核心摘要：【学术论文】基于TMD控制的浮式风力机稳定性研究
论文题目：基于TMD控制是吊车的浮式风力机稳定性研究
论文作者：蔡新，张洪建
所属单位：河海大学力学与材料学院，沿海开发与保护协同创新中心，江苏省风电机组结构工程研究中心
发表期刊：河海大学学报(自然科学版)
浮式风力机处于复杂是吊车的海洋环境中，会受到包括风、浪、流、冰等各种外部载荷的作用。这些外部载荷影响浮式风力机的稳定性，并可能导致其部件故障甚至破坏。
为了降低海上风力机组的载荷并提高浮式风力机的稳定性，许多学者对此进行了研究，但仍有不足之处: 变桨控制系统可以降低气动载荷，但会增加叶根疲劳载荷；设计支撑结构时会对浮式风力机上部进行简化，不能真实反映浮式风力机运动状况；而结构控制与质量、弹簧和阻尼的参数组合密切相关。目前关于TMD参数优化的文献大部分基于批量计算，从大量输出结果中选取较优的结果，以达到参数优化的效果。一旦浮式风力机参数发生变化，又要重新计算，时间成本大大增加。本文基于遗传算法对TMD结构参数进行优化，通过研究TMD各个参数对浮式风力机整体运动方式的影响来设置目标函数，不同的浮式风力机只需要修改目标函数中对应的参数，改变算法中迭代次数等参数。结果表明，该方法可以明显提高计算精度，减少计算时间。本文利用NREL开发的FAST作为模拟海上风力机性能的主要工具。研究对象为NREL 5MW Barge风力机组，为水平轴三叶片风力机，控制方式为独立变桨控制。（1）考虑空间相干性，利用风模拟软件Turbsim生成以Kaimal风谱模型为基础的风速分布模型。（2）选择实际工程中较为常用的PM波浪谱建立波浪载荷模型。（3）为建立TMD模型，将TMD系统运动方程与风力机原始运动方程进行耦合。篇幅有限，上述3个步骤的技术细节在此按住不表，感兴趣的看官请移步原文。遗传算法的原理是通过模拟物种进化从而得到最优解。其主要过程为首先随机产生一个初始种群，之后按照优胜劣汰的原则，进化出更加符合要求的结果，根据目标函数与约束条件来选择个体，并进行交叉与变异生成新的种群，最后得到满足要求的最优结果。遗传算法流程如图1所示。本文利用Matlab编写优化算法程序，其中算法控制进化的参数中交叉概率、变异概率及进化代数分别为0.65、0.08与2000，得到优化后的TMD质量、刚度和阻尼。高耸建筑结构中，TMD质量一般占结构整体质量的0.25%~2.00%。本文TMD质量占结构总质量的0.34%，符合质量比要求。海上浮式风力机组稳定性主要表现为平台运动响应与塔顶位移，而塔架载荷大小决定了风力机组的可靠性与安全寿命，故以平台运动、塔顶位移与塔架根部载荷为研究重点。（1）TMD对平台影响（图2）主要体现在抑制平台转动。究其原因，浮式风力机平动周期相较于转动周期更大，TMD自振频率更接近浮式风力机转动频率。而TMD仅在水平方向运动，故对垂荡影响很小。（2）TMD使塔顶各向位移（图3）均有减小，优化TMD的控制效果则更加明显; TMD对塔顶前后位移影响不大; 塔顶侧向运动稳定性得到提高。这是因为塔架侧向运动主要是由湍流风与尾流中的漩涡共同作用引起的，由于TMD控制系统为动力减振装置，故对脉动风载荷引起的动力响应有更好的控制效果。（3）TMD对塔架根部剪力与弯矩均有显著影响，对塔架根部纵向载荷影响不大（图4）。这是因为浮式风力机顺风向的运动主要为静力响应，而由湍流风和尾流造成的侧向运动属于动力响应。由于TMD控制系统为动力减振装置，故对动力响应有更好的控制效果。本文基于遗传算法对TMD结构参数进行优化，得到各参数最优组合，并基于5种实测海况对优化后的TMD进行了合理性与可靠性验证。根据计算结果，得到以下结论：（1）以遗传算法为基础，对TMD系统的质量、刚度与阻尼参数进行了优化，得到各结构参数的最优组合。（2）TMD对浮式风力机的6自由度运动控制主要体现在对横摇、纵摇与首摇的抑制方面。其中，TMD对横摇的控制效果最明显。（3）由于TMD控制系统为动力减振装置，故对动力响应有更好的控制效果。所以TMD对塔顶侧向位移与载荷的控制效果更加明显。（4）在实际海况中，优化后TMD控制效果明显优于未优化TMD，可以明显降低浮式风力机运动高频区间内的幅度，适用于90%以上的海况。同时随着海况等级的提高，优化后的TMD控制效果更加明显。
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