基于主动结构振动控制的海上漂浮式风力机载荷抑制方法研究

Deep sea offshore wind energy has become a hot topic in global renewable energy research area. It has many advantages, such as high wind speed with small turbulence, close to the electricity load center, without using land space etc. However, floating wind turbines deployed in deep sea regions will suffer from high extreme and fatigue loads, which will strongly affect the design life of the turbine structures. In front of this problem, structural control methods, which have been extensively used in skyscrapers and long bridges against strong winds and earthquakes, provide a promising solution. Their load reduction effectiveness heavily lies on their structural control strategies. Thus, this project proposes to conduct active structural control design for load reduction of floating wind turbines. During the control design, nonlinearities in physical systems, such as elastic modes, model uncertainties, input saturation, and stroke limitation, will be studied. At the same time, multi-objective control design will be performed with energy consumption and load reduction both considered. Besides, finite-frequency method will be used in the active structural control synthesis. At last, numerical simulations and tank experiment will be performed in order to test the load reduction effectiveness of the proposed control algorithms, aiming to provide both theoretical and experimental basis for the active structural control design of offshore floating wind turbines for load reduction.

深海风能具有风速大湍流小、离用电中心近且不占用陆地等优点，近年来已经成为全球可再生能源研究领域的热点。然而，适用于深海的漂浮式风力机在工作中会产生大幅增加的极限载荷与疲劳载荷，严重影响了风力机的工作性能和使用寿命，是设计漂浮式风力机的首要考虑因素。面对此关键问题，广泛用于高楼桥梁防风抗震工作中的结构振动控制方法能够为漂浮式风力机提供一种直接有效的载荷抑制方式，而其中的控制策略直接决定了载荷抑制的效果。因而，本项目旨在为海上漂浮式风力机设计主动结构振动控制策略以有效降低关键部位的结构载荷，在控制设计中完成对弹性模态、模型不确定性、控制输入饱和、控制装置行程受限等工程非线性问题的分析，实现同时考虑能量损耗与载荷抑制的多目标最优控制设计，提出基于有限频域分析的控制算法，并最终通过不同工况下的数值仿真与水池试验来验证控制策略的有效性，为海上漂浮式风力机的结构振动控制载荷抑制方法奠定理论与试验基础。

深海风能具有风速大湍流小、离用电中心近且不占用陆地等优点，近年来已经成为全球可再生能源研究领域的热点。然而，适用于深海的漂浮式风力机在工作中会产生大幅增加的极限载荷与疲劳载荷，严重影响了风力机的工作性能和使用寿命，是设计漂浮式风力机的首要考虑因素。面对此关键问题，广泛用于高楼桥梁防风抗震工作中的结构振动控制方法，以及波浪能装置与漂浮式风力机结合的方法被应用到漂浮式风力机上以实现载荷抑制，且其中的控制策略直接决定了载荷抑制的效果。因而，本项目进行了海上漂浮式风力机主动结构振动控制及波浪能混合发电装置控制设计，有效地降低关键部位的结构载荷。在控制设计中完成对主动结构振动控制的弹性模态、模型不确定性、控制输入饱和、控制装置行程受限等工程非线性问题的分析，实现同时考虑能量损耗与载荷抑制的多目标最优控制设计，提出基于有限频域分析的控制算法；对波浪能装置的功率优化、平台降载的多目标控制设计进行了分析。并最终通过不同工况下的数值仿真与水池试验验证了控制策略的有效性，为海上漂浮式风力机的载荷抑制方法奠定了理论与试验基础。.在本项目支持下，项目组在基金执行期间共发表SCI检索论文6篇（其中1篇论文为ESI 前1%高被引论文，单篇论文最高影响因子15.9），2018年-2020年项目相关论文共被SCI他引72次。同时，出版英文专著1章节（IET出版社），并授权国家发明专利3项。.此外，以本项目内容为研究基础，与英国Heriot-Watt University合作获批国家自然科学基金国际（地区）交流合作项目1项，获批浙江省自然科学基金-华东院联合基金1项。.在学生培养方面，在本项目支持下共指导本科毕业设计3人，硕士研究生3人，作为副导师协助指导博士生2 人。基于本项目的漂浮式风力机缩尺模型，指导的硕士生毛百进获得浙江大学“海潮杯”科技创新竞赛二等奖。.