基于调谐质量阻尼器的漂浮式风力机结构振动控制研究

摘要

随着全球能源消耗的加大及不可再生能源的进一步开采，作为可再生的绿色能源风能受到了极大的关注。目前我国海上风能的开发尚属起步阶段，海上风力发电机组又是一个非常复杂的系统，且造价昂贵，海上风力发电机组的设计和制造面临着巨大的挑战。因此，为了确保海上风电机组的安全可靠运行，本文对海上风力发电机组的振动控制进行研究，提出利用调谐质量阻尼器（TMD）对漂浮式风力机进行振动抑制，减小机组受到的载荷。主要研究内容包括：　　1.对海上风场特征、空气动力载荷和波浪载荷的理论和方法进行了研究，其中气动载荷的计算采用叶素动量理论，水动力载荷的计算采用莫里森方程和势流理论相结合的方法。　　2.对风电机组的系统动力学、漂浮式平台水动力学模型、锚泊系统动力学模型的理论和方法进行了研究，完成了风力发电机组整机建模及模型验证，并且对其进行了仿真计算。　　3.针对 5MW 半潜式风力机的振动控制进行研究，以单纯形遗传算法(SCGA)分别对有行程限制和没有行程限制的调谐质量阻尼器(TMD)的固有频率、阻尼比进行参数优化，探讨经过优化参数后的 TMD 对风力机关键部位位移和载荷的影响。在五种工况下对风力发电机进行动力学仿真分析。仿真结果表明，相较于有行程限制的TMD，施加行程限制后的TMD减振效果变差，但考虑到机舱空间的实际大小，TMD施加行程限制仍有一定的参考意义，且纵向减振效果优于横向减振效果。　　4.以5MW半潜式海上风力发电机为研究对象，基于最小二乘法的系统辨识原理对风力机系统进行辨识，在此基础上设计了基于H∞成型控制器的HMD控制系统，最后在 5 种工况下进行仿真。仿真结果表明：相比于被动控制，本文所设计的HMD系统对各评价指标的抑制效果更明显，同时，在H∞回路控制器的设计过程中，增益系数和反馈系数的选择对控制器鲁棒稳定裕度、控制力、评价指标的抑制率都会产生影响，因此在满足控制器设计要求的前提下，应对这些参数进行合理选择。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 海上漂浮式平台分类

1.2.2 结构控制方法

1.2.3 研究现状

1.3 论文主要内容

2 漂浮式海上风力发电机环境载荷研究

2.1 海上风场特征

2.1.1 海上长期风速

2.1.2 修正的Von.Karman湍流模型

2.2 空气动力学理论

2.2.1 动量模型

2.2.2 叶素模型

2.2.3 仿真结果

2.3 波浪理论

2.3.1 线性波理论

2.3.2 非线性波理论

2.4 波浪载荷理论

2.5 小结

3 漂浮式海上风力发电机力学模型与仿真分析

3.1 引言

3.2 多体系统动力学理论

3.3 漂浮式平台水动力学模型

3.3.1 基本假设与坐标系

3.3.2 水动力学模型

3.4 锚泊系统动力学模型

3.4.1悬链线张紧模型

3.4.2悬链线松弛模型

3.5 风力机多体动力学建模

3.6 仿真结果

3.7 小结

4 风力机振动被动控制及参数优化

4.1 引言

4.2 TMD参数优化

4.2.1 主结构无阻尼模型计算

4.2.2 单纯形编码遗传算法

4.2.3 TMD参数优化结果

4.3 仿真分析

4.4 小结

5 风力机振动混合控制

5.1 引言

5.2 系统辨识

5.2.1 系统辨识理论

5.2.2 系统辨识结果分析

5.3 HMD控制回路设计

5.4 仿真分析

5.5 小结

6 结论及展望

6.1 本论文研究总结

6.2 今后研究展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 学位论文数据集

致谢