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研究记录
在风和波浪载荷下减轻海上风力发电机的响应：考虑土壤影响和破坏
摘要
本文研究了承受风浪载荷的单桩海上风力发电机的缓解措施。考虑土壤 效应（SE）和破坏。能够实时重新调整其固有频率和阻尼特性的半主动 调谐质量阻尼器（STMD）用于减轻机舱/塔顶动力响应。基于欧拉-拉格 朗日方程，建立了带有STMD的风轮机分析模型，其中对叶片与塔架之间 的相互作用进行了建模。通过将三维风场轮廓映射到旋转叶片上来产生 风湍流。使用叶片要素动量法计算空气动力载荷，其中考虑了Prandtl的叶尖损失因子和Glauert校正。使用莫里森方程和带状理论计算波浪荷 载。国家可再生能源实验室单桩5兆瓦基准风力涡轮机模型用于检验STMD 的性能。已经发现，在地基或/和塔中的SE和损伤的存在会改变主导频 率，从而使常规TMD失谐且无效。相比之下，通过所提出的算法实时重新调整的STMD可以以较小的行程更有效地减轻机舱/塔楼和基础的响应。结果表明，当考虑SE和/或损坏时，STMD的效果明显优于TMD。
关键字
损坏，单桩海上风力发电机，缓解响应，土壤影响，半主动控制
对应
Sun Sun，CEE，PFT 3325，路易斯安那
州立大学，巴吞鲁日，LA 70803，美国。电子邮件：csun@lsu.edu
资金信息
路易斯安那州立大学启动基金和大学研究资助，授予/奖励编号：127150013和127159132；
工程研究创新（FIRE）资助
介绍
由于对环境的关注，化石燃料面临越来越多的限制，风能的生产和消费在世界范围内显着增长。由于海洋 地区的风速越来越稳定，海上风力发电厂正成为风能生产的重要领域。但是，由于风浪载荷的共同作用以 及其他海洋环境的影响，将导致过度的振动和疲劳载荷，从而不利地影响海上风力涡轮机的结构完整性和 使用寿命。在这种情况下，越来越多的研究工作正在致力于减轻响应和疲劳负荷。近年来，已经对结构振 动控制进行了研究，该结构振动控制已成功应用于土木结构中，以减轻海上风力发电机的负荷。
结构控制健康监控。2018; 25：e2117。 wileyonlinelibrary.com/journal/stc 版权所有copy;2017 John Wiley＆Sons， Ltd.https：//doi.org/10.1002/stc.2117
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有三种基本控制策略：被动，半主动和主动。[1-3] 无源控制系统的参数具有恒定值，不需要能量输入。被动控制系统的一个典型示例是调谐质量阻尼器（TMD），其频率被调谐到目标振动模式（主要是基本模式）的频率，以吸收主要结构的动能。与被动控制系统相比，半主动控制系统具有随时间变化的参数，可以根据反馈信号进行调整。需要少量的能量来调整参数，并且与无源的参数相比，可以显着降低能耗。主动控制系统通过预定义算法命令的执行器将力直接施加到受控目标。与半主动方案相比，需要数量级更大的能量输入。
关于风力涡轮机，尤其是海上风力涡轮机的结构控制是一个相对年轻的领域。已研究和开发的技术包括无源， 半有源和有源设备。被动设备包括TMD，可调液体阻尼器和可调液柱阻尼器（TLCD）。Murtagh等。[4] 使用无源TMD来减轻风力涡轮机的顺风振动。研究结果表明，将TMD调整到主要频率可以降低响应。为了同时控制前后振 动，Lackner和Rotea[5] 在机舱中使用了双被动式TMD。通过控制驳船式浮式海上风机和固定底单桩式海上风机检查了双TMD模型的性能。发现无源TMD可以改善海上风力涡轮机的结构响应。科威尔和巴苏[6] 研究了使用TLCD 的海上风力涡轮机的振动控制，其中使用联合风波模型生成相关的风波载荷。作者得出结论，实施TLCD可以降 低结构成本并延长塔架寿命。丁和巴苏[7] 使用多个TMD来控制翼梁式浮动海上风力涡轮机的响应。研究结果表明，TMD比机舱更有效地减轻了翼梁的响应。尽管在对参数进行微调时，被动控制技术会降低性能，但由于环 境/系统变化，它们可能会失去其有效性。
相比之下，半主动技术可以跟踪操作/环境变化，因此更适用于具有时变参数的系统。Nagarajaiah及其合作者已经研究并证明了半主动TMD（STMD）可以有效缓解线性和非线性系统在固定和非平稳激励下的振 动。[8-12] 已经证明，STMD可提供与有源TMD（ATMD）相当的缓解效果，但需要较小数量级的能量输入。黄等。[13] 和Arrigan等。[14] 通过基于短时傅立叶变换（STFT）的控制算法实时重新调谐的STMD，探索了风轮机叶片的缓解方法。作者发现，在不同的操作/环境条件下，STMD可以显着减轻刀片的响应。Dinh等。
[15] 使用多个STMD来控制叶片的边缘振动，机舱的振动以及浮动式海上风力涡轮机的翼梁。发现STMD比被动TMD 更有效,而在文献中， [8, 13-15] 仅调整了STMD 的频率，而阻尼比却保持不变。最近, sun 和Nagarajaiah[16] 除了固有频率重调之外，还通过结合了对STMD阻尼比的重调来进一步改进基于STFT的控制算法。通过这样做,可以使动能流和耗散率最大化，并且可以实现附加的缓解效果。作者检查了STMD的性能和用于地震保护的控制算法，并观察到有效的响应减小。
除半主动控制外，还研究了风力涡轮机的主动控制，并证明了有效克服了系统/运行变化引起的问题。Staino等。[17, 18] 研究了使用安装在每个叶片内部的主动筋对风力涡轮机叶片进行边沿振动控制。作者发现，提出的主动控制方案可以显着改善叶片在空气动力负载或可变转速下的边缘响应。菲茨杰拉德等。[19, 20] 利用ATMD来控制风力涡轮机叶片的面内振动。结果表明，ATMD比被动TMD可以实现更大的响应降低。
作为主要的海上风力涡轮机选择之一，单桩固定底海上风力涡轮机得到了广泛的应用并且正在积极研究中。在大多数现有文献中，假设单桩海上风力发电机完全固定在海床中。但是，当土壤相对较软时，此假设是不合适的。Veletsos和Verbic[21] 结果表明，地基下面的柔性土增加了阻尼性能并降低了结构固有频率。布什和曼努埃尔[22] 得出的结论是，基于柔性的基础的存在会影响风力涡轮机的动态行为。Harte等[23] 研究了土壤-结构相互作用对陆上风力涡轮机顺风响应的影响。结果表明，土壤与结构的相互作用会影响风力发电机的响应。此外，周期性的风浪载荷会导致基础受损（刚度下降）[24] 和结构。累积的损坏可能会改变结构的固有频率。
结果，由于土壤效应（SE）和/或损坏引起的结构固有频率的变化会导致无源TMD失谐，该无源TMD会调谐到原始结构的固有频率。为了解决这个问题，菲茨杰拉德和巴苏[25] 在考虑SE的情况下，使用ATMD来控制风力涡轮机在风荷载下的响应。作者发现，当需要包含SE时，提出的主动控制方案很有希望。但是，未在Fitzgerald和Basu中研究缓解风，波浪载荷以及SE和损害共同存在下的单桩海上风力发电机的问题。[25]
这项研究建议使用STMD来减轻承受SE和考虑到损坏的风浪载荷下的单桩固定底海上风力发电机的结构响应。它实质上促进了Arrigan等人报道的研究。[14] 一方面，STMD的实时调整包括通过改进的控制算法对固有频率和阻尼比进行调整。另一方面，STMD的有效性是在组合和更复杂的环境影响下进行检查的，包括风 浪载荷，SE和损坏的存在。这项研究的重点是当SE和损坏的存在引起系统主导响应频率的潜在变化时，检 查所提议的STMD的性能。建立了与STMD耦合的单桩风力发电机的数学模型。叶片与塔架和STMD之间的动态 相互作用已建模。空气动力学载荷，波浪载荷和重力载荷都包含在模型中。为了说明STMD的有效性，使用 了无源TMD进行比较。通过求解已建立的耦合动力学方程来计算结构响应。结果表明，基于STFT的跟踪算 法可以快速捕获由SE和/或基础和塔中的损坏引起的结构固有频率的变化。结果，尽管在考虑SE和损坏时 其被动对应物变得无效，但该STMD在缓解响应方面表现出优异的效果。
建立分析模型
使用欧拉-拉格朗日方程建立带有和不带有STMD的全耦合三维动力学模型。对于非受控系统，该模型包含10个自由度（DOF），对于受控系统，该模型包含11个自由度。由于基本振动支配着动态响应，因此本研究使用叶片和塔筒的基本模式建立了运动方程。
型号说明
图中显示了经受风和波载荷组合的一般单桩海上风力涡轮机模型1. 如图所示1，全局坐标系始于塔中心线与平均海平面的交点。图的左图1 图中显示了原始模型，右图显示了风和风荷载作用下风力涡轮机的变形几何形状。如第1节所述，考虑SE并由平移弹簧kx和旋转弹簧表示。还通过引入两个阻尼参数cx和cФ来考虑土壤的阻尼特性。图中的参数q9和q101 表示基础的平移和旋转坐标。
在这项研究中，定义参数q1〜q3表示三个叶片的边缘坐标，而q4〜q6表示襟翼坐标。参数q7和q8表示机舱相对
于基础在前后方向和侧面方向上的相对坐标。参数q11表示STMD相对于机舱的相对坐标。叶片的转速为Omega;，方位角为psi;j（t）（见图2) 第j个刀片的可以表示为
psi;j（t）=Omega;t 2pi;/3（j-1），j=1,2,3 （1）
值得注意的是，由于叶片的几何形状，边缘振动和襟翼振动基本上是耦合的。当分析叶片的动力学时，可以基于预扭转角对这种耦合效果进行建模。[26] 在本研究中，不包括耦合效应，因为本研究的重点是评估STMD在减轻机舱和塔架响应方面的性能，其中边沿和襟翼振动的耦合效应影响最小。因此，为简化起见，假定它们是独立的。
刀
STMD
机舱
风
塔
风荷载
波
波浪载荷
海床高度
图1在风浪荷载下，单桩海上风力发电机与半主动调谐质量阻尼器（STMD）耦合。左：原始原理图模型；右：用于分析的简化变形 模型
-
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- ：刀片的边向位移 （b）：叶片襟翼向位移
-
图2机舱和第j叶片的位移
欧拉-拉格朗日方程
欧拉-拉格朗日方程用于导出单桩海上风力涡轮机系统的分析模型。欧拉-拉格朗日方程列出如下：
其中T和V是系统动能和势能，q（t）是广义坐标矢量，Qi（t）是与q （t）的第i个分量相对应的广义力。符号（̇）表示相对于时间的一阶导数。
动能
为了表示叶片的运动，在轮毂中心开始的局部坐标系xrsquo;yrsquo;zrsquo;-orsquo;。如图所示建立前表面（静态）2 机舱的侧面位移ussnac和前后位移ufanac .第j个刀片的位移如图所示2.变量uje（r，t）和ujf（r，t）代表距叶片根部距离为r的点的沿边和沿边的位移；变量Ф1e和Ф1f分别表示边沿和翼向基本模式形状。机舱在z方向上的运动很小，可以忽略。
在图示1 和2中,机舱在前后方向ufanac和ussnac侧面的绝对位移可以表示为
其中h是相对于海床的机舱高度。
机舱在前后方向上的绝对速度vfanac和侧面速度vssnac可以表示为
机舱vnac的合成绝对速度可以写成
类似地，STMD vstmd的绝对速度可以表示为
考虑图二中的第j片叶片中的dr，总的坐标系可以表示为
取坐标的一阶导数可得出速度分量为
dr的绝对速度幅值为
Vtow（z，t）如图所示1，塔的无穷小单位dz的绝对速度可以表示为
其中，Ф1t表
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