基于頻率控制的多約束風電塔優(yōu)化設(shè)計方法.pdf

1、隨著能源危機和環(huán)境問題日趨嚴重，風能作為一種潛力巨大的清潔可再生能源，獲得了前所未有的發(fā)展機遇。近年來，風電技術(shù)飛速發(fā)展，為了獲取高空中更豐富更穩(wěn)定的風資源，風電塔架的高度越來越高。但是，隨著高度的增加，風電塔的設(shè)計面臨造價和安全穩(wěn)定運行間的巨大矛盾。一方面，如果將高風電塔架設(shè)計得較柔，雖然可以降低塔架重量，但是在風荷載和轉(zhuǎn)動的葉輪葉片及它們間的相互作用引起的動荷載下，有可能更容易發(fā)生共振和疲勞破壞，另一方面，如果提高塔架的剛度，造價會

2、大大提高。所以，高塔的設(shè)計優(yōu)化非常有意義。
　　為了獲得造價合理并可保障風機系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的風電塔架優(yōu)化設(shè)計，本文提出了基于頻率控制的多約束風電塔架優(yōu)化設(shè)計方法。作為研究工作的起步，我們考慮單管型陸上風電塔架，塔架簡化成非均勻的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其橫截面參數(shù)作為設(shè)計變量，以最小材料體積為目標函數(shù)，按照將塔架設(shè)計成“剛-剛”或“剛-柔”或“柔-柔”不同類型的要求設(shè)定塔架的固有頻率約束，采用專業(yè)軟件Bladed計算結(jié)構(gòu)荷載，按照風電塔規(guī)范

3、考慮強度、穩(wěn)定性和疲勞等約束，這使得優(yōu)化結(jié)構(gòu)更符合工程設(shè)計的實際。考慮到荷載計算工作量很大，整個優(yōu)化過程分為幾個階段，在每個階段的開始，前一個階段的優(yōu)化設(shè)計作為初始設(shè)計，并重新計算結(jié)構(gòu)荷載，在該階段內(nèi)在固定荷載下用移動漸近線法MMA程序求解優(yōu)化問題改進設(shè)計，所需的頻率、強度及疲勞約束靈敏度采用解析法獲得。文中對一現(xiàn)有塔架進行優(yōu)化以說明方法的有效性。
　　風力發(fā)電機組是一個復雜的系統(tǒng)，由風輪、機艙、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)等部

4、分組成。其結(jié)構(gòu)荷載不僅與復雜多變的外部環(huán)境荷載（風荷載等）有關(guān)，而且還會受到由于塔架與風機耦合振動引起的動力放大的影響。隨著結(jié)構(gòu)尺寸和頻率的變化，結(jié)構(gòu)荷載也是有差異的。對于風電塔架而言，表征其結(jié)構(gòu)差異的參數(shù)有很多，如塔架體積、固有頻率、截面尺寸參數(shù)（如半徑、壁厚）等。為了驗證這些參數(shù)對風機塔架荷載的影響程度的差異，采用控制變量的方法定量的研究各參數(shù)對結(jié)構(gòu)荷載的影響大小。結(jié)果說明塔架的頻率對塔架荷載的影響最大。
　　風電塔架會長期受