风能资源的总储量大，是现阶段公认的相对成熟的可再生能源。海上风电具有不占用土地资源、单机功率高、空间上接近需求侧等优势。大力发展新能源和可再生能源，是推进能源多元清洁发展、培育战略性新兴产业的重要战略举措，也是保护生态环境、应对气候变化、实现可持续发展的迫切需要。2021年全球总新增风力发电机组装机容量达 93.6 GW，其中中国占比约51%。然而，高昂的安装成本一直是制约海上风电市场竞争力的重要因素。
单叶片安装是海上风电分体安装的重要过程之一，需克服复杂海洋风浪流动力环境，在百米高空完成“穿针引线”般的对接作业，对作业海况要求高（见图1）。传统的基于作业人员经验的安装方式效率较为低下，且全年作业窗口期短。为克服海洋风浪环境多变、对接精度要求高、叶片气动特性复杂等问题，发展集成主动控制系统的海上风电安装方法可为海上风电降本增效提供支撑。控制的目标是降低叶根和轮毂之间的相对运动，实现快速、高效、安全的对接过程。
图1.单叶片安装过程 （a）叶片和轮毂对接，（b）高精度对接作业，（c）叶片定位销
近日，清华大学深圳国际研究生院任政儒及合作者提出基于主动缆绳张力控制的自动化单叶片欠驱动安装方法，通过控制连接在吊具上的水平缆绳的张力，从而实现在复杂风场情境下的叶根与轮毂间相对运动补偿（图2）。本研究从多维度有效改善初代控制方法的不足：相比于先前的叶片稳定系统，集成感知风机轮毂运动并输入至路径规划系统，进而实现相对运动的补偿；除了水平面（叶片径向运动和转角）二自由度外，改进三自由度模型，充分考虑轴向运动可能产生的影响，进一步优化配置，利用2根缆绳降低叶根和轮毂间的三自由度相对运动；通过引入缆绳倾角和吊机转角变量，令控制方法和模型验证结果更贴近实际工程问题（图3(a)）；将单叶片安装划分为三个安装阶段（图3(b)），并提出普适主动控制框架；通过理论推导和数值模拟进行验证。
图2. 单叶片吊装系统图 (a) 全局，（b）放大
图3.(a)简化单叶片安装模型；（b）单叶片安装的三个阶段：稳定（Stage 1）、运输（Stage2）和对接（Stage 3）
研究人员提出水平缆绳倾角的表征形式，改进吊机-单叶片安装的三自由度欠驱控制模型。采用模块反推方法设计控制器，并利用李雅普诺夫方法进行理论证明。通过独立开发的水动-气动-多体高精度仿真工具验证控制方法的可靠性。此外，研究结合敏感性分析确定缆绳倾角对于控制效果的影响，并给出适用建议（图4,5）。
图4.水平缆绳的垂向倾角对轮毂-叶根相对运动标准差（STD）的影响
图5.水平缆绳的水平倾角对轮毂-叶根相对运动标准差（STD）的影响
相关研究成果以“基于主动缆绳张力的自升式安装船单叶片安装欠驱控制与分析”(Underactuated control and analysis of single blade installation using a jackup installation vessel and active tugger line force control)为题发表于《海洋结构物》（ Marine Structures ）。论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院任政儒助理教授，通讯作者为大连理工大学甄兴伟副教授。其他合作者包括阿哥德大学蒋致禹副教授、挪威科技大学高震教授、上海交通大学李晔教授、大连理工大学施伟副教授。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2022.103338
文/图：任政儒
编辑：彭锦涛
封面设计：吴宇涛