海上漂浮式风力发电机组偏航运行动态特性及控制策略研究

Wind turbine yaw can more effectively capture wind energy. However, for offshore floating wind turbines, the smooth operation is very important during yaw process. Thus, the kinematic coupling between the yaw actuating mechanism on the top of the tower and the floating platform at the bottom is employed to be the research main line. The research object is to grasp the dynamic characteristics, optimize system parameters, and design reasonable control strategy. In this project, joint model of wind load and wave load will be constructed and the yaw mechanism of wind turbines will be analyzed. The load transfer model from the wind rotor, the yaw mechanism to the floating platform will be constructed, and the overall stability of wind turbines will be analyzed during yaw operation. By analyzing the dynamic coupling mechanism between the yaw actuating mechanism and the floating platform, the mechanical-electrical-fluid coupling dynamic model of wind turbines will be established including the yaw mechanism with multiple driving sources. By analyzing the dynamic response and stability of yaw mechanism and wind turbines under strong disturbance of wind speed and wind direction, the control parameter relationship and matching law will be researched between the yaw motion control and floating platform sway control. A control mode, in which both the yaw control and the floating platform control are closed loop and cooperative, will be presented and the matching method of adaptive parameter optimization will be sought under multiple conditions. This can form novel yaw operation control method and realize the yaw stability in the future.

风力发电机组偏航对风旨在更有效捕获风能，而对于采用漂浮式平台的海上机组，偏航过程中引发的平稳性问题必须高度重视。项目以海上漂浮式风力发电机组塔架顶部偏航执行机构与底部漂浮式平台之间耦合关系为主线，开展运行动态特性、参数优化与控制策略研究工作。研究过程从偏航状态风、波联合载荷特性分析出发，探寻偏航运行物理机制，构建从风轮、偏航机构到漂浮式平台的机组载荷传递模型，分析偏航运行机组整体稳定性；深入分析塔架顶部偏航执行机构与底部漂浮式平台之间动态耦合机制，建立含多驱动源偏航机构的风力发电机组机、电、液耦合动力学模型；分析风速风向强扰动下偏航机构和风力发电机组动态响应及稳定性，研究机舱偏航运动控制与漂浮式平台摇荡控制参数关系和匹配规律；提出偏航执行机构、漂浮式平台运动控制双闭环协同的模式，寻求两者控制参数自适应优化策略，形成偏航运行控制新方法，实现未来海上漂浮式风力发电机组偏航稳定运行。

面向海上漂浮式风电机组偏航安全运行的现实需求，通过理论分析、数值仿真、现场数据和实验相结合的方式展开相关研究工作。提出了一种基于叶根应变测量的风电叶片载荷识别方法，建立了应变与叶片载荷之间关系模型。开展了机组偏航状态下的性能特性CFD仿真分析，获得了偏航对叶片气动载荷的影响特征。分析了漂浮式风电机组载荷来源及其传递特征，构建了三浮筒漂浮式机组多重载荷及运动分析模型，将运动过程划分为平动和转动的组合，采用递进迭代求解的方式实现了平动与转动的耦合求解。建立了包含多驱动源、多级变速传动和液压制动子系统的多源驱动偏航系统耦合模型，并将其集成于风电机组整机模型中，获得了偏航系统性能特性。基于已有风场SCADA数据，对风电场风资源特性、能量输出、功率波动、变桨距特性和状态识别等风电机组运行机制进行了分析。从偏航角与偏航系数的基本定义出发，提出了偏航系数计算模型，利用SCADA数据分析了偏航系数与风电机组输出功率之间的关系。开展了风载作用下以及风波载荷联合作用下漂浮式平台偏航运行稳定性控制策略研究，以机组偏航载荷传递模型、漂浮式平台运动基本方程为基础，探讨并设计了压舱水水位调节策略，计及了压舱水调节对漂浮式平台转动惯量的影响；设计了漂浮式平台姿态调节控制器，观测了运行过程中漂浮式平台压舱水水位、浮筒间高度位置差以及漂浮式平台转角位置、转动角速度和角加速度等的变化情况；讨论了偏航速度和水位调节速度等对漂浮式平台姿态行为的影响，为参数优化提供了理论依据。开发了海上漂浮式风电机组实验模型，研制了相应的稳定性控制系统，进行了漂浮式平台稳定性控制实验研究。通过项目研究，形成了对海上漂浮式风电机组偏航运行机制的新认识，为实现海上漂浮式风电机组稳定运行提供了参考依据。项目已发表高水平论文12篇，其中SCI10篇，SCI/EI收录21篇次；申请专利7项（已授权4项），软件著作权1项，培养博士、硕士研究生10人（已毕业3人）。