陳建兵 孫濤 黃凱 李杰

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上海 200092) (2.中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計院有限公司,北京 100120)

大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化分析建模研究*

陳建兵1?孫濤1黃凱2李杰1

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上海 200092) (2.中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計院有限公司,北京 100120)

大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的精細(xì)化建模與整體可靠性設(shè)計對保障風(fēng)能資源開發(fā)的安全性與經(jīng)濟(jì)性日益重要.本文結(jié)合柔體動力學(xué)與有限元建模,考慮氣動耦合效應(yīng)、樁土相互作用、塔體前后運動控制和非線性轉(zhuǎn)矩控制,建立了大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化分析模型(StoDRAOWT模型).與國際上通用的風(fēng)機(jī)分析軟件分析結(jié)果對比表明,本文建立的StoDRAOWT模型分析結(jié)果可信,建模更為全面合理,計算效率更高.在此基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了風(fēng)浪聯(lián)合作用下海上風(fēng)力發(fā)電高塔整體系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析,為大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的隨機(jī)響應(yīng)分析與可靠性設(shè)計奠定了基礎(chǔ).

海上風(fēng)力發(fā)電, StoDRAOWT模型, 風(fēng)浪聯(lián)合作用, 動力響應(yīng)分析

引言

在國際范圍內(nèi),風(fēng)力發(fā)電正在向著海洋化、單機(jī)大型化的方向發(fā)展.海上風(fēng)力發(fā)電高塔支撐系統(tǒng)更加高柔、服役環(huán)境更加嚴(yán)酷,其服役性能與安全性對經(jīng)濟(jì)高效的海上風(fēng)能資源開發(fā)至關(guān)重要,因而對其精細(xì)化分析與整體可靠性設(shè)計提出了更高要求.風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)包括槳葉、機(jī)艙、塔體、基礎(chǔ)等部件,且存在轉(zhuǎn)矩控制、槳葉控制與氣動耦合等電-機(jī)結(jié)構(gòu)非線性耦合效應(yīng)[1-3].建立合理的海上風(fēng)力發(fā)電高塔整體系統(tǒng)分析模型是進(jìn)行整體可靠性分析與設(shè)計的基礎(chǔ).

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)建模主要是分解式方法,包括模態(tài)分析法、多體動力學(xué)法和有限元法.例如,Chopra[4]采用模態(tài)分析法進(jìn)行了槳葉的建模分析.為了考慮風(fēng)機(jī)部件的耦合作用,竇秀榮[5]基于Lagrange方程建立了轉(zhuǎn)子-塔體系統(tǒng)模型,并依據(jù)轉(zhuǎn)子和塔體的變形相容性條件實現(xiàn)二者運動方程的耦合.上述建模方法自由度較少、計算方便,但存在精度較低,代數(shù)推導(dǎo)繁雜,且難以考慮大變形幾何非線性等問題.多體動力學(xué)法可同時考慮剛體位移和彈性變形,有一定模擬精度,受到不少研究者的重視.Wright等[6]采用基于柔性多體動力學(xué)建立的ADAMS進(jìn)行了風(fēng)電機(jī)組的建模分析,實現(xiàn)了柔性風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)建模.為了提高分析效率,Buhl[7]利用更為高效的多體動力學(xué)軟件FAST 建立了模型,并對其進(jìn)行了驗證和改進(jìn).李德源等[8]通過旋轉(zhuǎn)葉片的有限元離散,采用凱恩(Kane)方法,建立了大型風(fēng)力機(jī)葉片柔性多體動力學(xué)方程.但多體動力學(xué)法對細(xì)部力學(xué)分析較低,而這對諸如疲勞壽命評估和可靠性設(shè)計至關(guān)重要.為此,人們在風(fēng)機(jī)分析中引入了有限元法,并開始研究簡化的耦合系統(tǒng).例如,Murtagh等[9]將葉片和塔體分別離散為多自由度質(zhì)點系,通過輪轂處的剪力傳遞考慮槳葉和塔體之間的耦合作用,建立了風(fēng)電機(jī)組的簡化整體模型.賀廣零等[10]采用大型通用有限元軟件建立了“葉片-機(jī)艙-塔體-基礎(chǔ)”一體化有限元模型,并考慮了土-結(jié)構(gòu)作用,獲得了較為精確的動力響應(yīng).Harte等[11]建立了能夠考慮樁土相互作用的簡化整體模型.然而,有限元法難以同時分析剛體運動和彈性變形問題及槳葉的旋轉(zhuǎn)效應(yīng).

多體動力學(xué)與有限元法恰好優(yōu)勢互補(bǔ).本文將結(jié)合二者的優(yōu)勢,建立能夠考慮槳葉轉(zhuǎn)動、槳葉幾何非線性、氣動耦合、槳葉-塔體-基礎(chǔ)耦合、樁-土耦合等非線性耦合效應(yīng),并同時與塔體前后振動控制、轉(zhuǎn)矩控制與槳葉控制相耦合的海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化分析模型(StoDRAOWT模型).同時,與當(dāng)前國際上應(yīng)用較廣的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)建模軟件的分析結(jié)果進(jìn)行對比校驗.這將為大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔整體系統(tǒng)的隨機(jī)動力響應(yīng)精細(xì)化分析和整體可靠性設(shè)計奠定重要基礎(chǔ).

1 海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化數(shù)值分析模型

1.1 槳葉柔體動力學(xué)有限元模型

柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)可以考慮槳葉轉(zhuǎn)動與其彈性變形間的耦合動力效應(yīng),而有限元建模則具有較高的精度并可考慮結(jié)構(gòu)的細(xì)部效應(yīng).因此,結(jié)合柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)Kane方程[8]與有限元建模,可建立考慮槳葉旋轉(zhuǎn)的海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化分析模型[12,13].

在局部坐標(biāo)系下,考慮幾何非線性和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的單元動力方程為(阻尼將在整體結(jié)構(gòu)層次考慮):

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

同時,由于葉片的幾何非線性變形而產(chǎn)生的幾何剛度矩陣為:

(6)

這里[G]為形函數(shù)矩陣,[tσ]為內(nèi)力矩陣,即:

(7)

以上矩陣的具體表達(dá)式及推導(dǎo)見文獻(xiàn)[14].

風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)中的塔體可按常規(guī)有限元方法建模.通過上述槳葉與塔體有限元單元組集,可得風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化模型動力方程為:

(8)

其中,[M]為整體系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣,{μ(t)}為整體坐標(biāo)系下的位移向量,[K]為整體系統(tǒng)的剛度矩陣,包括常規(guī)有限元剛度矩陣[K0]、幾何非線性剛度矩陣[Kg(μ(t))]和旋轉(zhuǎn)剛度附加矩陣[Kd(Ω(t))],即[K]=[K0]+[Kg(μ(t))]+[Kd(Ω(t))].{F}為系統(tǒng)的荷載向量,包括槳葉旋轉(zhuǎn)引起的附加荷載向量和氣彈外荷載向量,且氣彈荷載和時變風(fēng)荷載v(t)與結(jié)構(gòu)響應(yīng){μ(t)}相關(guān),即{F}={F(v,μ,t)}+{Fd},其表達(dá)式將在后文具體給出.

為簡化計算,阻尼矩陣采用Rayleigh阻尼,且第一、二階振型阻尼比均采用1%[15].

1.2 樁土相互作用模型

通常,水深40m以下的海上風(fēng)電場常采用單樁基礎(chǔ).為此,應(yīng)進(jìn)一步考慮樁-土相互作用對整體系統(tǒng)性能的影響.本文采用動力Winkler模型中的Matlock模型考慮這一影響[16].該模型由一組與頻率無關(guān)的非線性彈簧和線性阻尼器組成.進(jìn)一步結(jié)合式(8)中的風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的一體化數(shù)值分析模型表達(dá)式,可將樁基礎(chǔ)單元和土體單元植入其中,并將樁-土相互作用效應(yīng)等效為土體對樁基的作用力列入動力方程,由此可得:

(9)

{Fpε(k,c)}

(10)

{Fpε(k,c)}

(11)

由此,可得考慮樁土相互作用的海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的一體化數(shù)值分析模型的整體運動方程:

(12)

其中,[Cε′]為考慮了土體阻尼作用的增廣阻尼矩陣,[Kε′]為考慮了土體彈簧作用的增廣剛度矩陣,其具體表達(dá)如下:

(13)

本文采用雙曲線形式的p-y曲線法[17]確定土體彈簧剛度系數(shù),并采用Naggar和Novak[18]提出的方法確定單位長度的阻尼系數(shù).

1.3 槳距控制

為了有效利用風(fēng)能、保證功率的平穩(wěn)輸出,需要合理的風(fēng)機(jī)變速變槳距控制系統(tǒng),包括風(fēng)速低于額定風(fēng)速時的轉(zhuǎn)矩控制和風(fēng)速高于額定風(fēng)速時的槳距控制.通常,當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時,保持槳距角不變,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以獲得最優(yōu)葉尖速比優(yōu)化功率輸出;當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時,可調(diào)節(jié)槳距角限制功率輸出,以保證轉(zhuǎn)速在某一特定范圍內(nèi),減少湍流風(fēng)對風(fēng)力機(jī)的沖擊.

這里先考慮槳距控制.注意到槳距控制制動器存在遲滯,其動力學(xué)模型可以采用一階濾波器模擬[19]:

(14)

(15)

其中,KP、KI、KD分別為比例增益、積分增益和微分增益.比例增益與功率相對于槳距角的敏感度?P/?β成反比.Hansen等[20]通過聯(lián)立傳動軸運動方程和PID控制器得到等效單自由度體系運動方程,簡化處理后得到的比例增益和積分增益表達(dá)式分別為:

(16)

其中,等效運動方程的阻尼比為ζφ=0.7,圓頻率為ωφ=0.6rad/s,K(β)為不同槳距角β下的補(bǔ)償參數(shù).可見,增益系數(shù)隨槳距角的變化而變化.為實現(xiàn)穩(wěn)定且快速地調(diào)節(jié)槳距角,可采用分段PI實現(xiàn)不同槳距角下的PI參數(shù)設(shè)置.

1.4 塔體前后振動控制

一般情況下,塔體的第一階振動模態(tài)是弱阻尼震蕩,即使激勵較弱,也可能產(chǎn)生較大的振動[3,21].由于塔體結(jié)構(gòu)本身的阻尼很小,因此來自葉輪的空氣動力阻尼將具有重要的影響.變槳控制可以改變該模式下的有效阻尼大小.因結(jié)構(gòu)的阻尼很小,故在設(shè)計變槳控制器時,應(yīng)盡可能使得氣動阻尼較大、從而總阻尼增大.

為了減小塔架前后的振動,在頻率分區(qū)的區(qū)域3上可通過變槳控制器增加塔架前后振動模態(tài)的阻尼[22].為了設(shè)計此類控制器,假定柔性塔架以線性模型表示,且其響應(yīng)以塔架的一階前后模態(tài)為主.此時,運動方程可以寫為:

(17)

為了增加塔體前后運動的阻尼,假定輸入槳距角的變化量與塔架振動速度的變化量成正比:

(18)

進(jìn)而通過選擇增益G的大小來調(diào)整塔體阻尼.將式(18)代入(17)可得:

(19)

從而有:

(20)

以美國新能源國家實驗室的5MW基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)模型(NREL模型)為例,若在風(fēng)機(jī)分析軟件FAST[23]的主文件中激活塔體的一階前后運動自由度,在運行點w0=15m/s、Ω0=12.1rpm和β0=100處經(jīng)線性化可得到表1中的塔體質(zhì)量、阻尼、剛度以及控制輸入?yún)?shù).

表1 NREL 5MW 塔架參數(shù)

若需使用變槳控制來實現(xiàn)阻尼比ζ=0.02[24],則:

(21)

1.5 非線性轉(zhuǎn)矩控制

為了限制荷載和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化,并避免風(fēng)輪在額定風(fēng)速以上失速,同時控制輸出功率,通常還需要進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)矩控制.這里采用基于參考轉(zhuǎn)速的狀態(tài)反饋線性化控制技術(shù).非線性轉(zhuǎn)矩控制可以有效控制輸出功率,但將使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較大,而槳距控制可以有效降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速.為了使制動器荷載最小化,可結(jié)合這兩種控制技術(shù)的優(yōu)點,采用非線性轉(zhuǎn)矩控制器和槳距控制器,從而形成一個多變量控制器,以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)維持在額定轉(zhuǎn)速附近的雙重目標(biāo)[25,26].

當(dāng)?shù)陀陬~定風(fēng)速時,可采用非線性轉(zhuǎn)矩控制.對于單質(zhì)量的傳動系統(tǒng)模型,有:

(22)

其中, J為傳動系統(tǒng)慣性質(zhì)量(J=Jr+N2Jg),N為齒輪箱傳速比,Tg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,Ta為氣動轉(zhuǎn)矩,其值為:

(23)

式中,ρ為空氣密度,一般取1.225kg/m3;R為風(fēng)輪半徑;V為參考高度處的風(fēng)速;Cq為轉(zhuǎn)矩系數(shù),有:

(24)

其中Cp為風(fēng)能利用系數(shù).對于變槳距風(fēng)力機(jī),風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ和槳葉的槳距角β成非線性關(guān)系[25],一般可以表示為葉尖速比λ和槳距角β的高階多項式,但要精確計算比較困難,可采用經(jīng)驗公式計算如下[26]:

0.00184(λ-3)β

(25)

轉(zhuǎn)矩控制的功率跟蹤誤差為[27]:

εp=Pnom-Pe

(26)

其中Pnom表示發(fā)電機(jī)的額定功率.可采用一階動力學(xué)模型表示此誤差:

(27)

結(jié)合式(27),將Pe=ωrTg代入式(22)可得:

(28)

從而整理得到:

(29)

2 海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的動力作用

2.1 氣動作用

氣動特性決定風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率和氣動荷載,對風(fēng)力發(fā)電具有重要影響.葉素動量理論(BEM)不僅簡單快速,而且具有一定準(zhǔn)確性,在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用.本文基于動力學(xué)理論和葉素動量理論[28],考慮作用在槳葉和塔體上的氣動荷載.槳葉翼型示意圖如圖1所示.

圖1 槳葉翼型以及風(fēng)速Fig.1 Blade airfoil and wind velocities

(30)

(31)

有效局部攻角α為:

α(x,t)=φ(x,t)-β(t)-κ(t)

(32)

其中,β為葉尖弦線與風(fēng)輪平面的夾角即槳距角,κ為相對于葉尖弦線的葉尖扭角即局部槳距角.

對于離散時間步,當(dāng)相對來流風(fēng)速和槳距角發(fā)生改變時,軸向誘導(dǎo)系數(shù)a和切向誘導(dǎo)系數(shù)a′需要采用葉素動量理論迭代求解,同時考慮普朗特葉尖損失因子和葛勞渥特修正.由于垂直于相對速度的升力pL和平行于相對速度的阻力pD與升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd相關(guān),而升力系數(shù)和阻力系數(shù)都與有效局部攻角α有關(guān).若已知任意處葉素的有效局部攻角α,結(jié)合翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù),采用插值方法即可獲得任意處葉素的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd,因此,升力pL和阻力pD分別為:

(33)

其中,c(x)為弦長.從而,與風(fēng)輪垂直的推力和推動槳葉旋轉(zhuǎn)的切向力為:

(34)

因此,局部坐標(biāo)下槳葉某一梁單元所承受的揮舞方向推力和擺振方向切向力為:

(35)

其中,l為梁單元長度.

在任意的離散時間步,相對風(fēng)速、槳距角和結(jié)構(gòu)響應(yīng)都會影響氣動荷載,而外荷載又改變結(jié)構(gòu)響應(yīng),因此,氣動荷載的求解需要聯(lián)合結(jié)構(gòu)動力方程同步求解.

2.2 風(fēng)浪聯(lián)合作用

2.2.1 基于隨機(jī)Fourier譜的脈動風(fēng)速物理模型

(36)

2.2 基于隨機(jī)Fourier譜海浪物理隨機(jī)模型

基于類似的思想,引入擬層流風(fēng)生波機(jī)制,可以建立海浪的物理隨機(jī)模型[32].海浪的隨機(jī)Fourier譜為:

圖2 輪轂處脈動風(fēng)速Fig.2 Fluctuating wind speed on the hub

圖3 空間風(fēng)場模擬Fig.3 Simulation of spatial wind field

圖4 波高時程Fig.4 Time history of wave height

3 風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化數(shù)值模型的校驗

基于上述一體化模型,形成了海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)隨機(jī)動力響應(yīng)與可靠度分析程序(簡稱StoDRAOWT).為了對此模型進(jìn)行驗證,同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)響應(yīng)與控制振動臺實驗研究[34].但限于實驗條件,尚未直接進(jìn)行考慮氣動耦合效應(yīng)的整體系統(tǒng)驗證.為此,在本節(jié)中通過與國際上廣為采用的風(fēng)機(jī)分析軟件FAST的對比分析,對上述模型的合理性進(jìn)行校驗.

FAST軟件是當(dāng)前國際上廣泛使用的風(fēng)機(jī)分析軟件,其中采用模態(tài)分析和多體動力學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行建模,將地基、機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、輪轂等看作是剛體,葉片、塔架等看作是柔性體,通過鉸、彈簧和阻尼器考慮剛-柔耦合,基于Kane方程建立風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運動方程.同時,基于葉素動量理論(BEM)考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的氣動荷載、轉(zhuǎn)矩控制和槳距控制等.采用FAST進(jìn)行仿真時,系統(tǒng)自由度比較少,因而無法體現(xiàn)風(fēng)力機(jī)柔性結(jié)構(gòu)特點.但大量實例驗證表明FAST具有快速和穩(wěn)定的特性.

本文以NREL5MW陸上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)為研究對象,在區(qū)域3即在額定風(fēng)速以上,采用StoDRAOWT模型進(jìn)行分析并與FAST所建模型的響應(yīng)進(jìn)行對比.表2為NREL 5MW風(fēng)機(jī)主要參數(shù)[15].

表2 NREL 5MW風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

選取輪轂處平均風(fēng)速為15m/s、湍流強(qiáng)度為16%的脈動風(fēng)作為外荷載輸入.FAST在各網(wǎng)格點輸入風(fēng)荷載[35],而StoDRAOWT模型則在槳葉質(zhì)心所在平面上的點輸入風(fēng)荷載且通過點之間的插值考慮風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)[14].具體風(fēng)荷載輸入方式如圖5所示.

圖5 FAST模型的風(fēng)場輸入Fig.5 Input of wind field in the FAST model

在風(fēng)荷載作用下,各模型的塔頂和葉尖位移、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角及發(fā)電功率的時程響應(yīng)如圖6所示.

從圖6中可見,StoDRAOWT模型的塔頂位移、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率與FAST相應(yīng)結(jié)果對比,塔頂位移的變異系數(shù)相對誤差為11.16%,葉尖位移的變異系數(shù)相對誤差為1.13%,槳距角的變異系數(shù)相對誤差為11.5%,結(jié)果吻合較好.而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率的均值也相對誤差較小,雖然標(biāo)準(zhǔn)差的相對誤差較大,但兩者的趨勢和量級是一致的.注意到StocDRAOWT和FAST所采用的脈動風(fēng)場輸入及塔體、基礎(chǔ)建模等基本方法的差別,二者的分析結(jié)果是不可能精確一致的,但上述結(jié)果表明,對所關(guān)心的諸物理量來說,二者的定量化結(jié)果總體上是一致的,從而在一定程度上驗證了StoDRAOWT模型的合理性.當(dāng)然,進(jìn)一步的研究和驗證還應(yīng)結(jié)合更精細(xì)全面的試驗與現(xiàn)場實測進(jìn)行.

圖6 采用FAST與StoDRAOWT的響應(yīng)分析結(jié)果對比Fig.6 Comparison of system response from FAST and StoDRAOWT models

4 風(fēng)浪聯(lián)合作用下大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的動力響應(yīng)

在上述陸上NREL 5MW風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的響應(yīng)分析.由于在原模型基礎(chǔ)上增加了下部結(jié)構(gòu),需修正塔體和下部結(jié)構(gòu)的尺寸,如表3所示[36].保持塔體基本尺寸不變,增加其壁厚,可調(diào)整由于增加下部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致降低的塔體頻率.

場地地質(zhì)條件的具體參數(shù)如表4所示[37],其中,水深為18m,入土深度為39.25m.

基于StoDRAOWT模型,可分析得到塔體的一階擺振頻率為0.332Hz,一階揮舞頻率為0.341Hz,可見均處于1P與3P之間、且遠(yuǎn)離1P和3P,避免了共振發(fā)生.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了風(fēng)浪聯(lián)合作用下的海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)動力響應(yīng)分析.

表3 NREL 5MW風(fēng)力機(jī)修正后塔體和樁基參數(shù)

表4 風(fēng)電場地質(zhì)資料

圖7 風(fēng)浪聯(lián)合作用下StoDRAOWT響應(yīng)時程Fig.7 Time history of StoDRAOWT responses under wind-wave loadings

圖7為在風(fēng)浪聯(lián)合作用下海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的動力響應(yīng).在實際的海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮樁土之間的相互作用,而轉(zhuǎn)角位移和泥面處位移則可作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)之一,即實際設(shè)計不能超過一定的限值.對于不同的地質(zhì)條件,則有不同的動力響應(yīng).因此,實際應(yīng)用中應(yīng)明確現(xiàn)場的地質(zhì)條件,以便獲得更加真實的動力響應(yīng),為后續(xù)精細(xì)化設(shè)計和可靠度分析提供合理數(shù)據(jù).

5 結(jié)論

海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)的整體建模是其響應(yīng)分析與可靠性設(shè)計的重要基礎(chǔ).本文發(fā)展了海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)一體化模型(StoDRAOWT模型),并進(jìn)行了初步驗證與分析.主要結(jié)論如下:

(1)所建立的槳葉-塔體-基礎(chǔ)一體化模型StoDRAOWT可以考慮槳葉旋轉(zhuǎn)、氣動耦合、槳葉幾何非線性、樁土相互作用、槳距控制與非線性轉(zhuǎn)矩控制等多種非線性效應(yīng);

(2)與國際上通用的軟件相比表明,StoDRAOWT模型分析結(jié)果可信,且建模更為全面合理、效率更高;

(3)引入基于物理的風(fēng)、海浪隨機(jī)模型,基于StoDRAOWT模型實現(xiàn)了考慮風(fēng)-浪聯(lián)合作用的大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)響應(yīng)分析.

上述工作,為進(jìn)一步實現(xiàn)大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔整體系統(tǒng)的隨機(jī)動力響應(yīng)、整體可靠性分析與智能控制奠定了重要基礎(chǔ).

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*The project supported by the National Natural Science Foundation of China(11672209)

? Corresponding author E-mail:chenjb@#edu.cn

10 April 2017,revised 27 April 2017.

STUDY ON INTEGRATED NUMERICAL MODELING OF OFFSHORE WIND TURBINE TOWER SYSTEMS*

Chen Jianbing1?Sun Tao1Huang Kai2Li Jie1

(1.StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering&SchoolofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China) (2.NorthChinaPowerEngineeringCo.,Ltd.ofChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Beijing100120,China)

The refined modeling and global reliability design of offshore wind turbine tower system becomes increasingly important for ensuring the safety and economy of wind energy harvesting. In this paper, based on the flexible body dynamics and finite element modeling, an integrated model of offshore wind turbine tower system (StoDRAOWT model) is presented, considering the aerodynamic coupling effect, pile-soil interaction, tower f-a vibration control and nonlinear torque control. It is then verified against the results obtained from the widely employed software. Moreover, the proposed model is more comprehensive and reasonable, and the computational efficiency is higher. On this basis, the analysis on dynamic response of the whole offshore wind turbine tower system subjected to wind-wave joint loadings is performed through the refined simulation, which provides the basis for the stochastic response analysis and reliability design of offshore wind turbine tower systems.

offshore wind turbine, StoDRAOWT model, wind-wave coupling action, dynamic response analysis

*國家自然科學(xué)基金資助項目(11672209)

10.6052/1672-6553-2017-035

2017-4-10收到第1稿,2017-4-27收到修改稿.

? 通訊作者 E-mail:chenjb@#edu.cn