海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
两种不同基础的漂浮式风机载荷对比分析
Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏａｄｓ ｏｆ Ｔｗｏ Ｔｙｐｅｓ
ｏｆ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ
ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇｌｉａｎｇꎬ ＷＵ Ｊｕｎｈｕｉꎬ ＸＵ Ｙａｎｇｙａｎｇꎬ ＬＡＩ Ｊｉｎｇｊｉｎｇ
( Ｓｉｎｏｖｅｌ Ｗｉｎｄ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７２ꎬ Ｃｈｉｎａ)
farreachingsea?windturbineunit?offshorewindpower?floatingwindturbine与陆上风电场开发相比?深远海具有范围更广风能资源更丰富风速更稳定风速更高的优点?且不会与海上渔场航线等发生冲突?对人类生产生活的环境影响较小?发展海上风电具有得天独厚的优势?必将成为未来全球风电开发的重要方向?全球80的海上风资源位于水深超过60m的海域?这对固定式基础风机是巨大的挑战?目前?世界上建成的海上风电场绝大多数为近海风电场?相对于传统的海床固定式海上风电机组?漂浮式海上风电机组可以安装到具有强风的远洋深处?因此风能利用大幅提升1?2009年挪威石油公司在挪威海岸附近的北海220m水深环境中试运行第一台漂浮式机组hywind?2017年第一个海上风电场hywindii在英国诞生?实现了浮式风机商业化的突破?漂浮式风机早已走出概念设计和实验室研究的阶段?出现了各式各样的型式?漂浮式风电场示范项目近几年也不断涌现?随着海漂浮式技术的快速成熟?漂浮式海上风电将很快实现大规模商业化?表1为已经建设和即将要建设部分漂浮式风电场项目?海上风电机组设计开发是一项比较复杂的工程?尤其是漂浮式风电机组?涉及到风浪流复杂恶劣的环境?对技术的要求较高23?载荷计算是海上风电机组开发首先要解决问题?准确的载荷计算对评估结构的安全性非常重要?56水电与新能源2020年第2期表1部分已经和即将投产风电场项目表mw项目名称装机容量单机容量基础形式国家地区预计投产时间hywindscotland306spar单柱式英国2017windfloatatlantic258semi半潜葡萄牙2019flocan5canary2558semispar半潜单柱式西班牙2020nautilus55semi半潜西班牙2020seatwirls2垂直轴11未知瑞典2020kincardine488semisemispar英国2020forthwindproject两叶片12双体船英国2020efgl246semi半潜法国2021groixbellelle246semi半潜法国2021flgwindfarm248tlp法国2021eolmed256
海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析
海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析张开华;张智伟;陈明亮;吴俊辉;宋丽丽;常璐【摘要】载荷计算是海上风电机组开发的关键性工作,准确的载荷仿真非常重要.在全面调研海上风电机组载荷仿真计算软件,尤其是浮式载荷仿真软件的基础上,简要介绍了主要计算软件的特点、新的改进及其发展趋势,以期对海上风电载荷计算工程师有所帮助.【期刊名称】《水电与新能源》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】6页(P63-68)【关键词】海上风力发电机组;载荷计算;计算软件;深海【作者】张开华;张智伟;陈明亮;吴俊辉;宋丽丽;常璐【作者单位】上海绿色环保能源有限公司,上海 200433;上海绿色环保能源有限公司,上海 200433;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872【正文语种】中文【中图分类】TM614我国海上风资源丰富，海上风电作为典型的清洁能源越来越受到重视。
与陆上风电场开发相比，海上风电具有不占用土地、风力更稳定、风速更高的优点。
此外，海上风电对人类生产、生活的环境影响较小，因此，海上风电易于大型化、规模化发展，必将成为未来全球风电开发的重要方向。
海上风电机组设计开发是一项比较复杂的工程，涉及到风浪流复杂恶劣的环境[1-2]，对技术的要求较高，如图1。
载荷计算是海上风电机组开发非常重要的阶段，准确的载荷仿真非常重要。
较早的专用风电机组载荷计算软件目前也有30多年的历史，但大部分软件的功能和精度是近十年才得到逐渐完善。
海上风电机组载荷计算软件有相当一部分是在陆上风电机组载荷计算软件的基础上升级而来，也有用来设计开发海上风电机组，但其准确性并没有经过第三方认证机构的认证检验。
目前海上风电组载荷计算软件正在改进和升级过程中。
目前海上风电机组载荷计算软件有很多款，功能也各不相同，但基本由4大功能模块组成，即气动模块、水动力模块、结构动力学模块和控制模块，如果是漂浮式，还要有锚链模块，如图2，其采用的算法多半相近[3-5]。
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析近年来，海上漂浮式风力发电技术的发展迅速，其具有位置灵活性、资源充足等优点，快速发展成为海洋可再生能源发电的重要方式。
但是，由于海上漂浮式风力发电机组是一种特殊的结构，它面临着海上恶劣的环境条件，特别是大幅度海浪和风场变化带来的预期外力给机组带来了一定的风波载荷，不仅会给机组的安全性和可靠性带来威胁，同时也会影响机组的发电效率和运行可靠性。
因此，如何准确的计算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷，对于保障其安全、可靠运行至关重要。
首先，为了准确计算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷，必须理解其规律性和特点。
根据海洋力学理论，风浪载荷主要有水平力矩、水平拉力和垂直水平力三种，其中水平力矩和水平拉力载荷是海上机组移动、活动和偏斜等运动带来的，垂直水平力是机组在海浪作用下抵抗力的体现，而它们彼此相互作用、相互影响，才构成了海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
其次，一般采用数值模拟的方式来分析风波载荷的影响。
模拟的主要流程是：确定所需的模型参数（如：机组几何特征、海浪特征），然后采用非线性有限元方法在运动的海浪场下分析机组的力学响应，并由此获得内力应力分布，最后得到相应的风波载荷能够得到准确估算。
另外，目前有一些模型或方法被用于计算风波载荷。
采用经典风波理论剖面法时，可以根据浪高、周期、频率等参数，计算出机组上的风波载荷信息。
此外，由于大型海洋计算流体力学（CFD）的发展，也可以采用CFD模拟来估算风波载荷。
CFD模拟首先要建立风波流动场的模型，然后将机组模型放入模拟场中，最后分析机组受力情况，从而得到相应的风波载荷数据。
最后，可以采用改进型模型来估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
例如，首先计算出某一点的风浪水平力矩，然后计算该点处海浪作用下的抵抗力，从而估算出海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
综上所述，准确估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷对于保障机组的安全性和可靠运行至关重要，计算海上机组受力情况必须从理解载荷规律特点和数值模拟进行，并可以采用已有的模型或方法，也可以采用改进模型来分析和估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
浮动式海上风力发电机荷载及振动控制研究进展
浮动式海上风力发电机荷载及振动控制研究进展本文通过浮动式海上风力发电机所受风荷载及其振动控制研究进行了分析总结，分析了目前荷载计算方法及振动控制方法的有效性及合理性，对今后风荷载模拟方法选用及振动控制方面的研究奠定基础。
标签：海上风力发电机;风荷载研究;振动控制分析;发展展望1 引言目前海上风力发电的开发主要集中在欧洲。
近年来，北美、亚洲各国也加入到海上风电的开发行列，使得海上风电的研究更加深入。
虽然我国拥有丰富的海上风能资源，但海上风电进展迟缓，技术尚不完备。
由于海上风电相比于陆上风电，所处环境更为复杂，面临大风、海浪、潮汐、海啸以及地震等灾害的侵扰，海上风力发电技术朝着单机容量大型化、发电机组设备技术化、风场区域深海化的趋势发展。
面对新的发展趋势，浅海域风力发电场的发展已经不能满足风能发展的要求，海上风电场将进军深海领域，因此浮动式海上风力发电机的发展前景愈加广阔。
本文结合国内外研究成果，总结了浮动式海上风力发电机的作用荷载及在其振动控制方面的研究现状，并根据研究现状对海上风力发电机的未来研究问题进行了展望。
2 浮动式海上风力发电机风荷载研究空气流动变产生风，风的强弱用风速表示。
通常认为瞬时风速由平均风和脉动风两部分组成。
受海面粗糙度的影响，平均风速沿高度存在变化，该变化规律称为平均风速梯度或者风剖面。
一般用指数率或对数率描述平均风速沿高度的变化规律。
脉动风则具有随时间和空间变化的随机性，通常假定其为具有零均值的平稳高斯随机过程时间序列。
其性能可用功率谱密度函数和相干函数来描述。
功率谱密度函数可以反映脉动风中不同频率风速对应的能量分布规律，水平脉动风速谱主要有Davenport谱、Kaimal谱和Harris谱等，竖向脉动风速谱有Panofsky-McCormick谱、Lumley-Panofsky谱等。
在时域中脉动风的相关性一般用相关函数来表示，相关函数分为自相关函数和互相关函数。
频域中脉动风的相关性一般用相干函数来表示，风洞实验和实测表明，相干函数是一条指数衰减曲线。
风力发电机组风荷载分析及优化设计
风力发电机组风荷载分析及优化设计一、引言风力发电是目前可再生能源中占据相当重要位置的一种，风力发电机组也是其重要组成部分之一。
与其它工程系统相比，风力发电机组主要面临的挑战之一就是大风荷载下的稳定性能。
本文将从风荷载分析及优化设计方面探讨如何提升风力发电机组的稳定性能。
二、风荷载分析1. 风荷载形式在风力发电机组中，风荷载主要是指风及其产生的风力作用在风轮及其支撑系统上所形成的荷载。
根据气象学研究，风力可以分为三种形式：切向风、径向风和上升气流。
其中最主要的当属切向风，即来自于风速分量沿风轮叶片切线方向的力。
2. 风荷载计算风荷载的计算一般可以采用下列方法：（1）椭圆轨迹法：将风力作用点看成一个运动点，其受到的风荷载所形成的作用线经过研究后发现是椭圆形的，最大荷载所在位置即为椭圆的焦点之一。
（2）风口逆推法：通过揭示叶片在不同风速下的变形规律和受力行为，得到了叶片结构变形和受力响应的特性参数，然后结合气象物理及气动特性等，经过逆推出风速下叶片受力情况，进而计算出整机的风荷载。
（3）场合适法：利用CAD软件建立计算模型，通过模拟流场中流动场、压力场等参数，综合考虑叶片的材料、形状、缆索布置、叶根安装等影响因素对风力发电机组的激励能力进行模拟计算。
3. 风荷载分析结果及优化设计通过以上方法得出的风荷载分析结果可以用于进行稳定性分析，并通过优化设计降低风荷载带来的影响。
优化设计中主要包括以下几个方面：（1）优化叶片结构由于叶片是风能转换核心部分，因此叶片的结构及其质量直接影响到发电机组的稳定性。
叶片的优化设计可以包括减轻质量、改变叶形和优化叶片布局等方面。
（2）优化筒杆和传动系统筒杆和传动系统也是风力发电机组中非常重要的部分，优化设计主要包括减小振动、降低噪声、提高精度等方面。
（3）优化弹性支撑系统由于受到风荷载影响，风力发电机组的整体振动会加剧，导致叶片与塔筒之间的摩擦和磨损加剧，从而降低系统的使用寿命。
海上风力机流体载荷研究
一、数值模拟
1、计算流体动力学 （Computational Fluid Dynamics, C
CFD是一种通过计算机模型对流体动力学行为进行模拟的方法。通过CFD，我 们可以预测OWTS在各种风速、风向和海况条件下的流体动力性能，包括升力系数、 阻力系数、扭矩等。此外，CFD还可以模拟流场的详细信息，例如速度场、压力 场等。
在海上风力机流体载荷研究方面，由于海洋环境的复杂性和特殊性，其研究 难度较大。已有的研究主要集中在数值模拟和实验研究两个方面。数值模拟方法 主要包括CFD（计算流体动力学）和风洞实验等，实验研究方法主要包括模型实 验和现场实验等。
尽管在陆上风力机流体载荷研究方面已取得了一定的成果，但由于海洋环境 的复杂性和特殊性，海上风力机流体载荷研究仍面临很多挑战。首先，海洋环境 中的风、浪、流等自然条件复杂多变，对海上风力机的性能和可靠性产生了重要 影响。
此外，还可以进一步开展数值模拟方法研究，建立更精细的基础结构模型， 以更准确地预测其在复杂海洋环境下的性能。在优化设计方面，可以运用先进的 设计算法和软件工具，以提高设计效率并实现更高性能的基础结构设计。
总之，海上风力机基础结构设计选型是一个充满挑战与机遇的研究领域。通 过不断深入研究和完善优化设计方案，有望为海上风力发电技术的发展提供重要 支持。
性的关键因素之一。因此，对海上风力机流体载荷进行研究，对于提高海上 风力机的性能和可靠性具有重要意义。
二、文献综述
在陆上风力机流体载荷研究方面，已有大量的文献报道。陆上风力机在运行 过程中，受到的气动载荷和结构载荷主要包括风载、冰载、地震载荷等。其中， 风载是主要载荷之一，其数值大小和作用方向取决于风速、风向和风力机的空气 动力学特性。
海上风力机流体载荷研究
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析海上漂浮式风电机组对海上环境要求较高，因此需要充分了解和计算海浪载荷，以确保安全运行。
海浪是海洋中的一种涡流，其频率、幅值和振幅周期不断变化，是海上风电机组的主要载荷。
本文的目的是计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷，以确保其安全性。
海浪载荷的计算可以分为三个步骤：海浪谱计算、海面通量的计算和海浪载荷的实际计算。
首先，海浪谱可以通过实验和模型计算获得。
实验可以在平坦水上进行测量，得到不同频率的海浪能量密度信息，从而提供海浪能量分布。
实验研究表明，海浪谱可以用一般的双曲线拟合得到。
其次，可以计算海面通量。
海面形态的改变可以用张量积分计算方法来进行，以获得海面通量信息，从而获得不同频率的海浪能量转化率。
最后，可以计算海浪载荷。
根据海浪谱和海面通量信息，可以计算出每种频率海浪载荷的总和，从而得到海浪载荷总和。
接下来，为了更好地分析海浪载荷，可以采用统计分析方法。
首先，可以分析海浪谱的分布，以及给定频率的海浪能量。
其次，可以分析不同频率的海浪载荷的分布特征，以及每个频率的海浪载荷的大小。
最后，可以统计分析总载荷的分布特征以及最大载荷大小。
在计算和分析海浪载荷过程中，可以按照不同的方向进行分析，比如按照不同的时间段，或者按照不同的地域来进行分析。
例如，可以针对具有特定时间段的海浪谱，计算特定时间段内的海浪载荷，或者针对特定区域的海浪谱，计算特定区域内的海浪载荷。
在计算过程中，还可以根据设计浮子尺寸和形状对海浪载荷进行修正，以更精确地计算海浪载荷。
通过计算和分析海浪载荷，可以有效地确保海上漂浮式风电机组的安全性。
首先，可以计算出海浪载荷，以便评估机组的设计合理性。
其次，可以计算出悬浮式风电机组在某一地区、某一时间段的海浪载荷，以更准确地评估风电机组的性能。
最后，可以采取安全措施，以防止海浪载荷超过机组的承载能力，从而确保其安全性。
总之，计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷是评估机组性能和安全操作的重要手段，可以帮助有效地提升海上悬浮式风电机组的安全性。
浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析
-MW 半潜式风机分析了 50 m 水深下包括悬链
性和波浪荷载具有显著影响。因此,研究浅水环境下
当浮式风电结构处于浅水环境时,波浪和结构水
浮式风电结构分析方法及运动特征,形成符合中国国
动力特性的非线性特征更为显著,导致其对结构动力
情的漂浮式风电基础结构设计的参考依据,对中国海
响应的影响机理更加复杂。其一,在浅水条件下,应用
a
lma
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表2 风机基础几何参数
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几何参数
数值 /m
①
②
总吃水③
静水面以上主立柱高度
xjμ
xj
增强,传统的基于势流理论的分析方法无法考虑二阶
学
受海洋环境影响更为显著;其三,波浪荷载非线性特性
大
1
k ω
2
ρ 1-F1 σω ω x x 。
大型海上风力发电机组的载荷分析及载荷优化控制方法研究 朱鑫
大型海上风力发电机组的载荷分析及载荷优化控制方法研究朱鑫摘要：本文首先从风动载荷与波浪载荷两种典型载荷类型的角度入手，对大型海上风力发电机组的载荷表现进行了分析；其后，围绕风机软切出、分段停机、塔架加阻三个方面，提出了大型海上风力发电机组的载荷优化控制方法。
关键词：海上风力发电机组；安全运行质量；载荷控制前言：近几年来，基于陆上风能资源风速弱、风量小、稳定性差等负面特点，我国风力发电行业逐渐将发展眼光落到了海洋领域当中。
与陆地环境相比，海洋环境中的自然风储量明显丰富，且质量稳定，具有良好的电能资源转化前景。
1.大型海上风力发电机组的载荷分析在实际的运行过程中，受到所处海洋环境的影响差异，海上风力发电机组会承载不同的负荷类型，与之相关的载荷结构设计方式也势必存在差异。
现阶段，大型海上风力发电机组主要涉及的负荷来源主要有风动、波浪、水流及其结构重力四类，其中又以风动载荷和波浪载荷的影响最大。
同时，基于运行环境的特殊性，大型海上风力发电机组的载荷状态具有较强的随机性和波动性特点，对相关人员在相关设计及应用中的安全控制提出了很高要求。
据此，为了进一步保证海上风电机组的安全运行质量，我们有必要对不同环境、不同来源下的风电机组载荷情况作出分析：结论：综上所述，海上风力发电机组在载荷方面具有负荷来源多、影响范围大等特点，对相关人员的载荷控制工作提出了挑战。
据此，通过对海洋环境中各影响因素进行科学分析，实施出分段停机、塔架加阻等手段措施，能有效降低单位时间内波浪、海风等对风力发电机组的载荷影响，保证风力发电机组的安全运行。
参考文献：[1]张开华，张智伟，陈明亮等.海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析[J].水电与新能源，2017（10）：63-68.[2]姚兴佳，谢洪放，朱江生等.基于LMI的5MW海上风力发电机组载荷控制技术研究[J].可再生能源，2016，34（01）：44-48.。
6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究
6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究张智伟;李辉;李力森【摘要】As the offshore wind farm construction from offshore to the deep sea,floating wind turbine will be the best choice. According to East China Sea environment condition and IEC standard,this article selects the Sinovel 6 MW wind turbine, researches the load characteristics in different foundation type using aerodynamic - hydrodynamic coupled time domain analysis methods. The calculated results show that blade root and hub ultimate loads are not obviously increase for floating wind turbine compared with offshore fixed wind turbine,but the increasing amplitude of tower bottom ultimate loads can achieve 30%. In normal power generation condition,blade root and hub loads are mainly controlled by wind loads,but the effects by wind loads and wave loads for tower bottom and top ultimate loads are different in different conditions.%海上风电场建设由近海走向深远海,漂浮式风电机组将会是这一区域最适合的选择.选用华锐6 MW机组,结合东海某海域环境条件和IEC规范,利用气动-水动耦合时域分析方法,对不同基础型式下的风电机组载荷特性进行研究.计算结果表明:漂浮式风电机组叶片、轮毂极限载荷与海上固定式风电机组相比没有明显增加,塔筒底部极限载荷增加幅度可达30%;在正常发电工况和极端空转工况叶片和轮毂极限载荷主要受风载荷控制,而塔筒底部和顶部极限载荷在不同工况受风载荷和波浪载荷影响效果则有不同.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2017(035)008【总页数】7页(P1229-1235)【关键词】深远海;耦合时域分析;基础型式;极限载荷【作者】张智伟;李辉;李力森【作者单位】上海绿色环保能源有限公司,上海 200433;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872【正文语种】中文【中图分类】O352;TK81随着水深的增加，海上风电场建设采用固定式基础经济性不再明显，漂浮式风电机组既可以降低噪声和视觉方面的要求，又可以充分利用海洋资源，是深远海风电场建设有效的解决方案。
漂浮式风电机组的载荷优化控制及其先进监测技术研究
漂浮式风电机组的载荷优化控制及其先进监测技术研究赵麟;李盛善;朱斌;王磊【摘要】针对大型漂浮式海上风力发电机组运行过程中叶根处存在有较大的载荷和平台摇动等问题,根据现有的漂浮式平台模型、独立变桨控制算法和控制策略,在输出功率稳定的情况下,在PI协同变桨的控制基础加上,采用叶根处的载荷控制信号和平台摇动角度的控制信号的方法来实现风力发电机组的优化控制.为验证控制器的可行性,通过美国可再生能源实验室的FAST和MCrunch软件进行仿真,将结果与统一变桨的结果进行对比后,采用先进监测与控制方法有效性,可为今后开展样机控制器的测试提供一种思路.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2014(040)006【总页数】5页(P108-112)【关键词】海上风力发电;漂浮式;独立变桨;载荷优化;单神经元自适应PI控制器;监测【作者】赵麟;李盛善;朱斌;王磊【作者单位】电子科技大学能源科学与工程学院,四川成都611731;电子科技大学能源科学与工程学院,四川成都611731;电子科技大学能源科学与工程学院,四川成都611731;电子科技大学能源科学与工程学院,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TM762;TM611;TM391.9;TP274随着风电技术逐渐由陆上延伸到海上，海上风电在未来的风电产业中将占据越来越重要的地位；但由于近海风电场址资源所剩有限，且强风往往出现在离岸较远的深海，因此欧美国家正在积极开展深海风电技术的研究。
随着海水深度增加，定桩支撑结构的海上风电场建设成本急剧上升，这就将此研究限定在了近海风场，使得漂浮式风力发电技术[1]成为解决这一问题的有效途径。
变桨控制策略总体上可分为“基于数学模型的控制方法”和“智能控制方法”两大类。
考虑到风电系统的不确定性（包括动力学载荷的不确定性以及电力电子模型的复杂性），风电机组是一个多变量非线性快变系统。
文献[2]提出使用基于神经元PID的风力发电机组独立变桨控制，在载荷优化方面取得了比较好的效果。
考虑二阶波浪荷载效应的海上TLP浮式风机分析
考虑二阶波浪荷载效应的海上TLP浮式风机分析金辉;王腾【摘要】基于多数专业风机数值模拟软件只可进行一阶波浪荷载计算这一缺点,文中将以AQWA为基础,利用其可进行二次开发的技术优势,通过实时调用风机气动荷载,实现海上TLP浮式风机分析。
分析中,浮式风机平台一阶、二阶波浪荷载由AQWA计算,实时调用的气动荷载由动态链接库提供。
该动态链接库主要包含了根据叶素动量定理自行编译的气动荷载计算程序。
经过与FAST比较,得知该方法能满足分析需求。
垂荡、纵摇力的二阶效应尤为明显。
仅计算浮式风机平台波浪荷载时,可以不考虑风荷载的影响,但必须考虑平台运动的影响,波浪荷载主要受纵荡、纵摇运动影响,几乎不受垂荡运动的影响;当研究浮式风机平台运动时,必须考虑风荷载和二阶波浪荷载的影响,二阶波浪荷载使得平台响应在整个频率范围内都明显增大。
张力筋腱张力受二阶波浪荷载的作用更明显。
【期刊名称】《海洋技术学报》【年(卷),期】2019(038)001【总页数】7页(P66-72)【关键词】气动荷载;波浪荷载;浮式风机;叶素动量理论;AQWA【作者】金辉;王腾【作者单位】[1]中国石油大学(华东)船舶与海洋工程系,山东青岛266580;[1]中国石油大学(华东)船舶与海洋工程系,山东青岛266580;【正文语种】中文【中图分类】TM315数值模拟作为评估风机各项性能的最经济方法，一直是人们研究的重点方向。
用数值模拟对风机响应的研究很多。
如马钰等[1]用FAST对风浪环境下浮式风机响应进行了研究，分析中需先用WAMIT计算出与频率有关的一阶水动力，经时域转化并导入到FAST后方可进行整体性能分析，该方法尚不能考虑二阶波浪荷载的作用。
HAWC2[2]分析海上浮式风机时，水动力荷载由莫里森方程计算[3]，若要详细地计算水动力荷载，需开发出可实时调用WAMIT或SIMO/RIFLEX等软件的动态链接库。
上述分析中，虽然保证了风荷载计算的精度，但要借助第三方水动力软件进行波浪荷载的计算，其缺点是频域荷载转化为时域荷载时存在误差且不能计算二阶波浪荷载，或者对于非软件开发人员，难以高效地实现多个进程之间数据的实时传递。
海上风机规范风浪荷载计算方法对比分析
第 39 卷第 5 期2023 年10 月结构工程师Structural Engineers Vol. 39 ， No. 5Oct. 2023海上风机规范风浪荷载计算方法对比分析李公豪1，2袁周驰1，2，*梁发云1，2（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092； 2.同济大学土木工程学院，上海 200092）摘要相比陆上风机，海上风机承受的环境荷载要更加复杂，合理地评估环境荷载对海上风机的设计与安全运行至关重要。
国内外海上风机规范关于风浪荷载计算的思路大致相同，但在计算参数选取等方面有所不同，可能会使得风浪荷载的计算结果存在差异，有必要针对风机规范的风浪荷载计算方法开展对比分析，探究不同方法对风浪荷载计算的影响。
选取最新的规范，包括中国船级社CCS规范、挪威船级社DNV GL规范及国际电工委员会的IEC规范，对比了三者的风荷载和波浪荷载计算差异。
结合典型算例开展了对比分析，计算结果表明，相较于DNV GL规范，根据CCS与IEC规范得出的风荷载值更大。
并且对风湍流的考虑更保守；对于粗糙构件，DNV GL规范的波浪荷载峰值比CCS大了4%~14%。
根据上述分析结果，针对风浪荷载计算方法的选择和参数选取提出了一些建议，可供海上风机设计时参考。
关键词海上风机，风荷载，波浪荷载，风机规范，对比分析Comparison and Analysis of Wind and Wave Load Calculation Methods in Offshore Wind Turbine SpecificationsLI Gonghao1，2YUAN Zhouchi1，2，*LIANG Fayun1，2（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University， Shanghai 200092， China； 2.College of Civil Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China）Abstract Offshore wind turbines bear more complex environmental loads than onshore wind turbines. It is essential for the design and safety operation of offshore wind turbines to reasonably assessment environmental loads. The method of wind and wave load calculation in offshore wind turbine specifications are roughly same，but there are differences in the selection of calculation parameters， which may make the calculation results of wind and wave load different. It is necessary to carry out comparative analysis on the calculation methods of wind and wave load in wind turbine specifications to explore the influence of different methods on the calculation of wind and wave load. This paper selects the latest specifications， including CCS specification，DNV GL specification and IEC specification to compare the differences of wind load and wave load calculation. Combined with typical examples， the comparative analysis is carried out. The results show that the maximum wind load of CCS and IEC is larger than that of DNV GL， and the consideration of wind turbulence is more conservative. For rough components， the peak wave load of DNV GL specification is about 4 %~14 % larger than that of CCS. According to the above analysis results， some suggestions are put forward for the selection of wind and wave load calculation methods and parameter selection of offshore wind turbines， which can be used for reference in the design of offshore wind turbines.Keywords offshore wind turbine， wind load， wave load， wind turbine specification， comparative analysis收稿日期：2022-10-25基金项目：国家自然科学基金面上项目（52178346）作者简介：李公豪，男，硕士研究生，研究方向为海上风电基础。
大型海上风力发电机组的载荷分析及载荷优化控制方法
图１ 海上风 电机组外部环境
２ 降载优化控制策略 由于海 上风 电场 面对 风 和波 浪的 双重 负荷 的考 验 ，对
ＣＩ ＩＩＮＡ Ｅｌ ＥＣ Ｉ’ＲＩＣＡＬ ｌ （ ＪＩｌ’Ｍ ＥＮ ｒ ＩＮ Ｄｔ『 ＦＲＹ
ＴＥｃ咖 ｃＡＬ ＥＸｃＨＡＮ
术交流
风力发 电机组 的支撑结构 （包含塔架 、基础和连接等 ）要 求
从图中可以看出 ，通过分段停机策略 ，可以实现降低塔
很高 ，海上气候环境恶 劣 ，天气 、海浪 、潮汐等 因素复杂多 筒底部载荷 。
变 ，风机 的安全可靠性要求 很高。另外 ，在整个风 电场 的投 ２．２ 风机软切 出
大型海上风力发电机组的 载荷分析及载荷优化控制方法
吴俊辉 刘作辉 李力森 黄强 陈明亮 常璐 （华 锐 风 电 科 技 （集 团 ）股 份 有 限 公 司 ）
摘要 ：海上风电具有风能资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、对生态环境影响小和适宜大规模开发等优点，同
时，海上风电面临浮冰 、台风 、烟雾等复杂的 自然务件 ，对海上风 电机组技 术要 求更 高，海上风 电场建设难度更大、成 本更高，风、波浪 、潮 汐和潮流等 自然 因素将影响风力机 的动力学特性 本 文分析 了海上风力发 电机组的载荷 来源及其 特性 ，以三 叶片水平轴大型海上风力发电机组 为研 究对象，利 用ＧＨ—ＢＬＡＤＥＤ仿真软件 对其进行全耦合仿真 ，采用 了分 段停机控制 、软切 出、塔 架加阻等控制 方法降低海上风电机组运行载荷，结果表明以上控制 方法有效降低 了机组栽荷。
近几年随着 以英 国为代表 的欧洲 国家大批海上风 电项 目
漂浮式海上风电机组动力学仿真分析-2012-6页
(1) 其方差为：
∫ σ 2 =
∞ −∞
Sζ
1−sided
(ω
)dω
(2)
其中：H 为波高；ω 为频率；λ 为波长；Tp 为波周期； l 为结构特征尺度；γ 为谱峰升高因子；d 为水深。
由此可得波高程为：
∫ ζ (t) = 1
2π
+∞W (ω)
−∞
2πSζ2−Sided (ω)e jωt dω
(3)
为：
F Hydrostatic = −ρ gV0δ13 + CiHj ydrostaticq j
(6)
其中：−ρgV0δ13 为阿基米德浮力，即该力是垂直向上， 其值与平台的重力相等；V0 为当支撑平台不动时排开
第4期
王磊，等：漂浮式海上风电机组动力学仿真分析
1311
的流体体积；CiHj ydrostaticq j 为受水平面和漂浮中心影响 的水静力和力矩部分；j 为水平面内、与 i 为方向垂直 方向的自由度；qj 为 j 方向的坐标。
将式(5)，式(6)与式(8)相加，由此可得浮式平台的 水动力 FiHydro 为：
FiHydro = FiWaves + F Hydrostatic + F rad
3. Department of Ship Engineering, HarBin Engineering University, Harbin 150001, China)
Abstract: Dynamics of deep-sea floating wind turbine was analyzed by the computer simulation technology. Firstly the wave dynamics model of floating platform and aerodynamics model of wind turbine based on the generalized dynamic wake (GDW) theory were established. Secondly, the force was loaded on the multi-flexible body dynamics model of wind turbine including “wind rotor -nacelle- tower- mooring system” which was established in FORTRAN. And then the whole model and results were turned into ADAMS model. Taking a 5 MW wind turbine for example, floating wind turbine system was analyzed by multi-field coupling dynamic model. The results show that during operation of the floating wind turbine, its floating platform must withstand great hydrodynamic force, and the dynamic response of the whole structure and fluctuation of power are greatly impacted by the coupling of aerodynamic and hydrodynamic loads. Key words: floating platform; GDW theory; multi-flexible body dynamics; wind turbine; mooring system
浅谈海上风电吊装计算分析的载荷系数
浅谈海上风电吊装计算分析的载荷系数发表时间：2018-10-01T19:26:46.420Z 来源：《基层建设》2018年第27期作者：刘志伟[导读] 摘要：结合海上风电吊装的实际经验，根据行业的施工规范和相关规定，介绍了DNVGL规范对系数的要求，对吊装作业中的载荷系数的选择及确定进行了分析，避免过于保守的系数选择，造成设计冗余过大，增加工程成本费用。
江苏龙源振华海洋工程有限公司摘要：结合海上风电吊装的实际经验，根据行业的施工规范和相关规定，介绍了DNVGL规范对系数的要求，对吊装作业中的载荷系数的选择及确定进行了分析，避免过于保守的系数选择，造成设计冗余过大，增加工程成本费用。
关键词：海上风电；吊装分析；系数；规范1 引言一次成功的吊装作业，关键在于制定出合适的吊装工艺以及正确地设计吊耳与选择吊索具，只有考虑了吊装过程的细节问题和风险因素，才能安全圆满地完成吊装作业。
在注重吊装风险控制的同时，既要考虑吊耳及杆件结构的强度，也要考虑吊耳及杆件结构的经济成本，避免结构设计冗余量过大。
吊耳及杆件的结构设计取决于各种吊索具、吊耳的载荷的选择，而吊装载荷的选择与吊装工艺中的计算载荷有关，吊装计算载荷又与确定的吊装工艺中的载荷系数有关。
吊装工艺中的载荷系数的选取是一个涉及到控制吊装风险最小要求的问题。
本文结合工程吊装应用中的实际经验，就吊装设计中载荷系数的选取给出借鉴与启示。
2 规范要求国内相关海洋工程施工的吊装规范不是很完善，大多海洋工程施工依据以往的工程经验，国外冠以海洋工程吊装施工的规范主要有美国石油协会的API规范和挪威船级社的DNVGL-ST-N001规范，DNVGL-ST-N001规范关于吊装施工的规定较为全面。
本文按照DNVGL-ST-N001的要求选择吊装载荷系数，针对风机基础桩起吊翻身的过程来逐一介绍载荷系数的选取与应用，需要强调的是规范中的要求大都是一些给出宽泛的范围，实际吊装设计中还是给设计者对载荷系数的选取带来很大困惑。
海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议_张金平
收稿日期:2006 01 26作者简介:张金平(1976 ),男,河北石家庄人,1998年毕业于西南石油学院机械制造与设备管理专业,主要从事海洋石油工程项目管理工作。
文章编号:1001 3482(2006)03 0010 05海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议张金平1,段艳丽2,刘学虎3(1.海洋石油工程股份有限公司,天津塘沽300452;2.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061;3.兰州石油机械研究所,甘肃兰州730050)摘要:文章综述了近年来海洋平台波浪理论及波浪载荷计算方法的研究与发展概况,包括不同海域波浪载荷的计算理论,以及不同类型、不同尺度海洋平台的波浪载荷的计算方法及其应用,并对各种不同波浪理论的适用范围及其优缺点进行了分析。
同时对目前应用较广的数值模拟技术在海洋平台方面的应用进行了分析,列举了相关应用实例,并对其发展前景进行了展望,提出了相关研究建议。
关键词:海洋平台;波浪载荷;计算方法;应用;数值模拟中图分类号:T E951.01 文献标识码:AThe analysis and proposal of computation methods of wave loads acting on offshore platformZH ANG Jin pin 1,DU AN Yan li 2,LIU Xue hu 3(1.China Of f shore Oil E ngineer ing Co.L td ,T angg u 300452,China;2.College o f Petro leum Eng ineer ing ,China Univer sity of P etr oleum (H uadong),D ongy ing 257061,China;3.L anz hou Petr oleum M echanical Resear ch I nstitute ,L anz hou 730050,China)Abstract:General status o f development on w ave theory and w ave loads on offsho re platform in r esent year s is sum marized in this paper,including com putation theory of w ave loads in different sea area,com putation methods and applicationso f wave loads acting on offshore platform w ith differ ent type and dimen sion,at the same tim e num er ical simulatio n techno logy being applied widely on offshore platform is analyzed in 这和文献[4]的结论完全一致。
海上风力发电机组载荷设计工况研究及对比分析
海上风力发电机组载荷设计工况研究及对比分析作者：廖丹来源：《科技视界》2017年第08期【摘要】基于海上风电机组，本文主要分析介绍了海上和陆地风力发电机组工况上的区别，并依据海上风力发电机组的设计工况和模型分析方法，用Bladed软件进行海上风电机组的载荷计算，并与相应的陆上机组载荷进行了简单对比。
【关键词】海上风电机组；海上机组设计工况；载荷计算0 概述海上风力发电机组开发时，前期主要针对海上风资源研究（基本原理，风数据/坐标数据获取，模型方法，发电量，损失因素和不确定因素，预测），最重要的是对海上风载和浪载（载荷来源，工况与模型，浪载（疲劳和极限载荷）的分析和评估，之后再利用Bladed软件进行风波联合载荷等海上风电特殊载荷的计算。
1 陆上风力发电机组设计载荷工况[1]陆上风力发电机组设计载荷工况包含以下八大类工况（DLC）：（1）发电工况（1.1～1.9）：风机模型应考虑风轮不平衡、风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制、最佳运行工况实际同理论的偏差。
在计算中应假设各种情况的最不利组合，如风向改变与典型偏航角度误差组合与电气接头损坏组合，应包含由大气湍流引起的载荷要求。
1.3和1.6～1.9规定了作为风力发电机组寿命评定的可能临界事件的瞬态情况。
在DLC1.4和1.5中，考虑了由于外部故障和电气接头损坏引起的瞬变事件。
（2）发电和产生故障（2.1～2.3）：假设控制和保护系统的任何故障，或电气系统的内部故障（如发电机短路）在发电期间发生。
其中2.1，控制系统故障属正常事件。
2.2，保护系统或内部电气系统故障为罕见事件。
如果某一故障没引起立刻停机，随后的载荷可导致结构产生明显疲劳损伤，则应在2.3中定义这种工况持续的时间。
（3）启动（3.l～3.3）：包括从静止或空转状态到发电这一过渡期间产生载荷的所有事件。
（4）正常关机（4.1～4.2）：包括从发电到静止或空转状态的正常过渡期间产生载荷的事件。
海上风机载荷分析
海洋工程环境载荷
载荷分类
固定载荷 活载荷 环境载荷 动力载荷 施工载荷
固定载荷
固定载荷包括平台结构的重量和不会变化的任何 永久设备和附属结构的重量。固定荷载应包括下 列各项： 1.平台结构重量，包括桩、水泥浆和压载重量； 2.永久设备和附属结构重量； 3.水面以下结构的静水力，包括外压力和浮力。
2. 地震强度分析
组合分析 将上述静力分析与地震作用分析进行
组合，同时作用于平台结构上，对平台进 行结构响应分析。
3. 疲劳强度分析
桩基线性化 由桩土作用分析模块迭代计算完成桩
基础的线性化，海况条件为 “损伤中心” 海况条件；
模态分析 计算平台自由振动，得到平台的动力
特性，包括质量、振型、固有振动频率和 周期。
1. 静力分析
平台DAF计算
DAFspec
M 0 (dynamic) M 0 (static)
其中，M0(dynamic) 为动态基底剪力谱的零
阶矩；
M 0 (static) 为静态基底剪力谱的零 阶矩；短期海浪谱采用P-M谱
1. 静力分析
（3）波浪惯性力 惯性力
Fi
(inplace)
FID
3. 疲劳强度分析
（1）重要管节点的疲劳寿命 （2）构件变截面处的疲劳寿命
材料与焊接
防腐－涂装 导管架防腐主要是油漆(coating)、 牺牲阳极(sacrificial anode)和外加 电 流 阴 极 (impressed current cathodic protection)保护。油漆保 护应用于抗冰区、飞溅区和大气区， 阳极和阴极保护应用于水下结构。
海上风力发电机组塔架海波载荷的分析
收稿日期:2007-06-20.基金项目:国家863计划资助项目(2006AA5Z429).作者简介:王湘明(1963-),男,辽宁沈阳人,副教授,硕士,主要从事风力发电技术等方面的研究.文章编号:1000-1646(2008)01-0042-04海上风力发电机组塔架海波载荷的分析王湘明,陈 亮,邓 英,王婀娜(沈阳工业大学风能技术研究所,沈阳110023)摘 要:由于海上风力发电机组的外界载荷条件比陆地上的风力发电机组更加复杂,因此在机组设计中要考虑到海上风机载荷条件.在研究海波性能和运动规律的基础上,给出了海水中的塔架载荷的计算公式;针对海上风力发电机组的结构特点,将研究的海波载荷计算方法用于风机的塔架载荷计算,以110MW 风力发电机组为例,对塔架所承受的海波载荷和风载荷进行了计算,经过对比分析可知,风载荷大于海波载荷并为同一数量级的载荷,因此,在设计中更应注意这两种载荷的耦合作用.关 键 词:海上风力发电机组;海波载荷;风轮载荷;海波性能;运动规律中图分类号:T K 81 文献标志码:AAnalysis on w ave loads of off shore wind turbineWAN G Xiang 2ming ,CHEN Liang ,DEN G Y ing ,WAN G E 2nuo(Wind Energy Institute of Technology ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110023,China )Abstract :The load condition of offshore wind turbine is more complicated than that on land ,and must be considered in design.In view of the wave feature and its moving rule ,the formulas of tower loads on offshore wind turbines were presented.Based on the structure feature of offshore wind turbines ,the computation method of the wave loads was applied to calculate the tower loads.The wave loads and wind loads of 110MW wind turbine on tower were obtained.By means of analysis and contrast ,it is concluded that wind loads are heavier than wave loads ,but both are in same order.Therefore ,the coupling action between two loads should be paid a more attention in design.K ey w ords :offshore wind turbine ;wave loads ;wind loads ;wave feature ;moving rule1 海上风力发电机组载荷计算通常海上风力发电机组的外界载荷条件比陆地上的风力发电机组更加复杂,其原因是除了受到通常的风载荷以外,更主要的是受到海波和海浪的影响,而海上风机主要是受风轮载荷的影响,此外还受到海浪和海波的影响,这样海水下面塔架的外界载荷就变得比较复杂.因此在机组设计中,除了要考虑陆上风机的风作用下的21种载荷工况之外,还要考虑到42种海上风机载荷条件[1].如果风机装在渤海湾的某一浅海滩上,如图1所示,设海平面为起始位置0,则塔架在海平面以下的部分为0到(-h ),在海面以上部分为0到h 0.塔架总载荷包括风轮载荷、风载载荷和海波载荷.F wind 表示风轮载荷,F h 0表示风载载荷,F h 表示海波载荷.以风机塔架计算为例,风轮载荷为F wind =12C t ρair v 2s A ・B ・S (1)式中:C t ———扭矩系数;ρair ———空气密度;v s ———风速;A ———风轮扫掠面积;B ———叶片的支数;S ———安全系数. 第30卷第1期2008年2月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of T echnologyVol 130No 11Feb 12008图1 海上风力发电机组结构图Fig 11 Structure of offshore wind turbine塔架的风载载荷为F ho =12ρair Aw v 2tw (h 0) (2)式中:A w ———风吹到塔架的投影面积;v tw (h )———海平面上高度为h 的平均风速.则塔架总风载载荷为F w ind +F ho ,用blade 软件对风机25m 风速时功率运行工况进行模拟得到塔架的总风载荷,如图2所示.图2 发电时塔架水平方向风载荷图Fig 12 Wind load of tow er in horizontaldirection under generating根据文献[1],海波载荷为F h =(C m -1)ρπD 24L v t +ρπD 24L v D +12C dρDL v t |v t |(3)式中:F h ———作用在直径为D ,长度为L 的截断面上的正常作用力;ρ———海水密度;C m ———惯性系数;C d ———阻力系数.则塔架所受的最大弯曲应力δ=F wind (h 0+h )+F h 0h 02+h +F hh2π(D 4-D 41)32D(4)式中:D ———塔架外径;D 1———塔架内径.塔架的风载荷计算直接参考机械设计手册[4],海流的载荷计算直接与海波条件相关,计算比较复杂,可按参考文献[2]的方法进行计算.2 海波载荷的计算211 海波载荷的计算公式在时间t 时海波中点(x ,y ,z )处的波粒子速度和加速度矢量分别用v D 和 v D 表示.相同地点的总的海流速度矢量用v c 表示,塔架结构本身的速度和加速度分别用v s 和 v s 表示.则海波相对于塔架结构流动的速度v t 和加速度 v t 分别为v t =v D +v c -v sv t = v D + v s 在塔架受海波载荷的研究中,如果塔架的衍射参数D/λ的值小于012(D 为塔架的直径,λ为海波的波长),塔架在水平方向上实际的海波载荷可用Morison 方程式(3)求得.要计算塔架作用力,可以把塔架近似为相等高度的10个子圆柱体.使用Morison 相对运动方程可计算子圆柱体轴上的作用力.把各个参数代入方程(3)就可以计算出塔架的海波载荷.阻力系数和惯性系数可以参考海上风力发电机组相关文献,也可通过海波实验确定,同时,还要考虑海波的结构动力的总衰减,总的衰减包括波辐射衰减、阻力衰减和结构衰减.212 计算公式系数的确定在方程(3)中,阻力系数C d 和惯性系数C m是未知参数,需要得到海波粒子的速度和加速度的测量值.在参考文献[3-5]中采用很多方法给出了不同C d 和C m 的数值,本文按期望的方差确定系数的准确值[6].在参考文献[3]中给出了确定阻力系数和惯性系数的两种方法.第一种方法是当流体的速度和加速度为零时解出莫里森方程.当速度为零时可以确定惯性系数C m ,当加速度为零时可以确定阻力系数C d .这种方法的缺点是只用到了少量的测量数据,并且34第1期王湘明,等:海上风力发电机组塔架海波载荷的分析 对相移误差比较敏感[4];第二种方法是基于最小二乘法,这样可以使压力的测量值和计算值的平方差ε2最小.为了消除计算误差,本文要用近似的雷诺数将计算值和测量值的数据进行分组,从而确定C m 和C d 的值.213 典型的系数值根据文献[4],阻力系数和惯性系数取值见表1.表1中的雷诺数为R n =v a Du (5)式中:v a ———水流速度的幅值,m/s ;u ———粘性系数,m 2/s .表1中的KC 为K eulegan Carpenter 数KC =v a TD(6)式中,T 为震荡周期.表1 系数值T ab 11 Coeff icient valueKCR n <105C dC m R n >105C d C m≤10112112210115≥10016016210115214 海波速度的计算海波包括深水海波和过渡海波,因此研究海波速度也应该从这两方面考虑.对于深水波周期T 应该满足条件d/(g T 2)>018;对于过渡海波周期T 应该满足条件01002<d/(g T 2)<0108.其中d 为水深,g 为重力加速度.起源波的参数包括波粒子的速度和加速度,在这里用线性波理论来定义这些参数[7].21411 深水区的波粒子速度首先建立一个x 2y 2z 右手坐标系统,用x 2y 座标轴所在的平面表示不受干扰的海平面,z 轴垂直向上,那么参考速度可以表示为v R =015H D ・ωD ・exp {i (ωD t -K D ξ)} (7)式中:ωD =2π/T D ,K D =ω2/g ,ξ=x ・cos μ+y ・sin μ,i =-1;ξ轴———海波沿地平线传播的方向;μ———x 轴和ξ轴之间的夹角.在海平面下坐标为(x ,y ,z )点的合成速度矢量v D 为v D =(v D x ,v D y ,v D z )=(i cos μ,i sin μ,-1)・v R ・exp {K D ・z}这样可以用相位纠正的方法来计算v D x/y/z (x/y/z指x 轴,y 轴或z 轴的方向),也就是实部和虚部的相移为T D /4时,实部在t =T/4时达到波峰.在一个海波周期中最大的速度幅度值为v D x/y/z max=[Re (v D x/y/z )]2+[Im (v D x/y/z )]2(8)21412 过渡海波的波粒子速度用参考速度v R 来定义过渡海波的参考速度为v Rs =v R (K Ds )/sin h (K Ds ・d ) (9)式中,K Ds 为分布方程得解,分布方程为K Ds ・|tanh {K Ds ・d}|=ω2/g (10) 因此,过渡海波在海面下的坐标为(x ,y ,z ),点的速度矢量为v Ds =(v Ds x ,v Ds y ,v Ds z )=(i cos h ξ,cos μ,i cos h ξ,sin μ,-sin ξ)・v Rs式中,ξ=K Ds ・(z +d )最大值为v Ds x/y/z m ax=[R e (v Ds x/y/z )]2+[Im (v Ds x/y/z )]2(11)21413 海波粒子的加速度深水区的波粒子加速度用a D 表示,过渡区波粒子的加速度用a Ds 表示,则a D =i ωD ・v D ,a Ds =i ωD ・v Ds (12)那么加速度的最大值a D x/y/z max =|ωD |・v D x/y/z max a Ds x/y/z max=|ωD |・v Ds x/y/z max(13)3 海波载荷计算举例下面以渤海湾实际数据为例来计算塔架单位长度的海波载荷.取T =9s ,D =8m ,v a =114m/s ,ρ=11022×103kg/m 3,C d =112,C m =210.将这些数据代入公式(3)中,用matlab 计算可得结果如图3所示.图3 塔架水平方向的海波载荷Fig 13 W ave load of tow er in horizontal direction由此看出塔架的海波载荷为周期性变化的载荷.以110MW 风力发电机组为例,取塔架根部外径为412m ,内径为41156m ,塔架海平面以上高44 沈 阳 工 业 大 学 学 报第30卷度为70m,海平面以下高度为10m,则得出塔架的最大应力为3217MPa.塔架海面上的风轮的载荷计算如图2所示,最大为21215kN.海面下的海波载荷如图3所示,最大为100kN.因此,海波载荷加上风的载荷等于塔架的总载荷.从计算结果可知,海波载荷对塔架的载荷影响很大,设计时还应特殊考虑海波极端工况的塔架载荷.4 结 论1)对海浪和海波的运动规律进行了描述,给出了海波载荷的计算公式和计算结果,同时,也给出了塔架风载荷的计算公式和计算结果.2)假设110MW风机装在渤海湾近海的海滩上,按照matlab软件计算结果(见图2),塔架在海平面以下的海波载荷为100kN,且为周期性载荷,当海流速度比较大时海波载荷至少为正常情况时的2倍.同样,根据blade软件计算塔架的风载荷(见图3)为塔架所受阻力,正常发电时的海面以上塔架载荷为120kN,发生最大风速扰动时至少也为2倍以上.所以,在设计时,应重点考虑风流和海流的极端载荷工况.3)采用以上的计算公式,对110MW风机为例计算了海波载荷和风载荷,经过对比分析可知,风载荷与海波载荷是同一数量级的载荷.它们之间的耦合作用较大,将会影响机组的稳定性运行.参考文献(R eference):[1]全国风力机械标准化技术委员会.风力机械标准汇编[M].北京:中国标准出版社,2006.(Wind Power Machine Standard Institute.Wind power machine criterion assembly[M].Beijing:Standard Press of China,2006.)[2]Peeringa J M.Wave loads on offshore wind turbines[J].E leclronic C ommunication Network,2004(4):7-10.[3]Dean R G,Dalrympl R A.Water wave mechanics forengineers and scientists[M].India:World Scientific Publishing Co Ltd,1991.[4]Journée.O ffshore hydromechanics[D].Delft:Delft Universi2ty of T 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Magnetics,1985,21(5):1856-1858.[8]王小平.遗传算法———理论、应用与软件实现[M].西安:西安交通大学出版社,2002.(WAN G Xiao2ping.G enetic algorithms—theories,appli2 cation and software implementation[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press,2002.)[9]Kumada M.Development of a model4tesla permanentmagnet[C]//Proceedings of Particle Accelerator Con2 ference.Chicago,2001:3221-3223.(责任编辑:邓美艳 英文审校:杨俊友)54第1期王湘明,等:海上风力发电机组塔架海波载荷的分析 。
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海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析随着科技的发展和能源消耗的增加，绿色能源成为人们关注的焦点，风能作为一种清洁可再生的能源，成为大家重视的对象。
风能发电是一种将能量转变为有用能源的方法，但目前由于技术问题，这种发电并不能实现稳定的电力供应，因此缩小采用风能发电的问题成为当前的重要任务。
漂浮式风电机组是目前发展最快的风电装置之一，它以海洋环境为特点，具有无基础架设、抗风波载荷能力强等特点。
由于海洋环境对漂浮式风电机组的风波载荷有巨大影响，因此精确的计算和分析海上漂浮式风电机组的风波载荷是今后研究中必须解决的问题。
首先，应该正确理解海洋环境中的风波载荷。
它是由水的风压应力和浪的动压应力共同作用的结果，其中主要有风压水平力和风压立体力、浪压水平力和浪压立体力四大类载荷。
其次，应该采用合理的工程计算方法，建立适应漂浮式风电机组特征的计算模型，分析载荷的水平分布及超载程度，计算漂浮式风电机组的极限力和装置的稳定性，并进行性能分析以判断风速的变化对系统的影响。
最后，应该建立计算机数值模拟软件，进行风波载荷的实时监测，以改善漂浮式风电机组的可靠性及系统性能。
此外，要准确掌握海上漂浮式风电机组的风波载荷，也可以考虑采用船舶标准载荷进行分析，并借助相关技术进行风波动力学模拟，通过计算风力载荷对漂浮式风电机组的影响，提出设计优化方案，提高装置的稳定性和可靠性。
因此，准确计算和分析海上漂浮式风电机组的风波载荷，不仅有利于改善发电装置的稳定性，而且还推动了风能发电的发展，受到了广泛的关注。
未来，将继续在此方面进行深入研究，尽快把风能发电运用到大范围，实现绿色能源的发展。
总之，通过正确理解海洋环境中的风波载荷，采用合理的工程计算方法，建立适应海上漂浮式风电机组特征的计算模型，分析载荷的水平分布及超载程度，计算漂浮式风电机组的极限力和装置的稳定性，建立计算机数值模拟软件，进行风波载荷的实时监测，通过船舶标准载荷进行分析，进行风波动力学模拟，可以准确掌握海上漂浮式风电机组的风波载荷，改善发电装置的稳定性，促进风能发电的发展。