浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)荷載及振動控制研究進(jìn)展

蓋霞

摘 要：本文通過浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)所受風(fēng)荷載及其振動控制研究進(jìn)行了分析總結(jié)，分析了目前荷載計(jì)算方法及振動控制方法的有效性及合理性，對今后風(fēng)荷載模擬方法選用及振動控制方面的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電機(jī);風(fēng)荷載研究;振動控制分析;發(fā)展展望

1 引言

目前海上風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)主要集中在歐洲。近年來，北美、亞洲各國也加入到海上風(fēng)電的開發(fā)行列，使得海上風(fēng)電的研究更加深入。雖然我國擁有豐富的海上風(fēng)能資源，但海上風(fēng)電進(jìn)展遲緩，技術(shù)尚不完備。由于海上風(fēng)電相比于陸上風(fēng)電，所處環(huán)境更為復(fù)雜，面臨大風(fēng)、海浪、潮汐、海嘯以及地震等災(zāi)害的侵?jǐn)_，海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)朝著單機(jī)容量大型化、發(fā)電機(jī)組設(shè)備技術(shù)化、風(fēng)場區(qū)域深?；内厔莅l(fā)展。面對新的發(fā)展趨勢，淺海域風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)展已經(jīng)不能滿足風(fēng)能發(fā)展的要求，海上風(fēng)電場將進(jìn)軍深海領(lǐng)域，因此浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景愈加廣闊。

本文結(jié)合國內(nèi)外研究成果，總結(jié)了浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用荷載及在其振動控制方面的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)研究現(xiàn)狀對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的未來研究問題進(jìn)行了展望。

2 浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)荷載研究

空氣流動變產(chǎn)生風(fēng)，風(fēng)的強(qiáng)弱用風(fēng)速表示。通常認(rèn)為瞬時風(fēng)速由平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分組成。受海面粗糙度的影響，平均風(fēng)速沿高度存在變化，該變化規(guī)律稱為平均風(fēng)速梯度或者風(fēng)剖面。一般用指數(shù)率或?qū)?shù)率描述平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律。脈動風(fēng)則具有隨時間和空間變化的隨機(jī)性，通常假定其為具有零均值的平穩(wěn)高斯隨機(jī)過程時間序列。其性能可用功率譜密度函數(shù)和相干函數(shù)來描述。功率譜密度函數(shù)可以反映脈動風(fēng)中不同頻率風(fēng)速對應(yīng)的能量分布規(guī)律，水平脈動風(fēng)速譜主要有Davenport譜、Kaimal譜和Harris譜等，豎向脈動風(fēng)速譜有Panofsky-McCormick譜、Lumley-Panofsky譜等。在時域中脈動風(fēng)的相關(guān)性一般用相關(guān)函數(shù)來表示，相關(guān)函數(shù)分為自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)。頻域中脈動風(fēng)的相關(guān)性一般用相干函數(shù)來表示，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和實(shí)測表明，相干函數(shù)是一條指數(shù)衰減曲線。

風(fēng)荷載是海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)最主要的荷載，主要包括塔體風(fēng)荷載和葉輪風(fēng)機(jī)荷載。塔體風(fēng)荷載計(jì)算較為簡單，其表達(dá)式為：

式中 為空氣密度，為有效迎風(fēng)面積，為塔身阻力系數(shù)，為瞬時風(fēng)速。

目前，葉輪風(fēng)機(jī)荷載的理論計(jì)算方法主要有葉素-動量（BEM）理論、渦流理論和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論。

Ingram等[1]運(yùn)用葉素動量理論對風(fēng)力渦輪葉片進(jìn)行了分析，并指出理論不僅用于分析，同樣適用于設(shè)計(jì)。Lanzafame等[2]建立并改進(jìn)了基于葉素動量理論的風(fēng)機(jī)數(shù)值模型，并將數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)吻合較好。Duan等基于葉素動量理論，分析和計(jì)算正常運(yùn)行時作用在葉片上的載荷，并利用有限元軟件ANSYS對葉片進(jìn)行應(yīng)力分析，得到其應(yīng)力分布。Sebastian等開發(fā)了一個自由渦流模型代碼，并進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可用于海上浮動風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動力學(xué)研究。

目前，浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)荷載作用下的動力響應(yīng)主要通過有限元軟件進(jìn)行模擬，由于理論計(jì)算方法選擇各有差異，模擬的精確度也是各不相同，浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)作用荷載理論有待于深入研究，具體的荷載計(jì)算公式，耦合方法，載荷模擬程序等都需要精細(xì)化研究。

3 浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動控制研究

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)在各種頻譜特性不同的環(huán)境激勵以及本身發(fā)電機(jī)偏置等因素作用下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐系統(tǒng)有發(fā)生共振的可能，使得支撐系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生疲勞，縮短壽命。因此風(fēng)機(jī)能否處于正常工作狀態(tài)，主要由支撐系統(tǒng)在各種動荷載作用下的剛度與穩(wěn)定性決定，盡管調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的參數(shù)和機(jī)艙質(zhì)量能夠調(diào)整各自剛度避開共振作用，但是由于復(fù)雜的激勵作用風(fēng)機(jī)頂部的振動仍需用過耗能減振措施來控制。

Enevoldsen等[3]通過引入質(zhì)量阻尼器來降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的動態(tài)響應(yīng)和解決疲勞載荷的問題。Hirayama等[4]提出了一種用于減少波浪運(yùn)動的氣動式主動控制裝置，適用于大型浮動式結(jié)構(gòu)（VLFS），通過控制空氣罐內(nèi)的氣壓來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)運(yùn)動和偏轉(zhuǎn)的主動控制。邱錦英[5]針對1.5MW和2.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分析，提出采用了在轉(zhuǎn)矩控制中增加阻尼頻率的方法來抑制傳動鏈的扭曲振動，并在槳距角控制中引入一微擾阻尼來減小塔架前后的振動。

從目前研究情況來看，振動控制的形式十分單調(diào)，以傳統(tǒng)的TMD與TLCD為主，而振動控制又是比較重要的一個方面，也是未來海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究的大趨勢。目前SMA彈簧已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)，考慮結(jié)合TMD提出新的振動控制裝置，并將其應(yīng)用到輸電塔結(jié)構(gòu)中，利用有限元軟件ANSYS實(shí)現(xiàn)輸電塔在SMA-TMD下的振動控制。結(jié)構(gòu)形式不同，原理相同，SMA-TMD的研究思路以及研究方法同樣可以應(yīng)用到海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中。

4 總結(jié)與展望

浮動式海上風(fēng)電機(jī)逐漸進(jìn)軍深海領(lǐng)域，作為一種清潔能源，也是未來海上風(fēng)電的大趨勢。目前國內(nèi)僅有少數(shù)幾個團(tuán)隊(duì)在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究方面有所涉及，很多有關(guān)海上風(fēng)電的研究領(lǐng)域幾乎空白，總結(jié)國內(nèi)外研究成果，認(rèn)為在以下幾個方面值得關(guān)注：

1）關(guān)于各種海洋環(huán)境荷載的作用形式、組合方式、頻譜模型以及相應(yīng)的參數(shù)取值，耦合荷載的實(shí)現(xiàn)方式（編程實(shí)現(xiàn)）也是研究重點(diǎn)，提出合理的模擬方法與理論模型，作為有限元模型的激勵荷載。

2）目前，關(guān)于浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動控制方面的研究鮮有涉及，提出合理的控制策略，研發(fā)新型減振裝置。振動控制同樣可以結(jié)合浮動式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)，將減振裝置應(yīng)用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ停锌嘏c無控結(jié)果作對比，驗(yàn)證減振裝置的有效性與合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]Ingram G.Wind turbine blade analysis using the blade element momentum method.version 1.0[J].School of Engineering，Durham University，UK，2005.

[2]Lanzafame R，Messina M.Fluid dynamics wind turbine design：Critical analysis，optimization and application of BEM theory[J].Renewable energy，2007，32（14）：2291-2305.

[3]Enevoldsen I，M?rk K J.Effects of a vibration mass damper in a wind turbine tower[J].Journal of Structural Mechanics，1996，24（2）：155-187.

[4]Hirayama T，Ma N.Dynamic response of a very large floating structure with active pneumatic control[C].The Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference.International Society of Offshore and Polar Engineers，1997.

[5]邱錦英.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動分析及加阻控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.