核心摘要：【學術論文】基于TMD控制的浮式風力機穩定性研究
論文題目：基于TMD控制是吊車的浮式風力機穩定性研究
論文作者：蔡新，張洪建
所屬單位：河海大學力學與材料學院，沿海開發與保護協同創新中心，江蘇省風電機組結構工程研究中心
發表期刊：河海大學學報(自然科學版)
浮式風力機處于復雜是吊車的海洋環境中，會受到包括風、浪、流、冰等各種外部載荷的作用。這些外部載荷影響浮式風力機的穩定性，并可能導致其部件故障甚至破壞。
為了降低海上風力機組的載荷并提高浮式風力機的穩定性，許多學者對此進行了研究，但仍有不足之處: 變槳控制系統可以降低氣動載荷，但會增加葉根疲勞載荷；設計支撐結構時會對浮式風力機上部進行簡化，不能真實反映浮式風力機運動狀況；而結構控制與質量、彈簧和阻尼的參數組合密切相關。目前關于TMD參數優化的文獻大部分基于批量計算，從大量輸出結果中選取較優的結果，以達到參數優化的效果。一旦浮式風力機參數發生變化，又要重新計算，時間成本大大增加。本文基于遺傳算法對TMD結構參數進行優化，通過研究TMD各個參數對浮式風力機整體運動方式的影響來設置目標函數，不同的浮式風力機只需要修改目標函數中對應的參數，改變算法中迭代次數等參數。結果表明，該方法可以明顯提高計算精度，減少計算時間。本文利用NREL開發的FAST作為模擬海上風力機性能的主要工具。研究對象為NREL 5MW Barge風力機組，為水平軸三葉片風力機，控制方式為獨立變槳控制。（1）考慮空間相干性，利用風模擬軟件Turbsim生成以Kaimal風譜模型為基礎的風速分布模型。（2）選擇實際工程中較為常用的PM波浪譜建立波浪載荷模型。（3）為建立TMD模型，將TMD系統運動方程與風力機原始運動方程進行耦合。篇幅有限，上述3個步驟的技術細節在此按住不表，感興趣的看官請移步原文。遺傳算法的原理是通過模擬物種進化從而得到最優解。其主要過程為首先隨機產生一個初始種群，之后按照優勝劣汰的原則，進化出更加符合要求的結果，根據目標函數與約束條件來選擇個體，并進行交叉與變異生成新的種群，最后得到滿足要求的最優結果。遺傳算法流程如圖1所示。本文利用Matlab編寫優化算法程序，其中算法控制進化的參數中交叉概率、變異概率及進化代數分別為0.65、0.08與2000，得到優化后的TMD質量、剛度和阻尼。高聳建筑結構中，TMD質量一般占結構整體質量的0.25%~2.00%。本文TMD質量占結構總質量的0.34%，符合質量比要求。海上浮式風力機組穩定性主要表現為平臺運動響應與塔頂位移，而塔架載荷大小決定了風力機組的可靠性與安全壽命，故以平臺運動、塔頂位移與塔架根部載荷為研究重點。（1）TMD對平臺影響（圖2）主要體現在抑制平臺轉動。究其原因，浮式風力機平動周期相較于轉動周期更大，TMD自振頻率更接近浮式風力機轉動頻率。而TMD僅在水平方向運動，故對垂蕩影響很小。（2）TMD使塔頂各向位移（圖3）均有減小，優化TMD的控制效果則更加明顯; TMD對塔頂前后位移影響不大; 塔頂側向運動穩定性得到提高。這是因為塔架側向運動主要是由湍流風與尾流中的漩渦共同作用引起的，由于TMD控制系統為動力減振裝置，故對脈動風載荷引起的動力響應有更好的控制效果。（3）TMD對塔架根部剪力與彎矩均有顯著影響，對塔架根部縱向載荷影響不大（圖4）。這是因為浮式風力機順風向的運動主要為靜力響應，而由湍流風和尾流造成的側向運動屬于動力響應。由于TMD控制系統為動力減振裝置，故對動力響應有更好的控制效果。本文基于遺傳算法對TMD結構參數進行優化，得到各參數最優組合，并基于5種實測海況對優化后的TMD進行了合理性與可靠性驗證。根據計算結果，得到以下結論：（1）以遺傳算法為基礎，對TMD系統的質量、剛度與阻尼參數進行了優化，得到各結構參數的最優組合。（2）TMD對浮式風力機的6自由度運動控制主要體現在對橫搖、縱搖與首搖的抑制方面。其中，TMD對橫搖的控制效果最明顯。（3）由于TMD控制系統為動力減振裝置，故對動力響應有更好的控制效果。所以TMD對塔頂側向位移與載荷的控制效果更加明顯。（4）在實際海況中，優化后TMD控制效果明顯優于未優化TMD，可以明顯降低浮式風力機運動高頻區間內的幅度，適用于90%以上的海況。同時隨著海況等級的提高，優化后的TMD控制效果更加明顯。
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