超大型半潜式海上风机伺服-被动调谐联合控制策略研究

The combination of floating platform and extra-large offshore wind turbines (OWT) such as 10MW scale is an inevitable choice to consider the economics of exploiting deep sea wind energy. The dynamic coupling characteristics of the structural system composed of the mooring lines, the floater, the tower and extra-large turbine are significant, which include in the coupling of the environment loads, the vibration mode coupling, the aero-elastic and the hydro-elastic coupling, the control and the structural reaction coupling. The project intends to combine the theoretical analysis, numerical calculation and physical model test. Based on a coupled aero-hydro-servo-elastic model for floating OWT, the dynamics mechanism and control strategy of the extra-large semi-submersible OWT system will be studied in detail. The coupling dynamic characteristics of the semi-submersible OWT are revealed. Considering joint servo control and passive vibration control, a multi-scheme control strategy of turbine operation, floater motion and structural vibration is put forward to realize the efficient and safe operation of the semi-submersible OWT. A model test method for the semi-submersible OWT is proposed to validate the multi-scheme joint control strategy. The project has important scientific significance in the coupled dynamic analysis theory in deep sea floating offshore wind engineering, and has important application value in floating structure safety evaluation and control strategy.

从深海风能资源开发的经济性考虑，浮式基础结构与超大型（如10MW级）风力发电机的结合是必然选择。由锚链-浮体-塔筒-超大型风机构成的浮式结构系统动力耦合特性显著，体现在风浪等环境荷载耦合，振动模态耦合，气弹性和水弹性耦合，控制系统与结构反应的耦合。项目拟联合运用理论分析、数值计算及物模动力实验等手段，基于浮式风机的气动-水动-控制-弹性的耦合分析模型，对超大型半潜式海上风机结构系统的动力学作用机理和控制策略开展深入研究。揭示半潜式风机的耦合动力特性；提出风机伺服控制和结构被动控制的多方式联合控制策略，实现半潜式海上风机高效和安全运行；提出浮式风机结构系统的动力模型试验方法，验证联合控制策略的有效性。项目对揭示深海风能工程中浮式结构系统的耦合动力特性方面具有重要科学意义，在半潜式风机结构安全和运行控制策略方面具有重要应用价值。

浮式风力机服役环境恶劣，结构形式复杂，特别是对于超大型风电机组和中等水深海域，尚缺少半潜浮式风力机基础设计方案。另外，随着风力机单机容量增加，其多体多场耦合动力行为机理异常复杂，同时其一体化综合设计和动力学优化控制更极具挑战，成为限制浮式风力机快速发展的技术瓶颈。因此，针对浮式风力机独特的服役环境和结构特征，提出了一型适用于中等水深的10MW半潜浮式风力机基础设计方案，并对该浮式基础刚体运动的固有周期、稳性、水动力性能以及结构强度进行了校核，据此提出了一套完整的超大型半潜浮式风力机基础概念设计流程；建立了浮式风力机系统“气动-水动-控制-弹性”多学科耦合数值计算模型，分析了高阶非线性波浪力效应、水弹性效应以及叶片变桨故障作用对超大型半潜浮式风力机耦合动态响应的影响规律，揭示了超大型半潜浮式风力机运行过程中能量捕捉机制、运动响应特征以及载荷演变机理；针对浮式风力机多变量耦合控制以及控制发散难题，设计了10MW半潜浮式风力机扭矩和变桨距控制器，提出了适用于超大型半潜浮式风力机的机电伺服-被动多目标联合控制策略，评估了机电伺服-被动联合控制的减振性能，解决了超大型风电装备效率、载荷与稳定性等综合性能平衡匹配的问题；针对浮式风力机试验模型因“尺度效应”所引起的傅汝德数和雷诺数相似准则不匹配问题，采用轻质低雷诺数的碳纤维模型叶片，并设计了用于水池试验的模型风力机机舱、弹性塔架、刚性浮式平台、锚链以及被动TMD减振装置，开展了多工况下的水池模型试验和超大型半潜浮式风力机被动控制试验研究，为超大型半潜浮式风力机的数值模型和理论计算验证提供了充足和可靠的数据。