2024中國(guó)可再生能源大會(huì)：基于電渦流阻尼器的駁船式風(fēng)機(jī)減振控制

基于電渦流阻尼器的駁船式風(fēng)機(jī)減振控制岳峰、張建華、岳飛虎哈爾濱工程大學(xué)研究背景研究背景研究思路研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容研究結(jié)論研究結(jié)論P(yáng)art.1研究背景研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景1.1研究背景隨著對(duì)能源發(fā)展的需求，大力發(fā)展漂浮式風(fēng)機(jī)已成為一種必然2023年，全球風(fēng)電新增裝機(jī)116.6GW，較2022年增長(zhǎng)50%。其中，全球陸上風(fēng)電新增裝機(jī)容量首次突破100GW，達(dá)到105.8GW。全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)10.8GW，同比增長(zhǎng)24%，僅次于2021年。這主要得益于中國(guó)海上風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁（同比增長(zhǎng)25%）。中國(guó)近些年積極探索漂浮式風(fēng)電技術(shù)，2023年底中國(guó)漂浮式風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到22.95MW，占全球浮式風(fēng)電總裝機(jī)容量的10%研究結(jié)論研究思路研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景漂浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)可以分解為六個(gè)自由度：縱蕩（surge）、橫蕩（sway）、垂蕩（heave）、橫搖（roll）、縱搖（pitch）和艏搖（yaw）相比于固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更加復(fù)雜。漂浮式風(fēng)機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致的問(wèn)題：1.結(jié)構(gòu)安全性（共振、失穩(wěn)、倒塌）2.風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率設(shè)計(jì)浮式風(fēng)機(jī)的振動(dòng)控制裝置及抑制浮式風(fēng)機(jī)的振動(dòng)具有重要的工程及實(shí)用意義。研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法：主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、混合控制傳統(tǒng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）主要由：質(zhì)量塊、彈簧、阻尼結(jié)構(gòu)構(gòu)成缺點(diǎn)：機(jī)械摩擦、損耗壽命；頻率固定不可調(diào)整，頻帶寬度窄，適用范圍小電渦流阻尼器（ECD主要由質(zhì)量塊、永磁體、導(dǎo)體組成優(yōu)點(diǎn)：無(wú)接觸、無(wú)能量輸入、全金屬結(jié)構(gòu)，也不存在液漏和老化問(wèn)題，耐久性好；頻率易于調(diào)整，啟動(dòng)靈敏度高，適用范圍廣。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器結(jié)構(gòu)圖水平板式電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)圖研究結(jié)論研究思路研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景在電渦流阻尼器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了減振裝置。（一種風(fēng)力機(jī)塔筒內(nèi)擺式電渦流阻尼器減振裝置）發(fā)明專(zhuān)利結(jié)構(gòu)示意圖此發(fā)明可以通過(guò)調(diào)整磁體與導(dǎo)體間距、導(dǎo)體厚度以及放置密度改變阻尼力，調(diào)整斜拉索長(zhǎng)度改變阻尼器頻率，以適應(yīng)不同風(fēng)電機(jī)組的要求。當(dāng)風(fēng)機(jī)塔筒在承受外界激勵(lì)時(shí)，斜拉索懸掛的質(zhì)量塊自由擺動(dòng)，帶動(dòng)永磁發(fā)明專(zhuān)利結(jié)構(gòu)示意圖此發(fā)明可以通過(guò)調(diào)整磁體與導(dǎo)體間距、導(dǎo)體厚度以及放置密度改變阻尼力，調(diào)整斜拉索長(zhǎng)度改變阻尼器頻率，以適應(yīng)不同風(fēng)電機(jī)組的要求。授權(quán)證書(shū)及受理通知書(shū)Part.2研究思路研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容緒論背景 Part.3研究?jī)?nèi)容研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景電渦流阻尼器原理示意圖水平板式電渦流阻尼器結(jié)構(gòu)圖?當(dāng)導(dǎo)體板在強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中以速度v來(lái)切割磁感線(xiàn)時(shí)，導(dǎo)體板內(nèi)會(huì)產(chǎn)生密度為J的電渦流并受到電磁力F。?通過(guò)調(diào)整磁導(dǎo)間距d、銅板厚度δ、導(dǎo)磁鋼板厚度z探究電渦流阻尼器性能。研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景電渦流阻尼器有限元模型永磁體布置圖（單位：m）電渦流阻尼器網(wǎng)格劃分圖體之間的間距為0.2m，永磁體的長(zhǎng)寬高為0.2m×0.2m×0.02m，布置方式如圖?？偞呕砻娣e為0.64流的擴(kuò)散范圍，減少電渦流的能量損耗，提高電渦流阻尼器的能量轉(zhuǎn)研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景(a)磁導(dǎo)間距5mm(b)磁導(dǎo)間距10mm(c)磁導(dǎo)間距15mm?在保證導(dǎo)體板與永磁體不接觸的(a)磁導(dǎo)間距5mm(b)磁導(dǎo)間距10mm(c)磁導(dǎo)間距15mm(e)磁導(dǎo)間距25mm(f)磁導(dǎo)間距(e)磁導(dǎo)間距25mm(f)磁導(dǎo)間距30mm?調(diào)整磁導(dǎo)間距，從5mm至30mm步長(zhǎng)間距為流阻尼系數(shù)。研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景電渦流阻尼系數(shù)隨磁導(dǎo)間距變化關(guān)系表磁導(dǎo)間距洛倫茲力FECD/(N)系數(shù)c1/(N·s/m)54035.231282462.94925.82038.74077.43395.8電渦流阻尼器阻尼系數(shù)隨磁導(dǎo)間距的變化關(guān)系?調(diào)整磁導(dǎo)間距，從5mm至30mm步長(zhǎng)間距為流阻尼系數(shù)。?c1=-2.0636×10-4d5+0.0312d4-1.8944d3+61.4810d2-1231.824d+15844.0918研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景(a)銅板厚度5mm(b)銅板厚度10mm(c)銅板厚度15mm(d)銅板厚度20mm(e)銅板厚度25mm(f)銅板厚度30mm?調(diào)整銅板厚度，從5mm至30mm步長(zhǎng)間距為流阻尼系數(shù)研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景電渦流阻尼系數(shù)隨銅板厚度變化關(guān)系表銅板厚度洛倫茲力FECD/(N)系數(shù)c1/(N·s/m)5電渦流阻尼器阻尼系數(shù)隨銅板厚度的變化關(guān)系?調(diào)整銅板厚度，從5mm至30mm步長(zhǎng)間距為流阻尼系數(shù)。?c1=0.0012δ5-0.1282δ4+6.0939δ3-166.8877δ2+2597.9900δ+1482.8557研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景(a)鋼板厚度5mm(d)鋼板厚度20mm(b)鋼板厚度10mm(e)鋼板厚度25mm(c)鋼板厚度15mm(f)鋼板厚度30mm?調(diào)整鋼板厚度，從5mm至30mm步長(zhǎng)間距為流阻尼系數(shù)研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景電渦流阻尼系數(shù)隨鋼板厚度變化關(guān)系表鋼板厚度z/(mm)洛倫茲力FECD/(N)系數(shù)c1/(N·s/m)56328.16437.1阻尼系數(shù)隨鋼板厚度的變化關(guān)系?調(diào)整鋼板厚度，從5mm至30mm步長(zhǎng)間距為?流阻尼系數(shù)。?c1=6.6265z5-0.0602z4+2.1772z3+2.1772z2-41.8574z+9305.9980研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景Barge式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組示意圖NREL5MW基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)額定功率/MW5葉片數(shù)3控制方式變速、集中式變漿風(fēng)輪直徑/m輪轂高度/m切入、額定、切出風(fēng)速/(m/s)風(fēng)輪質(zhì)量/t機(jī)艙質(zhì)量/t240塔架質(zhì)量/t347.5NREL5MWBarge式平臺(tái)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)長(zhǎng)×寬/m×m40×40吃水深度/m4平臺(tái)排水量/m6000平臺(tái)總質(zhì)量/kg5452000橫搖慣量/(kg·m-3)726900000縱搖慣量/(kg·m-3)726900000艏搖慣量/(kg·m-3)1454000000錨深度/m錨長(zhǎng)度/m473.3錨直徑/m0.0809纜索拉伸剛度/N589000000研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景?無(wú)風(fēng)靜水環(huán)境下，通過(guò)調(diào)整質(zhì)量比、阻尼比和頻率比來(lái)研究自由衰減工況下在機(jī)艙放置ECD對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)控制效果，對(duì)ECD進(jìn)行優(yōu)化，從而確定出最優(yōu)的質(zhì)量比、阻尼比和頻率比。塔頂前后位移時(shí)域圖塔頂前后位移頻域圖ECD自由衰減位移時(shí)域圖研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景質(zhì)量比不同阻尼比不同頻率比不同質(zhì)量比不同阻尼比不同頻率比不同λ314155161λ51515151λ55551研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景為了充分探究ECD對(duì)于Barge式風(fēng)機(jī)的振動(dòng)控制效果，考慮以下4種工況。分別采用三種控制方案進(jìn)行模擬方案A（在機(jī)艙處設(shè)置ECD方案B（在平臺(tái)處設(shè)置ECD方案C（在機(jī)艙和平臺(tái)聯(lián)合設(shè)置ECD）風(fēng)浪流載荷工況設(shè)計(jì)?應(yīng)用Tubsim程序基于IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)況模擬輪轂高度處5m/sNTM風(fēng)速圖5m/sNTM全域風(fēng)場(chǎng)圖輪轂高度處12m/sNTM輪轂高度處12m/sNTM風(fēng)速圖12m/sNTM全域風(fēng)場(chǎng)圖輪轂高度處18m/sNTM風(fēng)速圖18m/sNTM全域風(fēng)場(chǎng)圖152341441?提取塔頂前后位移、塔底前后方向剪力和彎矩、縱搖角位移以及葉根彎矩分析抑振效果。?采用標(biāo)準(zhǔn)差抑制率和最大振幅抑制率作為評(píng)價(jià)抑振效果的指標(biāo)。研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景n工況1下方案A對(duì)風(fēng)機(jī)響應(yīng)的抑制分析（NTM風(fēng)速5m/s）切入風(fēng)速正常湍流風(fēng)塔頂前后位移時(shí)域圖標(biāo)準(zhǔn)差抑制率：30.1%塔頂前后位移頻域圖最大振幅抑制率：24.8%縱搖角位移時(shí)域圖標(biāo)準(zhǔn)差抑制率：41.7%縱搖角位移頻域圖最大振幅抑制率：42.0%葉根彎矩時(shí)域圖標(biāo)準(zhǔn)差抑制率：27.7%葉根彎矩頻域圖最大振幅抑制率：30.0%研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景n工況1下方案B對(duì)風(fēng)機(jī)響應(yīng)的抑制分析（NTM風(fēng)速5m/s）塔頂前后位移時(shí)域圖塔頂前后位移頻域圖縱搖角位移時(shí)域圖縱搖角位移頻域圖葉根彎矩時(shí)域圖葉根彎矩頻域圖?標(biāo)準(zhǔn)差抑制率分別為25.9%、26.8%、26.7%、29.1%、17.7%；最大振幅抑制率分別為24.8%、26.9%25.4%、42.0%、30.0%。研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景n工況1下方案C對(duì)風(fēng)機(jī)響應(yīng)的抑制分析（NTM風(fēng)速5m/s）塔頂前后位移時(shí)域圖塔頂前后位移頻域圖縱搖角位移時(shí)域圖縱搖角位移頻域圖縱搖角位移頻域圖葉根彎矩時(shí)域圖葉根彎矩頻域圖?標(biāo)準(zhǔn)差抑制率分別為25.9%、29.5%、27.4%、33.3%、20.8%；最大振幅抑制率分別為11.9%、16.1%、13.5%、34.8%、23研究結(jié)論研究結(jié)論研究思路研究?jī)?nèi)容研究背景n分析匯總不同環(huán)境工況下方案A、B、C標(biāo)準(zhǔn)差抑制率和最大振幅抑制率標(biāo)準(zhǔn)差抑制率%最大振幅抑制率%工況塔頂前后位移塔底前后方向剪力塔底前后方向彎矩縱搖角位移葉根彎矩塔頂前后位移塔底前后方向剪力塔底前后方向彎矩縱搖角位移葉根彎矩方案A130.137.335.641.727.724.826.925.442.030.0212.122.220.018.123.125.437.409.1023.027.647.709.409.5023.827.2方案B125.926.826.729.122.59.1023.003.303.405.504.80-9.50-9.30-1.1038.809.0030.0-4.10-5.50-5.80-10.345.105.905.802.504.203.803.700.90方案C125.929.527.433.320.816.134.823.3217.122.327.833.2341.523.332.147.708.909.808.3017.131.8