环境荷载激励下海上风力发电塔响应分析与控制

发布时间：2020-09-17 14:08

　　风能作为一种清洁能源,日益受到人们的关注,相比于陆地风能,海上风能具有风速风向稳定、湍流强度低、地面摩阻小等特点。海上风力发电塔架结构作为海上风能开发的载体,确保该结构在不同荷载工况下安全稳定的工作是我们研究的重要内容。海上风力发电塔架具有高度高、柔度大等特点,在风、波浪及地震作用下极易发生振动及变形,造成结构疲劳、损伤甚至倒塌破坏,研究其在环境荷载下的动力响应、倒塌破坏规律,并通过减振装置对结构的振动响应进行控制,减缓结构的疲劳损伤,延长结构的使用寿命。本文依托实际工程,通过有限元软件对3.6MW海上风力发电塔架结构的动力响应及倒塌规律进行研究,并利用减振装置对该结构的振动响应进行控制,主要完成了以下几个方面的内容:(1)根据海上风力发电塔架的结构特点及所处环境特点,运用MATLAB编程实现脉动风荷载及随机波浪荷载的模拟。采用基于三角级数的谐波叠加法模拟随机风速时程,采用沿高度变化的Kaimal谱模拟脉动风速时程,并计算得到脉动风荷载时程。运用谱分析法模拟波浪荷载,基于JONSWAP谱通过Morison方程生成波浪荷载。通过对比生成荷载模拟谱及对应目标谱,验证两种荷载模拟的正确性。(2)运用ABAQUS建立3.6MW海上风力发电塔架模型,通过有限元软件对结构施加风-波荷载,对其在多个风速下结构塔筒及叶片动力响应进行分析,并对风-波浪荷载作用下结构进行易损性分析,获得海上风力发电塔架结构的临界倒塌风速及不同风速下结构的倒塌概率。(3)基于易损性原理对3.6MW海上风力发电塔架进行地震易损性分析,通过Pushover分析,确定结构的倒塌准则,选取FEMA推荐的20条远场地震波进行动力增量分析,得到20条地震动激励下不同PGA的倒塌概率,拟合结构地震作用下的易损性曲线。从地震动加速度反应谱角度出发,提出评价地震动强度的指标,判断给定地震动作用下结构是否发生破坏。(4)研究调谐质量阻尼器(Mass Tuned Damper简称“TMD”)及多重调谐质量阻尼器(Multi Mass Tuned Damper简称“MTMD”)的减振原理,通过ABAQUS有限元软件模拟减振装置,通过海上风力发电塔架结构的塔顶位移、加速度、位移包络及叶片尖端的位移幅值等指标对减振效果进行评价,通过对质量比、频率比等参数进行分析,得到结构的最优减振参数,为指导工程实践提供依据。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315;TU311.3
【部分图文】：

分布图,风力发电场

海面粗糙度低、风切变小等特点，具有陆地风不可比拟的优势，因此风电技术已逡逑经由之前的陆上逐渐转移至海上，大力发展海上风电技术己成为重要的发展战略逡逑之一，图１．１为我国江苏如东１５０兆瓦海上风电示范项目。逡逑！：：？邋？Ｂｔ，ｔｈａｕ邋？逡逑Ｉｄ：逡逑图１．１海上风力发电场逦图１．２欧洲海上风力发电场分布图逡逑上世纪８０年代至９０年代，欧洲各国开始对海上风能进行大范围的评估，^u逡逑始探究海上风能开发的可行性，初步对相关技术开始研究，完成示范工程，而后逡逑进行大批量的商业化开发，开启了海上风电的发展之路。瑞典在２０世纪８０年代逡逑安装了世界上首台海上风机；丹麦紧随其后，在波罗的海的Ｖｉｎｄｅｂｙ附近建成世逡逑界上第一个海上风电场；２０００年后，欧洲一些国家，如英国、丹麦、荷兰等开始逡逑大力发展海上风电，欧洲进入了海上风电高速发展时期。２０１３年，于英国肯特海逡逑湾以东２０公里建成海上风电场“伦敦矩阵”

风力发电,塔架,脉动风

２．２．２海上风力发电塔脉动风生成逡逑结合海上风力发电塔架的结构特点，将风力发电机自下至上进行分段处理，逡逑自下而上结构划分为１３部分，取每段的中心作为结构的参考高度，如图２．１所逡逑示，分别计算该结构各分段的挡风面积，确定各分段体形系数，如表２．１所示，逡逑通过ＭＡＴＬＡＢ脉动风生成程序计算得到风荷载时程。３．６ＭＷ海上风力发电塔架逡逑第３、７点及叶片处风速时程曲线如图２．２所示，为验证该方法的正确性，将结逡逑构对应点模拟风场的功率谱与目标谱进行了比较，如图２．２所示。由图可知，由逡逑于风荷载的风剪效应，风荷载随结构高度的增加逐渐增大，脉动风荷载功率谱与逡逑目标谱拟合良好，可以用于后期海上风力发电塔架动力响应研究。逡逑Ｈ逡逑，挟＇逡逑ＸＸ邋／邋Ｖ逡逑图２．１海上风力发电塔架脉动风分段示意图逡逑逦表２．１邋３．６ＭＷ海上风力发电塔架逦逡逑Ｒｅｇｉｏｎ逦中心高度（ｍ）逦质量（ｔ）逦挡风面积（ｍ２）逡逑１逦－１５逦４９．１２逡逑２逦－５逦４９．１２逡逑３逦２．５逦

时程图,脉动风荷载,风速,风力发电

【参考文献】