桩柱式海上风机结构地震响应分析方法与运行控制策略研究

The key technical problem for the design and operation of offshore wind turbines in high seismic intensity region is the overall coupling analysis method and operation control strategy for offshore wind turbines under earthquakes. At present, the semi-integrated method is mostly adopted during the seismic response analysis for offshore wind turbine structures, completely ignoring the coupling effect among the rotor system, the control system and the supported system under earthquakes. The offshore wind turbine operation control strategies suitable for seismic combined conditions have not been proposed. The dynamic model test technique for the coupling effect between aeroelastic and hydrodynamic loads is also urgently needed. The combination analysis of theoretical analysis, numerical simulation and physical model experiment will be used in this project. Based on the pile-column offshore wind turbine, the fully coupled analysis method of the whole wind turbine structure under earthquakes is established, and the coupling mechanism and failure mode of offshore wind turbine structures under combined conditions are revealed. The multi-parameter control model (MIMO) of electromechanical system for the offshore wind turbine structure under seismic combined conditions is established, and the operation control strategies under different seismic combined conditions are proposed. The dynamic model experiment for the overall structure of the offshore wind turbine that meets the similarity of the aeroelastic-hydrodynamic-elastic joint is developed. The theoretical guidance is provided for the seismic design and safe operation of the pile-column offshore wind turbine structure in the high-intensity seismic zone, and the technical support is provided for the large-scale development of coastal wind power in China.

地震作用下海上风机结构整体耦合分析方法及运行控制策略是在地震高烈度区开展海上风机结构设计与安全稳定运行所面临的关键技术问题。现阶段海上风机结构地震反应分析多采用半整体方法，完全忽略地震作用下转子系统、控制系统与支撑系统之间的耦合效应，尚未提出适用于地震组合工况的海上风机运行控制策略，准确模拟气弹及水动荷载之间耦合效应的动力模型试验技术也亟待突破。本项目采用理论分析、数值模拟和物模实验相结合的方法，基于桩柱式海上风机建立地震作用下整体结构耦合分析方法，揭示地震及地震组合工况下海上风机结构耦合机理及失效模式；建立地震组合工况下的海上风机结构机电系统多参数MIMO控制模型，提出不同等级地震组合工况下的运行控制策略；开发满足气弹-水动-弹性联合相似的海上风机整体结构动力模型实验技术，为地震高烈度区桩柱式海上风机结构的抗震设计与安全运行提供理论指导，为我国大规模开发沿海地区风电提供技术支撑。

本项目重点围绕地震作用下海上风机结构整体耦合分析理论、海上风机结构运行控制策略以及海上风机整体结构动力模型试验技术开展研究，通过联合运用理论推导、数值仿真及模型试验等方法，取得了如下重要研究进展：（1）基于气动、水动、结构动力学和有限元理论，推导建立了地震、风、浪联合作用下海上风机结构耦合运动方程，基于等效耦合弹簧模型模拟了桩基础的柔性，基于上述理论，对时域耦合数值仿真工具进行了二次开发，构建了地震荷载模块和耦合桩-土模块，从而建立了地震、风、浪联合作用下海上风机整体耦合模型。（2）基于耦合数值仿真模型开展整体结构响应分析，揭示了不同桩-土相互作用等效边界条件对地震作用下海上风机结构安全控制指标的影响，如塔筒顶部位移和基底倾覆力矩等；同时揭示了风、浪环境荷载与海上风机结构之间的相互作用对海上风机结构耦合地震响应的影响，如三倍转子转动频率对于地震作用下正常运行海上风机结构塔顶位移的影响。（3）基于PI控制理论提出了适用于10MW级海上风电机组的基准SISO伺服控制器，依据结构被动减振控制理论，建立了包含伺服机电-结构被动减振联合控制策略的海上风机结构耦合计算模型；以海上风电机组平稳运行和整体结构安全为目标，提出了伺服机电-调谐质量阻尼器联合的MIMO运行控制策略，得到了适用于地震工况的叶片顺桨速率和多重调谐质量阻尼器设计参数。（4）提出了适用于海上风机整体结构动力模型试验的气动-水动-结构弹性响应联合相似准则，研发了适用于低Reynolds数试验风场的转子机舱组件物理试验模型；通过开展风、浪、地震作用下整体结构动力模型试验，揭示了海上风机结构耦合运动响应变化规律，同时以结构耦合运动响应控制率为评价指标，对所提出的被动调谐减振控制方案进行了试验验证。本项目相关研究成果为我国海上风能资源开发建设提供了技术支持。