CN112554359A - 一种利用半主动调频ptlcd控制保护的海上风力发电高塔 - Google Patents
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Abstract
一种利用半主动调频PTLCD控制保护的海上风力发电高塔,特征是,在一般海上风力发电塔筒顶部安装一个PTLCD,同时配备结构振动加速度测量仪、数据采集器、气压测量仪、气泵和可编程控制器;在可编程控制器运行两个软件模块:利用加速度测量仪测量塔顶振动加速度时程,并将数据保存在数据采集器中,可编程控制器将对数据采集器存储的数据进行傅里叶分析,从而得到当前塔筒振动基频。基于上述频率测量分析模块得到的当前塔筒振动基频,可编程控制器得到最优控制效果下的PTLCD中两端空气柱的气压P0。同时,两个气压测量仪可以分别测得PTLCD中当前的压强,分别记为P1和P2,其均值记为Pm,并记ΔP=P0‑Pm。当ΔP>0时,气泵将分别向PTLCD两端气柱中增压ΔP;当ΔP<0时,气泵将分别向PTLCD两端气柱中减压|ΔP|。
Description
技术领域
海上风力发电结构设计领域。
背景技术
海上风力发电系统在服役期间由于受到风荷载和波浪荷载等动力激励而发生结构振动。在上述激励的长期作用下,风力发电系统的主要支撑构件——塔筒将会产生疲劳累积损伤。当疲劳损伤累积到一定程度时,风力机塔筒将会达到疲劳极限而发生破坏。即使塔筒在服役期间没有达到疲劳极限,也有可能由于累积疲劳损伤而无法抵抗极端环境荷载,从而发生结构失效。因此,对风力机塔筒结构进行振动控制,降低风力机塔筒的疲劳荷载具有十分重要的意义。
在风力发电结构的振动控制中,调谐柱状液体阻尼器(TLCD)由于安装维护方便、价格低廉、减振效率较高等优点而受到关注。常见的TLCD为两端开口且装有一定体积水的U型水箱,在水箱水平段中部安装有开孔的隔板,隔板会对运动的液体产生阻尼力。在利用TLCD对风力机塔筒进行振动控制时,为了达到最佳减振效果,需要使TLCD中液体运动频率等于风力发电高塔的振动基频[1]。由于上述TLCD的液体运动频率由水柱总长度决定,因此在设计TLCD 时需要根据上述原则确定TLCD的长度[1]。
但是,根据已有研究结果[2],海上风力发电高塔在服役期间由于侵蚀、疲劳等损伤而导致结构振动频率降低。尤其是海上固定式风力发电高塔,基础在长期冲刷和循环荷载作用下刚度将发生明显改变。因此,在对海上风力发电高塔进行服役期间的长期振动控制时应当考虑结构频率随时间发生变化这一现象。显然,采用上述TLCD难以满足这一要求。事实上,在土木工程建筑和桥梁领域,有学者将上述TLCD进行了拓展,将两端开口的TLCD进行密封处理,并向其内部施加气压,这种形式的TLCD被称为气压调节的TLCD(PTLCD)[3]。PTLCD中的液体运动频率ω的表达式为[3]
式中,g为重力加速度;L为PTLCD中液柱长度,P0为PTLCD中气压;ρw为液体密度;h为PTLCD中气柱长度。
参考文献:
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发明内容
为了降低海上风力发电高塔结构振动、减小其疲劳荷载,同时考虑到海上风力发电高塔在服役期间振动频率随时间变化的特点,提出一种半主动调频PTLCD控制保护的海上风力发电高塔方案。
技术方案:
一种利用半主动调频PTLCD控制保护的海上风力发电高塔,特征是,在一般海上风力发电塔筒顶部安装一个PTLCD,同时配备结构振动加速度测量仪、数据采集器、气压测量仪、气泵和可编程控制器;
在可编程控制器运行两个软件模块:
(1)频率测量分析模块:利用加速度测量仪测量塔顶振动加速度时程,并将数据保存在数据采集器中,可编程控制器将对数据采集器存储的数据进行傅里叶分析,从而得到当前塔筒振动基频。
(2)气压调节模块:基于上述频率测量分析模块得到的当前塔筒振动基频,可编程控制器进一步利用式(2)得到最优控制效果下的PTLCD中两端空气柱的气压P0。同时,两个气压测量仪可以分别测得PTLCD中当前的压强,分别记为P1和P2,其均值记为Pm,并记ΔP=P0-Pm。当ΔP>0时,气泵将分别向PTLCD两端气柱中增压ΔP;当ΔP<0时,气泵将分别向PTLCD两端气柱中减压|ΔP|。
利用这种半主动调频控制装置,可以使得海上风力发电高塔在长期服役期间内始终获得最佳的减振控制效果,从而降低疲劳荷载,增加疲劳寿命。
附图说明
图1:PTLCD的三视图。
图2:该方案的设备布置图。该图主要示意了该方案各个设备的布置以及设备之间的连接方式。
具体实施方式
创新过程
由背景技术中式(1)可以看出,PTLCD液体运动频率不仅可以通过改变水柱长度进行调节,也可以通过改变内部气压进行调节。本发明方案就是在上述原理的基础上,通过监测分析得到海上风力发电结构塔筒实时振动基频,进而调节PTLCD内气压大小,使得PTLCD内液体运动频率始终和风力机结构塔筒振动频率保持一致,从而一直获得最佳减振控制效果。利用式(1)可得到气压的表达式为
g为重力加速度;L为PTLCD中液柱长度,P0为PTLCD中气压;ρw为液体密度;h为PTLCD中气柱长度。
实施例1
需要说明的是,由于风力机结构塔筒振动频率随时间变化较为缓慢,因而不必频繁对塔筒振动基频进行分析并对PTLCD气压进行调节。基于此,同时为了延长设备的使用寿命,可以利用海上风力机设备定期检查维护的机会,人为打开PTLCD设备的调节开关(1年或2年一次),让其自动分析风力机塔筒振动频率和对应的目标气压并对气压进行调节,调节完毕后再关闭开关。
如图1、图2所示,该装置在实施过程中主要包含以下几个步骤:
(1)设计PTLCD:在设计PTLCD时,需要利用海上风力发电高塔整体结构振动频率的数值分析结果,然后参考一般的TLCD的设计流程,确定PTLCD的U型水箱尺寸、水的质量、隔水板的开孔大小等。需要说明的是,海上风力发电结构在服役期间其振动频率通常是随着时间变小,因此后期在利用气压调节PTCLD液体振动频率时,通常是减小PTLCD 气柱压强。因此,在设计PTLCD时需要有较大的初始内部气压,从而为后期气压调节预留出较大的调节范围。
(2)安装PTLCD:在设计完PTLCD之后,将其置于风力发电机机舱内部,PTLCD沿长度方向与机舱横风向平行,从而能够利用PTLCD对塔筒横风向振动进行控制。根据已有的研究结果,由于风力发电结构系统中顺风向气动阻尼的作用,塔筒顺风向振动控制效果往往都不明显,因此不建议针对塔筒顺风向的振动进行控制。
(3)安装并设置频率测量分析模块仪器:将加速度传感器的采样频率设置为5Hz,并将其安装在塔顶位置。加速度传感器的数据输出端与数据采集器相连,设置数据采集器使其只保存最近三天的信号记录,数据采集器的数据输出端与控制器相连。
(4)安装气压测量和调节模块仪器:将两个气压测量仪分别固定在U型PTLCD两端密封端口内部,气压测量仪的信号输出端连接至控制器。气泵两个风口通道分别接入PTLCD两端,气泵由控制器进行控制。
(5)配置控制器:控制器一方面要对塔顶加速度信号进行傅里叶分析从而获得塔筒振动基频,并进一步利用式(2)给出目标气压P0,在分析中需要设置控制器的加速度输入信号采样间隔为5Hz。另一方面,控制器还接收来自气压测量仪测得的PTLCD两端内部的气压,进而获得其平均值Pm。然后,控制器通过比较P0和Pm进而向气泵发送指令,控制气泵对PTLCD两端内部气压进行调节,使其达到目标气压值。可以通过对控制器进行编程配置实现上述功能。
(6)首次安装使用:将上述仪器设备安装完毕后,可以启动加速度传感器和数据采集器,待采集20分钟数据后,再启动其它设备,从而可以得到结构实际振动频率并调节获得最优控制效果下的PTLCD两端内部气压。
(7)日常调节:由于海上风力发电结构的频率随时间变换较为缓慢,因此不必频繁调节 PTLCD内部气压。在平常时间可以只打开加速度传感器和数据采集器的开关。当对海上风电设备定期检查维护时,可以启动PTLCD其它设备的开关(1年或2年一次),让其自动分析风力机塔筒振动频率并对PTLCD两端内部气压进行调节,调节完毕后再关闭这些设备的开关。
Claims (1)
1.一种利用半主动调频PTLCD控制保护的海上风力发电高塔,特征是,在一般海上风力发电塔筒顶部安装一个PTLCD,同时配备结构振动加速度测量仪、数据采集器、气压测量仪、气泵和可编程控制器;
在可编程控制器运行两个软件模块:
(1)频率测量分析模块:利用加速度测量仪测量塔顶振动加速度时程,并将数据保存在数据采集器中,可编程控制器将对数据采集器存储的数据进行傅里叶分析,从而得到当前塔筒振动基频;
(2)气压调节模块:基于上述频率测量分析模块得到的当前塔筒振动基频,可编程控制器进一步利用式(2)得到最优控制效果下的PTLCD中两端空气柱的气压P0;同时,两个气压测量仪可以分别测得PTLCD中当前的压强,分别记为P1和P2,其均值记为Pm,并记ΔP=P0-Pm;当ΔP>0时,气泵将分别向PTLCD两端气柱中增压ΔP;当ΔP<0时,气泵将分别向PTLCD两端气柱中减压|ΔP|。
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