2刘纲_可再生能源风能.pdf

1、第十九届中国可再生能源大会团队成员：杨庆山、刘纲、雷振博、文明玉、崔腾达、夏玉婷、周力行海上风力机有限单元多体耦合动力学仿真方法及振动控制性能研究2024.08.17汇报人：刘纲目 录Contents1研究背景2PSTMD阻尼器振动控制方法3结论及展望4风力机多体动力学耦合仿真方法01 研究背景1.1 社会背景风电是落实“双碳”目标、一带一路和海洋强国等国家战略的重要途径 2020年，习总书记在联合国大会上宣布中国2030年碳达峰、2060年碳中和目标。风能是零污染、零排放的可再生能源 我国风机装机容量世界第一每年潜在风能1.8万亿千瓦时全国半年煤炭发电量20亿吨标准煤海陆风机装机量变化趋势7

2、0米高平均风速050000单位:万千瓦陆地风机海上风机1.2 工程背景欧洲海上风电起步早，近远海均已商业化应用，我国远海风电尚处于示范探索阶段国外深远海风电国内深远海风电首个钢筋混凝土风机Ideol Floatgen首个模块化轻型漂浮式风机Tetra Spar首个漂浮式风电场Hywind Pilot Park首个半潜式风电场Windfloat Atlantic三峡“引领号”示范项目5.5MW，水深29.2m海装“扶摇号”示范项目6.2MW，水深65.0m海油“观澜号”示范项目7.25MW，水深120m南日岛“风渔融合”示范项目4MW，水深约40m1.2 工程背景风机塔架是保证海上风电安全运行的

3、关键，在严苛环境下易异常振动而带来系列后果 漂浮式 风浪耦合 气弹耦合 刚柔耦合应用由陆向海环境由简到繁易疲劳损伤发电效率低机组破坏快异常振动台风地震单机容量大：2MW 18MW叶轮直径大：185m塔架成本占比大:10%35%深远海机理复杂高柔低频结构环境湍流控制运行荷载叶片结冰风机尾流波浪基础特性土壤特性微生物生长土壤冲刷洋流船舶影响海洋冰载潮汐1.3 关键问题环境湍流控制运行荷载叶片结冰风机尾流波浪基础特性土壤特性微生物生长土壤冲刷洋流船舶影响海洋冰载潮汐强耦合导致模型特征关联，控制参数难以解析耦合效应强，仿真难度大风力机结构由系泊-平台-塔筒-机舱及叶片集合而成，是刚柔多体强耦合体系多荷

4、载激扰诱发多频响应，控制频带难以覆盖激扰荷载多，振动频带宽除需抵抗风力-波浪-地震等外激振动，还需承受叶轮旋转致使的自激振动非平稳阻尼致使复杂振动，控制装置难以调谐阻尼波动大，平稳控制难风力机系统气动阻尼随风速变化而大幅波动，机组振动响应非平稳特征强叶轮旋转风荷载波浪荷载地震作用1.4 工程要求及措施DNVGL-ST-0437IEC 61400-1规范要求考虑气动-水动-运行荷载联合引起的疲劳强度问题机组设计共振穿越1P/3P内源激励自振动跳转速风速利用率低外源激励受迫振动偏航变桨伺服控制功率跳变非平稳电压输出实现超高风力机塔架的增稳抑振，是保障其安全运行的重大课题02 风力机多体动力学耦合仿

5、真方法2.1 常见仿真软件介绍Bladed由英国Garrad Hassan&Partners Ltd开发，后被DNV收购。作为目前风力机设计软件中的领头羊，大部分的风电整机厂商均采用Bladed进行整机仿真载荷分析。DNV Bladed气动:叶素动量理论+广义动态入流理论（ye 或 Pitt-Peter 理论）；水动:势流理论解结合 Morison方程。最新版本支持多浮体水动力问题；结构:早期版本采用模态叠加法（每个自由度可考虑3个模态）。现在采用多体动力学方法，element之间采用弹簧-阻尼器表示。由美国可再生能源实验室开发的风力机一体化仿真开源软件，2016年之前称为FAST，https

6、:/ OpenFAST气动:自由涡尾迹+广义动态入流理论+叶素动量理论；水动:Morison方程+势流理论解，v3.0支持多浮体水动力；结构:模态法（叶片/塔架），几何精确梁（叶片，可考虑大变形时的几何非线性问题），线性有限元梁方法（基础）。目前成熟商业软件的多体动力学仿真工具以考虑低阶振型的模态法计算为主2.2 仿真软件开发的必要性机头偏航机头偏航Y叶轮旋转叶轮旋转叶片旋转叶片旋转D传动轴扭转传动轴扭转机舱内机组调扭矩机舱内机组调扭矩叶片变桨叶片变桨p0叶片变桨叶片变桨机舱偏航机舱偏航叶片叶片机舱机舱塔筒塔筒海床海床浮体平台浮体平台支撑结构系泊系泊艏摇艏摇垂荡垂荡横荡横荡纵荡纵荡横摇横摇纵摇