清華大學深圳國際研究生院在海上風機自動安裝領域取得新進展_風聞

風能資源的總儲量大，是現階段公認的相對成熟的可再生能源。海上風電具有不佔用土地資源、單機功率高、空間上接近需求側等優勢。大力發展新能源和可再生能源，是推進能源多元清潔發展、培育戰略性新興產業的重要戰略舉措，也是保護生態環境、應對氣候變化、實現可持續發展的迫切需要。2021年全球總新增風力發電機組裝機容量達93.6GW，其中中國佔比約51%。然而，高昂的安裝成本一直是制約海上風電市場競爭力的重要因素。

單葉片安裝是海上風電分體安裝的重要過程之一，需克服複雜海洋風浪流動力環境，在百米高空完成“穿針引線”般的對接作業，對作業海況要求高（見圖1）。傳統的基於作業人員經驗的安裝方式效率較為低下，且全年作業窗口期短。為克服海洋風浪環境多變、對接精度要求高、葉片氣動特性複雜等問題，發展集成主動控制系統的海上風電安裝方法可為海上風電降本增效提供支撐。控制的目標是降低葉根和輪轂之間的相對運動，實現快速、高效、安全的對接過程。

圖1.單葉片安裝過程 （a）葉片和輪轂對接，（b）高精度對接作業，（c）葉片定位銷

近日，清華大學深圳國際研究生院任政儒助理教授及合作者提出基於主動纜繩張力控制的自動化單葉片欠驅動安裝方法，通過控制連接在吊具上的水平纜繩的張力，從而實現在複雜風場情境下的葉根與輪轂間相對運動補償（圖2）。本研究從多維度有效改善初代控制方法的不足：相比於先前的葉片穩定系統，集成感知風機輪轂運動並輸入至路徑規劃系統，進而實現相對運動的補償；除了水平面（葉片徑向運動和轉角）二自由度外，改進三自由度模型，充分考慮軸向運動可能產生的影響，進一步優化配置，利用2根纜繩降低葉根和輪轂間的三自由度相對運動；通過引入纜繩傾角和吊機轉角變量，令控制方法和模型驗證結果更貼近實際工程問題（圖3（a））；將單葉片安裝劃分為三個安裝階段（圖3（b）），並提出普適主動控制框架；通過理論推導和數值模擬進行驗證。

圖2.單葉片吊裝系統圖

圖3.（a）簡化單葉片安裝模型；（b）單葉片安裝的三個階段：穩定（Stage1）、運輸（Stage2）和對接（Stage3）

研究人員提出水平纜繩傾角的表徵形式，改進吊機-單葉片安裝的三自由度欠驅控制模型。採用模塊反推方法設計控制器，並利用李雅普諾夫方法進行理論證明。通過獨立開發的水動-氣動-多體高精度仿真工具驗證控制方法的可靠性。此外，研究結合敏感性分析確定纜繩傾角對於控制效果的影響，並給出適用建議（圖4，圖5）。

圖4.水平纜繩的垂向傾角對輪轂-葉根相對運動標準差（STD）的影響

圖5.水平纜繩的水平傾角對輪轂-葉根相對運動標準差（STD）的影響

相關研究成果以“基於主動纜繩張力的自升式安裝船單葉片安裝欠驅控制與分析”(Underactuated control and analysis of single blade installation using a jackup installation vessel and active tugger line force control)為題發表於《海洋結構物》（Marine Structures）。

論文第一作者為清華大學深圳國際研究生院任政儒助理教授，通訊作者為大連理工大學甄興偉副教授。其他合作者包括阿哥德大學蔣致禹副教授、挪威科技大學高震教授、上海交通大學李曄教授、大連理工大學施偉副教授。該研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。（供稿：清華大學）