基于多场耦合的漂浮式风力发电机组系统动力学建模及仿真分析研究

With the technology of offshore wind turbine design being matured,the construction of offshore wind farms is being developed toward the large-style and large-scale.However,offshore wind farms nearby land is restricted by the wind farm resources and ecological environment.Thus,developing the deep-sea wind power resources is the main direction of the wind power technology.However, unlike the fixed-bottom offshore wind turbine,floating platform of floating wind turbine,under the marine environment loads,has six degrees of freedom,whick may cause strenuous exercise of the wind turbine,on the whole higher the dynamic load. In view of this,the floating wind turbine as the research object,by the developing of offshore wind farms,large-size wind turbine aerodynamics,nonlinear floating platform and mooring system dynamics and the whole system dynamics multi-field coupling analysis model for dynamic analysis of floating wind turbine with cylindrical floating platform.The key to this project is to establish a scientific and rational method,starting from the aerodynamics,wave mechanics,multi-body dynamics theory,and by using numerical calculation, computer simulation and experimental testing techniques,and research and innovate the floating wind power technology.

随着海上风力发电技术的日趋成熟，海上风电场的建设也正在向大型化和规模化发展。然而近海风场受到场址资源和生态环境的限制。因而开发深海风能资源，成为了各国风电技术发展的方向。不同于定桩式近海风电机组，对于深海漂浮式风电机组而言，其浮式基础在海洋环境载荷作用下，具有六自由度，可造成风力机的剧烈运动，对整机产生较高的动载荷。有鉴于此，本项目以漂浮式风力发电机组为研究对象，通过建立海上风场、大尺寸风力机空气动力学、非线性浮式平台和系泊系统动力学以及整机系统动力学的多场耦合分析模型，对圆柱型漂浮式风电机组进行动力学分析研究。该项目的关键在于建立一套科学合理的技术方法，从空气动力学、波浪力学、多体动力学理论出发，利用数值计算，计算机仿真、实验测试等技术手段，对漂浮式风电技术进行研究和创新。

本项目通过建立海上风场、大尺寸风力机空气动力学、非线性浮式平台和系泊系统动力学以及整机系统动力学的多场耦合分析模型，进而对以深海风力发电机组为研究对象的多柔性体系统动力学理论和多场耦合机理展开研究。从空气动力学、波浪力学、多体动力学理论出发，利用数值计算，计算机仿真、实验测试等技术手段，建立一套科学合理的技术方法，为深海风电技术的发展奠定理论和技术基础。本项目主要做了以下工作：.（1）研究了海上风场的变化规律，针对于目前广泛使用的Von.karman随机功率谱的不足，分别采用修正Von.karman和Mann随机功率谱表示风速随时间的随机变化，建立不同点的风速互相关函数，通过逆Fourier变换得到风轮叶片上随时间变化风速时间历程。分别给出了叶素动量理论模型、固定尾迹模型以及自由尾迹模型三种空气动力学模型。.（2）通过建立浮式平台水动力学模型和锚泊系统动力学模型，并将耦合的水动力载荷与气动载荷加载到该漂浮式风电机组多柔体动力学的模型上，在ADAMS环境下进行风力机结构动态仿真分析。以某NREL5MW基本型数据，对漂浮式风电机组系统动力学模型进行仿真，并对发电机输出功率，叶尖在风轮面内与面外的位移以及浮式平台的摇荡位移进行分析。.（3）建立了风电齿轮传动系统的动力学模型，考虑风载和齿轮系统设计参数的随机性，利用随机抽样法和Runge-Kutta法求解了系统的动态响应，经统计分析得到各齿轮传动件动态啮合力的统计特征。根据雨流计数原理，将各齿轮传动件动态啮合力的时间历程转化为一系列变幅疲劳载荷谱，采用Geber二次曲线等效方法计算得到了相应的等效应力幅值和频次。.（4）提出了一种新的漂浮式风力发电机独立变桨控制方法，使用改进的基于记忆的优化控制策略，来有效的减小非对称气动载荷和平台的振动。分析及仿真结果表明，改进的控制策略对于减小包含倾斜运动及偏航运动在内的疲劳载荷具有更好的性能，同时，增强了系统的稳定性和可靠性。.（5）介绍了一种基于转速-电流双闭环控制系统的神经元自适应PID控制算法，用于飞轮储能单元的控制，并应用李亚普诺夫稳定性理论证明了该控制算法的普适性和有效性。