作在复杂多变的恶劣海洋环境中,机组结构更容易受到极端风浪联合激励的影响,造成机身频繁振动,甚至导致结构破坏,严重影响风电机组的安全。为了降低海上漂浮式风电机组在遭受极端风浪联合激励下引起的结构振动和受载情况,提高其运行可靠性,有必要建立整机动力学模型,对海上漂浮式风力发电机组结构振动控制进行研究。本文主要内容为:(1)分析了海上漂浮式风力发电机组的基本结构组成,根据各结构间相对铰接关系,构建整机系统拓扑关系图;基于Euler-Bernoulli梁建立了含柔性叶片和塔筒的海上漂浮式风力发电机组整机系统多体动力学模型,对整机模态进行求解,得到各阶固有频率和模态振型。(2)对柔性体结构在极端阵风作用下的受载情况以及机组在极端风浪载荷作用下的动态响应进行了分析,结果表明:极端运行阵风主要影响叶根和塔底纵向弯矩,极端方向变化阵风主要影响塔底侧向弯矩;在极端风浪联合作用下,引起机组结构振动的主要响应频率对应平台纵摇频率。(3)基于极端外部环境载荷影响,研究了不同强度极端风浪联合激励下调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)对整机振幅和结构受载抑制效果,结果表明:在风机运行状态下,随着外部环境载荷激励强度的增加,TMD对结构振动抑制率明显提高,对平台纵摇标准差抑制率最高达到43.5%;在风机泊机状态下,TMD也能有效降低极端环境载荷对机组的影响。(4)考虑了机组易发生的结构故障,研究了变桨机构发生故障卡死时,TMD在机组故障发电和故障停机过程对振动控制的影响,结果表明:在机组故障状态下,TMD依然能起到较好的控制效果,特别是在故障停机状态下对平台纵摇标准差抑制率达到62.8%。
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