To study the vibration frequency of super high-rise buildings in the process of vortex induced vibration (VIV), wind tunnel tests of multi-degree-of-freedom (MDOF) aero-elastic models were carried out to measure the vibration frequency of the system directly. The effects of structural damping, wind field category, mass density, reduced wind velocity ($V_r$), as well as VIV displacement on the VIV frequency were investigated systematically. It was found that the frequency drift phenomenon cannot be ignored when the building is very high and flexible. When $V_r$ is less than 8, the drift magnitude of the frequency is typically positive. When $V_r$ is close to the critical wind velocity of resonance, the frequency drift magnitude becomes negative and reaches a minimum at the critical wind velocity. When $V_r$ is larger than12, the frequency drift magnitude almost maintains a stable value that is slightly smaller than the fundamental frequency of the aero-elastic model. Furthermore, the vibration frequency does not lock in the vortex shedding frequency completely, and it can even be significantly modified by the vortex shedding frequency when the reduced wind velocity is close to 10.5.
The recorded thunderstorm winds at a point contain tri-directional components. The probabilistic characteristics of such recorded winds in terms of instantaneous mean wind speed and direction, and the probability distribution and the time-frequency dependent crossed and non-crossed power spectral density functions for the high-frequency fluctuating wind components are unclear. In the present study, we analyze the recorded tri-directional thunderstorm wind components by separating the recorded winds in terms of low-frequency time-varying mean wind speed and high-frequency fluctuating wind components in the alongwind direction and two orthogonal crosswind directions. We determine the time-varying mean wind speed and direction defined by azimuth and elevation angles, and analyze the spectra of high-frequency wind components in three orthogonal directions using continuous wavelet transforms. Additionally, we evaluate the coherence between each pair of fluctuating winds. Based on the analysis results, we develop empirical spectral models and lagged coherence models for the tri-directional fluctuating wind components, and we indicate that the fluctuating wind components can be treated as Gaussian. We show how they can be used to generate time histories of the tri-directional thunderstorm winds.
Non-stationarity and non-Gaussian property are two of the most important characteristics of wind. These two features are studied in this study based on wind speed records measured at different heights from a 325 m high meteorological tower during the synoptic wind storms. By using the time-frequency analysis tools, it is found that after removing the low frequency trend of the longitudinal wind, the retained fluctuating wind speeds remain to be asymmetrically non-Gaussian distributed. Results show that such non-Gaussianity is due to the weak-stationarity of the detrended fluctuating wind speed. The low frequency components of the fluctuating wind speeds mainly contribute to the non-zero skewness, while distribution of the high frequency component is found to have high kurtosis values. By further studying the decomposed wind speed, the mechanisms of the non-Gaussian distribution are examined from the phase, turbulence energy point of view.
In this study, the climatological spatio-temporal variation of strong wind and gust wind in Korea during the period from 1993 to 2018 was analyzed using daily maximum wind speed and daily maximum instantaneous wind speed data recorded at 61 observations. Strong wind and gust wind were defined as 14 m s-1 and 20 m s-1, which are the same as the KMA's criteria of special weather report. The frequency of strong wind and gust wind occurrence was divided into regions with the higher 25 percent (Group A) and the lower 75 percent (Group B). The annual frequency of strong wind and gust wind occurrence tended to be decreased in most parts of the Korean peninsula. In Group A with stations located at coastal region, strong wind and gust wind occurred most frequently in winter with higher frequency at 1200~1600 LST and 2300~2400 LST due to influence of East Asian winter monsoon. In addition, a marked decreasing trend throughout the four seasons was shown at Daegwallyeong, Gunsan and Wando observations. In contrast, it can be found in Group B that the monthly frequency of strong wind and wind gust occurrence was higher in August and September by effect of typhoon and hourly frequency was higher from 1200 LST to 1800 LST.
Wind turbine tower has a very important role in wind turbine system as one of the renewable energy that has been attracting attention worldwide recently. Due to the growth of wind power market, advance and development of offshore wind system and getting huger capacity is inevitable. As a result, the vibration is generated at wind turbine tower by receiving constantly dynamic loads such as wind load and wave load. Among these dynamic loads, the mechanical load caused by the rotation of the blade is able to make relatively periodic load to the wind turbine tower. So natural frequency of the wind turbine tower should be designed to avoid the rotation frequency of the rotor according to the design criteria to avoid resonance. Currently research of the wind turbine tower, the precise research does not be carried out because of simplifying the structure of the other upper and lower. In this study, the effect of blade modeling differences are to be analyzed in natural frequency of wind turbine tower.
This work proposes a control method of frequency stabilization for grid integration of large-scale wind farms via the voltage source converter-based high-voltage direct current (VSC-HVDC) technology. First, the topology of grid integration of a large-scale wind farm via the VSC-HVDC link is provided, and simple control strategies for wind turbines, wind farm side VSC (WFVSC), and grid side VSC are presented. Second, a mathematical model between the phase angle of WFVSC and the frequency of the wind farm is established. The control principle of the large-scale wind power integrated system is analyzed in theory in accordance with the mathematical model. Third, frequency and AC voltage controllers of WFVSC are designed based on the mathematical model of the relationships between the phase angle of WFVSC and the frequency of the wind farm, and between the modulation index of WFVSC and the voltage of the wind farm. Corresponding controller structures are established by deriving a transfer function, and an optimization method for selecting the parameters of the frequency controller is presented. Finally, a case study is performed under different operating conditions by using the DIgSILENT/PowerFactory software. Results show that the proposed control method has good performance in the frequency stabilization of the large-scale wind power integrated system via the VSC-HVDC technology.
Power system of Jeju is interconnected to the mainland using HVDC and that is also interconnected to three wind farms. It will be difficult to control of Jeju power system if HVDC is disconnected or HVDC is overhauled under large scale wind farms interconnected. We measured and analysed the power quality of two substation and two wind farms to assess that wind farms have an effect on Jeju system during the HVDC overhaul last May. We concentrated on the power quality like frequency, voltage variation, voltage harmonics, current harmonics, flicker. We can found that the frequency of Jeju system is very unstable during overhaul, so the frequency of Jeju system can be variated easily by wind farm's rapid output power variation. There are some benefits and weak points in power quality between two wind farms because each wind farm is consist of different wind turbines.
A series of wind tunnel free-decay sectional model dynamic tests were conducted to examine the effects of torsional-to-vertical natural frequency ratio of 2DOF bridge dynamic systems on the aerodynamic and dynamic properties of bridge decks. The natural frequency ratios tested were around 2.2:1 and 1.2:1 respectively, with the fundamental vertical natural frequency of the system held constant for all the tests. Three 2.9 m long twin-deck bridge sectional models, with a zero, 16% (intermediate gap) and 35% (large gap) gap-to-width ratio, respectively, were tested to determine whether the effects of frequency ratio are dependent on bridge deck cross-section shapes. The results of wind tunnel tests suggest that for the model with a zero gap-width, a model to approximate a thin flat plate, the flutter derivatives, and consequently the aerodynamic forces, are relatively independent of the torsional-to-vertical frequency ratio for a relatively large range of reduced wind velocities, while for the models with an intermediate gap-width (around 16%) and a large gap-width (around 35%), some of the flutter derivatives, and therefore the aerodynamic forces, are evidently dependent on the frequency ratio for most of the tested reduced velocities. A comparison of the modal damping ratios also suggests that the torsional damping ratio is much more sensitive to the frequency ratio, especially for the two models with nonzero gap (16% and 35% gap-width). The test results clearly show that the effects of the frequency ratio on the flutter derivatives and the aerodynamic forces were dependent on the aerodynamic cross-section shape of the bridge deck.
To maximize power generation and reduce the construction cost of a commercial utility-grade wind turbine, the size of the wind turbine should be large. The initial design of the 12 MW University of Ulsan(UOU) Floating Offshore Wind Turbine(FOWT) was carried out based on the 5 MW National Renewable Energy Laboratory(NREL) offshore wind turbine model. The existing 5 MW NREL offshore wind turbines have been expanded to 12 MW UOU FOWT using the geometric law of similarity and then redesigned for each factor. The resonance of the tower is the most important dynamic responses of a wind turbine, and it should be designed by avoiding resonance due to cyclic load during turbine operations. The natural frequency of the tower needs to avoid being within the frequency range corresponding to the rotational speed of the blades, 1P, and the blade passing frequency, 3P. To avoid resonance, vibration can be reduced by modifying the stiffness or mass. The direct expansion of the 5 MW wind turbine support structure caused a resonance problem with the tower of the 12 MW FOWT and the tower length and diameter was adjusted to avoid a match of the first natural frequency and 3P excitation of the tower.
In this paper, characteristics of infrasound and low-frequency noise emission from large modern wind turbines are experimentally investigated. The sound measurement procedures of IEC 61400-11 and ISO 7196 are utilized to field test and evaluation of noise emission from each of 1.5 MW and 660 kW wind turbines using the stall regulation and the pitch control for the power regulation, respectively. It was found that the G-weighted SPLs of low-frequency noise including infrasound shows positive correlation with the wind speeds, irrespective of methods of power regulation. This highlights the potential complaint of local community against the infrasound and low-frequency noise of wind turbines. The comparison of measured data with the existing hearing thresholds and criteria curves shows that it is highly probable that the low-frequency noise from the 1.5 MW and 660 kW wind turbines in the frequency range over 30 Hz leads to the psychological complaint of ordinary adults, and that the infrasound in the frequency range from 5 Hz to 8 Hz causes the complaint by rattling the house fitting such as doors and windows.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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