20世纪后期以来,能源问题成为全球亟待解决的难题,开发新能源是破解全球能源紧缺的关键,其中风力发电是新能源的重要组成部分。为了从空气中获取更多的风能,风机体型越来越大,越来越多的风机安装在地震动活跃区域和近海风资源丰富区域,这就使得风机承受正常运行荷载之外,还有可能遇到地震和台风等极端荷载。风机结构在外界荷载作用下,发生损坏或者倒塌,会造成很大的经济损失。对于大型风机,机电控制主要是通过调整风轮转速和叶片桨距角来控制输出功率,由叶素动量理论(Blade Element Momentum,BEM)可知,风轮转速和叶片桨距角与空气动力荷载有直接的关系,进而影响到风机结构的反应。因此,为了保证风机结构在整个全寿命期内的安全性和稳定性,系统研究大型风机在正常运行荷载、地震和台风等极端荷载作用下振动的结构-机电智能控制方法是非常有意义的。本文结合结构控制和机电控制交叉领域,致力于研究大型风机在正常运行荷载、地震和台风等极端荷载作用下的动力特性和智能控制方法:研究了考虑机电控制对风机结构动力特性的影响;基于人工蜂群(ArtificialBeeColony,ABC)算法研究了以降低风机结构反应和输出功率波动性为控制目标的变桨距控制器参数优化方法;研究了风与地震联合作用下的易损性;基于模糊控制理论研究了风与地震联合作用下用于控制风机结构反应的变桨距控制方法;基于磁流变(Magnetorheological,MR)阻尼器和模糊控制理论研究了风机叶片在极端风荷载作用下的振动控制策略。通过系统的分析和研究,取得了具有一定价值的科研成果。主要研究内容和结论如下:(1)研究了机电控制对风机结构动力反应和疲劳荷载的影响。结合FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures and Turbulence)非线性风机模型,建立了包含结构动力方程和多体动力方程的matlab/simulink联合仿真控制系统,实现了变速变桨距控制;通过雨流计数法计算得出给定时间内的损伤等效荷载(Damage Equivalent Load,DEL)。对比分析了全风速范围内,正常运行与固定风轮转速和叶片桨距角两种情况下的风机结构动力反应和疲劳荷载。研究表明,在进行风机结构动力反应分析时,如果不考虑机电控制的影响,将会高估风机结构的动力反应和低估风机所受疲劳荷载。(2)提出了一种基于ABC算法的变桨距优化控制方法(ABC-PID)。从全寿命周期出发,对于运行状态下以输出功率为目标的单目标控制,提出同时以结构动力反应和输出功率为目标的ABC-PID多目标控制方法。通过塔架顶部位移和风轮转速误差及其对应的超调惩罚项设计了多目标控制函数,将变桨距控制器参数看作蜜源,通过ABC算法智能搜索出最优参数组合。建立FAST与matlab/simulink联合仿真模型,实现了变桨距控制器参数优化,并与现有的控制方法进行对比分析。研究表明,该方法能够有效降低风机结构的反应和输出功率的波动,同时减小了风电机组关键部位的疲劳荷载,增加了风机结构的使用寿命。(3)研究了风机在服役期过程中突发地震动极端荷载作用下的易损性。基于静力Pushover方法和IEC 61400-1规范中的规定,提出了针对风机结构的极限状态指标;研究了地震波数量对风机结构易损性参数估计的敏感性,并给出合理的地震波数量参考值;研究了全风速范围内的停机与正常运行情况下的风机易损性对比;研究了机电控制对风与地震联合作用下的易损性影响。研究表明,风机服役过程中突发地震动极端荷载工况下,运行状态时不断调整的风轮转速和叶片桨距角增加了风机结构的气动阻尼,较停机状态,风机结构动力反应减少和易损性降低。(4)提出了一种在风机在运行过程中突发地震动极端荷载作用下以减少风机结构地震动反应为目标的自适应模糊变桨距(Self-adaptive Fuzzy Pitch,SFP)控制方法。通过Fortran程序和matlab结合编译生成包含地震动模型并且可以进行联合仿真的S函数,在matlab/simulink中建立自适应模糊控制系统模型,结合指数函数建立自适应模糊比例因子调整函数。并与常规变桨距控制情况下风机结构动力反应和易损性曲线对比分析。研究表明,本文提出的SFP方法能够有效降低风与地震联合作用下的风机结构的反应和破坏概率。(5)提出了以减小极端风荷载作用时风机在停机状态下叶片动力反应为控制目标的半主动模糊控制方法。根据叶片结构特点,设计定位钢架,将MR阻尼器安装在叶片内部;设计模糊规则和选取三角形隶属函数;通过ANSYS建立叶片与塔架的耦合模型,提取出对应的质量阵和刚度阵;通过编程实现极端风速时程模拟;在matlab/simulink中建立仿真控制系统模型。从控制器数量、位置和风向旋转90°等方面,对比分析了不同控制情况下叶尖位
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