清華新聞網(wǎng)12月16日電 風(fēng)能資源的總儲(chǔ)量大，是現(xiàn)階段公認(rèn)的相對(duì)成熟的可再生能源。海上風(fēng)電具有不占用土地資源、單機(jī)功率高、空間上接近需求側(cè)等優(yōu)勢(shì)。大力發(fā)展新能源和可再生能源，是推進(jìn)能源多元清潔發(fā)展、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略舉措，也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。2021年全球總新增風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量達(dá)93.6GW，其中中國(guó)占比約51%。然而，高昂的安裝成本一直是制約海上風(fēng)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素。
單葉片安裝是海上風(fēng)電分體安裝的重要過(guò)程之一，需克服復(fù)雜海洋風(fēng)浪流動(dòng)力環(huán)境，在百米高空完成“穿針引線(xiàn)”般的對(duì)接作業(yè)，對(duì)作業(yè)海況要求高（見(jiàn)圖1）。傳統(tǒng)的基于作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)的安裝方式效率較為低下，且全年作業(yè)窗口期短。為克服海洋風(fēng)浪環(huán)境多變、對(duì)接精度要求高、葉片氣動(dòng)特性復(fù)雜等問(wèn)題，發(fā)展集成主動(dòng)控制系統(tǒng)的海上風(fēng)電安裝方法可為海上風(fēng)電降本增效提供支撐。控制的目標(biāo)是降低葉根和輪轂之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速、高效、安全的對(duì)接過(guò)程。
圖1.單葉片安裝過(guò)程 （a）葉片和輪轂對(duì)接，（b）高精度對(duì)接作業(yè)，（c）葉片定位銷(xiāo)
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院任政儒助理教授及合作者提出基于主動(dòng)纜繩張力控制的自動(dòng)化單葉片欠驅(qū)動(dòng)安裝方法，通過(guò)控制連接在吊具上的水平纜繩的張力，從而實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)情境下的葉根與輪轂間相對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（圖2）。本研究從多維度有效改善初代控制方法的不足：相比于先前的葉片穩(wěn)定系統(tǒng)，集成感知風(fēng)機(jī)輪轂運(yùn)動(dòng)并輸入至路徑規(guī)劃系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償；除了水平面（葉片徑向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)角）二自由度外，改進(jìn)三自由度模型，充分考慮軸向運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生的影響，進(jìn)一步優(yōu)化配置，利用2根纜繩降低葉根和輪轂間的三自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)；通過(guò)引入纜繩傾角和吊機(jī)轉(zhuǎn)角變量，令控制方法和模型驗(yàn)證結(jié)果更貼近實(shí)際工程問(wèn)題（圖3（a））；將單葉片安裝劃分為三個(gè)安裝階段（圖3（b）），并提出普適主動(dòng)控制框架；通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。
圖2.單葉片吊裝系統(tǒng)圖
圖3.（a）簡(jiǎn)化單葉片安裝模型；（b）單葉片安裝的三個(gè)階段：穩(wěn)定（Stage1）、運(yùn)輸（Stage2）和對(duì)接（Stage3）
研究人員提出水平纜繩傾角的表征形式，改進(jìn)吊機(jī)-單葉片安裝的三自由度欠驅(qū)控制模型。采用模塊反推方法設(shè)計(jì)控制器，并利用李雅普諾夫方法進(jìn)行理論證明。通過(guò)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的水動(dòng)-氣動(dòng)-多體高精度仿真工具驗(yàn)證控制方法的可靠性。此外，研究結(jié)合敏感性分析確定纜繩傾角對(duì)于控制效果的影響，并給出適用建議（圖4，圖5）。
圖4.水平纜繩的垂向傾角對(duì)輪轂-葉根相對(duì)運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差（STD）的影響
圖5.水平纜繩的水平傾角對(duì)輪轂-葉根相對(duì)運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差（STD）的影響
相關(guān)研究成果以“基于主動(dòng)纜繩張力的自升式安裝船單葉片安裝欠驅(qū)控制與分析”(Underactuated control and analysis of single blade installation using a jackup installation vessel and active tugger line force control)為題發(fā)表于《海洋結(jié)構(gòu)物》（Marine Structures）。
論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院任政儒助理教授，通訊作者為大連理工大學(xué)甄興偉副教授。其他合作者包括阿哥德大學(xué)蔣致禹副教授、挪威科技大學(xué)高震教授、上海交通大學(xué)李曄教授、大連理工大學(xué)施偉副教授。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2022.103338
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
