海流发电机组载荷控制机理研究

To analyze correctly and alleviate effectively the unsteady dynamic load of the long-term operation tidal current turbine is a fundamental scientific issue as well as an engineering question for the tidal current turbine. This project will study the comprehensive load effects caused by the different factors and the load control mechanism. The generalized load calculation model will be presented, with considering the coupling of the abruptly vibrating load and the steady load, the operation status of the turbine, and the fluid-structure interaction, which can provide the basis for the design parameter and the control strategy. The idea of dynamic load control through active pitch control, adding damping in the transmission, etc. is presented based on the online mathmatical model of the turbine and condition monitoring technology. The control strategy will be optimized to realize the power optimal tracking and load reduction. In order to verify the correctness of the load analysis and the load control methods, considering the harsh enviroment for the dynamic load measue of the turbine, the multiple spot strain gauge and the non-contacting displacement measure methods were prented to measure the load and will be carried out in the test. Through this project, a new method to improve the reliability of the tidal current turbine will be formed.

正确分析并通过有效控制来降低海流能发电机组载荷不仅是海流能发电机组需要解决的基础性科学问题，同时也是具有重要研究意义的工程问题。本项目拟对海流能发电机组不同成因载荷的产生机理、载荷作用规律及载荷主动控制技术进行研究。提出突发性冲击载荷、“常规内在”性载荷与机组运行状态相耦合条件下的广义载荷计算模型，为机组设计参数和控制策略的确定提供可靠依据；提出基于海流能发电机组在线数学模型和在线状态监测技术、并运用主动变桨控制、传动链加阻尼控制等手段实现对机组动态随机变化载荷主动调节的新思路，通过优化控制策略降低机组载荷并保证机组的功率捕获效率。为有效验证载荷分析及其主动控制的有效性，结合海流能发电机组恶劣环境下动载荷测量难的问题，提出机组多点应力直接测量和非接触式位移检测等效载荷间接测量方案，并拟对其进行试验研究。通过项目研究有望形成提高海流能发电机组设计及运行可靠性的新方法。

海流能发电是国际上可再生能源领域的研究热点，本课题对海流能发电装备复杂海工况条件下的载荷机理及控制方法进行研究。主要完成了以下工作：（1）基于叶素动量理论、坐标变换完成了叶轮载荷模型的建立，运用该模型对120kW和650kW海流能发电装备进行了载荷分析；（2）对运用独立变桨控制技术实现潮流能发电装置的非对称载荷控制、运用传动链加阻尼降低冲击载荷等载荷控制方法进行了研究；（3）开展了基于无线传输的载荷在线测试方法研究和基于平台姿态法的海流能发电机组间接载荷测试方法的研究，并完成了海上实海况测试。项目部分研究成果被应用于项目组研制的系列化示范机组上，取得了良好的效果。项目研究发表SCI、EI论文9篇，申请发明专利9项（其中授权5项），授权使用新型专利1项。并先后获得教育部科技进步一等奖、国家海洋局海洋科技一等奖、中国可再生能源学会科技进步二等奖各一项。项目研究形成的载荷分析方法、控制方法及载荷测试方法对于提高海流能发电装备设计及运行的可靠性具有重要意义，可以为后续中大型海流能发电机组的产业化运行提供有力的技术支撑。