2024中国可再生能源大会：基于电涡流阻尼器的驳船式风机减振控制

基于电涡流阻尼器的驳船式风机减振控制岳峰、张建华、岳飞虎哈尔滨工程大学研究背景研究背景研究思路研究内容研究内容研究结论研究结论Part.1研究背景研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景1.1研究背景随着对能源发展的需求，大力发展漂浮式风机已成为一种必然2023年，全球风电新增装机116.6GW，较2022年增长50%。其中，全球陆上风电新增装机容量首次突破100GW，达到105.8GW。全球海上风电新增装机10.8GW，同比增长24%，仅次于2021年。这主要得益于中国海上风电市场的发展势头强劲（同比增长25%）。中国近些年积极探索漂浮式风电技术，2023年底中国漂浮式风电累计装机容量达到22.95MW，占全球浮式风电总装机容量的10%研究结论研究思路研究结论研究思路研究内容研究背景漂浮式风机平台运动可以分解为六个自由度：纵荡（surge）、横荡（sway）、垂荡（heave）、横摇（roll）、纵摇（pitch）和艏摇（yaw）相比于固定式风机，浮式风机的平台运动响应更加复杂。漂浮式风机振动导致的问题：1.结构安全性（共振、失稳、倒塌）2.风机的发电效率设计浮式风机的振动控制装置及抑制浮式风机的振动具有重要的工程及实用意义。研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景结构振动控制方法：主动控制、被动控制、半主动控制、混合控制传统调谐质量阻尼器（TMD）主要由：质量块、弹簧、阻尼结构构成缺点：机械摩擦、损耗寿命；频率固定不可调整，频带宽度窄，适用范围小电涡流阻尼器（ECD主要由质量块、永磁体、导体组成优点：无接触、无能量输入、全金属结构，也不存在液漏和老化问题，耐久性好；频率易于调整，启动灵敏度高，适用范围广。调谐质量阻尼器结构图水平板式电涡流阻尼器结构图研究结论研究思路研究结论研究思路研究内容研究背景在电涡流阻尼器的基础上设计了减振装置。（一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置）发明专利结构示意图此发明可以通过调整磁体与导体间距、导体厚度以及放置密度改变阻尼力，调整斜拉索长度改变阻尼器频率，以适应不同风电机组的要求。当风机塔筒在承受外界激励时，斜拉索悬挂的质量块自由摆动，带动永磁发明专利结构示意图此发明可以通过调整磁体与导体间距、导体厚度以及放置密度改变阻尼力，调整斜拉索长度改变阻尼器频率，以适应不同风电机组的要求。授权证书及受理通知书Part.2研究思路研究结论研究结论研究思路研究内容绪论背景 Part.3研究内容研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景电涡流阻尼器原理示意图水平板式电涡流阻尼器结构图•当导体板在强度为B的均匀磁场中以速度v来切割磁感线时，导体板内会产生密度为J的电涡流并受到电磁力F。•通过调整磁导间距d、铜板厚度δ、导磁钢板厚度z探究电涡流阻尼器性能。研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景电涡流阻尼器有限元模型永磁体布置图（单位：m）电涡流阻尼器网格划分图体之间的间距为0.2m，永磁体的长宽高为0.2m×0.2m×0.02m，布置方式如图。总磁化表面积为0.64流的扩散范围，减少电涡流的能量损耗，提高电涡流阻尼器的能量转研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景(a)磁导间距5mm(b)磁导间距10mm(c)磁导间距15mm•在保证导体板与永磁体不接触的(a)磁导间距5mm(b)磁导间距10mm(c)磁导间距15mm(e)磁导间距25mm(f)磁导间距(e)磁导间距25mm(f)磁导间距30mm•调整磁导间距，从5mm至30mm步长间距为流阻尼系数。研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景电涡流阻尼系数随磁导间距变化关系表磁导间距洛伦兹力FECD/(N)系数c1/(N·s/m)54035.231282462.94925.82038.74077.43395.8电涡流阻尼器阻尼系数随磁导间距的变化关系•调整磁导间距，从5mm至30mm步长间距为流阻尼系数。•c1=-2.0636×10-4d5+0.0312d4-1.8944d3+61.4810d2-1231.824d+15844.0918研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景(a)铜板厚度5mm(b)铜板厚度10mm(c)铜板厚度15mm(d)铜板厚度20mm(e)铜板厚度25mm(f)铜板厚度30mm•调整铜板厚度，从5mm至30mm步长间距为流阻尼系数研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景电涡流阻尼系数随铜板厚度变化关系表铜板厚度洛伦兹力FECD/(N)系数c1/(N·s/m)5电涡流阻尼器阻尼系数随铜板厚度的变化关系•调整铜板厚度，从5mm至30mm步长间距为流阻尼系数。•c1=0.0012δ5-0.1282δ4+6.0939δ3-166.8877δ2+2597.9900δ+1482.8557研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景(a)钢板厚度5mm(d)钢板厚度20mm(b)钢板厚度10mm(e)钢板厚度25mm(c)钢板厚度15mm(f)钢板厚度30mm•调整钢板厚度，从5mm至30mm步长间距为流阻尼系数研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景电涡流阻尼系数随钢板厚度变化关系表钢板厚度z/(mm)洛伦兹力FECD/(N)系数c1/(N·s/m)56328.16437.1阻尼系数随钢板厚度的变化关系•调整钢板厚度，从5mm至30mm步长间距为•流阻尼系数。•c1=6.6265z5-0.0602z4+2.1772z3+2.1772z2-41.8574z+9305.9980研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景Barge式风力发电机组示意图NREL5MW基准风机参数项目参数额定功率/MW5叶片数3控制方式变速、集中式变浆风轮直径/m轮毂高度/m切入、额定、切出风速/(m/s)风轮质量/t机舱质量/t240塔架质量/t347.5NREL5MWBarge式平台参数项目参数长×宽/m×m40×40吃水深度/m4平台排水量/m6000平台总质量/kg5452000横摇惯量/(kg·m-3)726900000纵摇惯量/(kg·m-3)726900000艏摇惯量/(kg·m-3)1454000000锚深度/m锚长度/m473.3锚直径/m0.0809缆索拉伸刚度/N589000000研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景•无风静水环境下，通过调整质量比、阻尼比和频率比来研究自由衰减工况下在机舱放置ECD对风机的振动控制效果，对ECD进行优化，从而确定出最优的质量比、阻尼比和频率比。塔顶前后位移时域图塔顶前后位移频域图ECD自由衰减位移时域图研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景质量比不同阻尼比不同频率比不同质量比不同阻尼比不同频率比不同λ314155161λ51515151λ55551研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景为了充分探究ECD对于Barge式风机的振动控制效果，考虑以下4种工况。分别采用三种控制方案进行模拟方案A（在机舱处设置ECD方案B（在平台处设置ECD方案C（在机舱和平台联合设置ECD）风浪流载荷工况设计•应用Tubsim程序基于IEC标准进行风况模拟轮毂高度处5m/sNTM风速图5m/sNTM全域风场图轮毂高度处12m/sNTM轮毂高度处12m/sNTM风速图12m/sNTM全域风场图轮毂高度处18m/sNTM风速图18m/sNTM全域风场图152341441•提取塔顶前后位移、塔底前后方向剪力和弯矩、纵摇角位移以及叶根弯矩分析抑振效果。•采用标准差抑制率和最大振幅抑制率作为评价抑振效果的指标。研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景n工况1下方案A对风机响应的抑制分析（NTM风速5m/s）切入风速正常湍流风塔顶前后位移时域图标准差抑制率：30.1%塔顶前后位移频域图最大振幅抑制率：24.8%纵摇角位移时域图标准差抑制率：41.7%纵摇角位移频域图最大振幅抑制率：42.0%叶根弯矩时域图标准差抑制率：27.7%叶根弯矩频域图最大振幅抑制率：30.0%研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景n工况1下方案B对风机响应的抑制分析（NTM风速5m/s）塔顶前后位移时域图塔顶前后位移频域图纵摇角位移时域图纵摇角位移频域图叶根弯矩时域图叶根弯矩频域图•标准差抑制率分别为25.9%、26.8%、26.7%、29.1%、17.7%；最大振幅抑制率分别为24.8%、26.9%25.4%、42.0%、30.0%。研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景n工况1下方案C对风机响应的抑制分析（NTM风速5m/s）塔顶前后位移时域图塔顶前后位移频域图纵摇角位移时域图纵摇角位移频域图纵摇角位移频域图叶根弯矩时域图叶根弯矩频域图•标准差抑制率分别为25.9%、29.5%、27.4%、33.3%、20.8%；最大振幅抑制率分别为11.9%、16.1%、13.5%、34.8%、23研究结论研究结论研究思路研究内容研究背景n分析汇总不同环境工况下方案A、B、C标准差抑制率和最大振幅抑制率标准差抑制率%最大振幅抑制率%工况塔顶前后位移塔底前后方向剪力塔底前后方向弯矩纵摇角位移叶根弯矩塔顶前后位移塔底前后方向剪力塔底前后方向弯矩纵摇角位移叶根弯矩方案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