漂浮式海上风电机组研究与设计
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。
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则以漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则为标题随着对可再生能源的需求不断增加，风能作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
而在海洋中，海上风电机组成为了一种重要的风能利用形式。
相较于陆上风电机组，海上风电机组具有更稳定的风能资源、更大的发电潜力和更少的环境影响。
在海上风电机组中，漂浮式风电机组由于其灵活性和适应性而备受瞩目。
本文将就漂浮式海上风电机组的基础及系泊系统设计进行探讨。
1. 漂浮式海上风电机组基础设计导则漂浮式海上风电机组的基础设计是确保机组稳定性和安全性的关键。
首先，基础设计要充分考虑海洋环境的复杂性，包括海浪、风力和潮流等因素。
基础结构需要具备足够的刚度和稳定性，以抵抗海浪和风力的冲击。
同时，基础结构还需要具备良好的防腐性能，以应对海水的腐蚀。
基础设计还需要考虑到机组的安装和维护便利性。
基础结构应该能够支持机组的安装和维护，同时提供足够的空间和设施供人员操作。
基础设计还应考虑到环境保护因素。
在设计过程中要充分考虑到海洋生态环境的保护，避免对海洋生物和海洋生态系统造成过大的影响。
2. 漂浮式海上风电机组系泊系统设计导则漂浮式海上风电机组的系泊系统是确保机组稳定性和位置控制的核心。
首先，系泊系统设计要充分考虑到风力和海流对机组的影响。
系泊系统需要具备足够的刚性和强度，以抵抗外力的作用。
同时，系泊系统还需要具备一定的伸缩性，以应对海浪和风力的变化。
系泊系统设计还需要考虑到机组的位置控制。
通过合理的系泊设计，可以实现对机组位置的控制和调整，以确保机组始终处于最佳的发电位置。
系泊系统设计还应考虑到安全性和可靠性。
系泊系统需要具备足够的安全保障措施，以应对异常情况的发生。
同时，系泊系统还需要具备一定的可靠性，以确保机组的长期稳定运行。
漂浮式海上风电机组的基础及系泊系统设计是确保机组稳定性和安全性的关键。
基础设计需要考虑到海洋环境的复杂性和机组的安装维护便利性，系泊系统设计需要考虑到风力和海流的影响以及机组的位置控制和安全可靠性。
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。
漂浮式海上风电机组工作原理
漂浮式海上风电机组工作原理漂浮式海上风电机组是一种将风力发电机悬挂在水面上的浮动结构上的海上风电技术。
其主要工作原理涉及浮动结构、支撑结构以及风力发电机的协同工作。
以下是漂浮式海上风电机组的基本工作原理：
1. 浮动结构：
•漂浮式海上风电机组采用浮动结构，通常是一种能够在海洋表面上漂浮的平台。
这个浮动结构允许整个风电机组随着海浪的起伏而浮动。
2. 支撑结构：
•浮动式风电机组的浮动结构通过支撑结构与海底连接，可以采用柱状支撑、悬挂式支撑等形式。
支撑结构的设计旨在提供足够的稳定性，以应对海上波浪和风力条件。
3. 风力发电机：
•在浮动结构上安装有风力发电机组，通常是垂直轴风力机或水平轴风力机。
这些发电机通过风力转动，产生机械能。
4. 电力传输：
•风力发电机产生的机械能被转换成电能，通过电缆或其他电力传输系统将电能传输到岸上电网。
5. 浮动控制系统：
•为了维持风电机组的平衡，漂浮式海上风电机组通常配备有浮动控制系统。
这个系统可以通过感知海浪和风力状况，调整浮动结构的姿态，保持风电机组的稳定性。
漂浮式海上风电机组的优势在于可以在深海等水域进行布局，不受水深限制，同时减轻了对海底基础设施的依赖。
这种技术的发展有望进一步推动海上风电的应用，提高风电的可持续性和经济性。
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则漂浮式海上风电机组是一种利用风能发电的装置，它可以在海上进行安装和运行。
为了确保机组的稳定性和安全性，需要设计合适的基础和系泊系统。
本文将介绍漂浮式海上风电机组基础及系泊系统的设计导则。
一、基础设计导则1. 基础类型选择：根据海洋环境条件和机组规模，选择合适的基础类型，常见的有浮式基础、半浮式基础和沉管基础等。
浮式基础适用于较浅的海域，半浮式基础适用于中等深度的海域，沉管基础适用于深海。
2. 基础材料选择：考虑到海水的腐蚀性和机组的重量，基础材料需要具备良好的耐腐蚀性和强度。
常见的基础材料有混凝土、钢材和复合材料等，选择合适的材料可以提高基础的稳定性和耐久性。
3. 基础形状设计：基础的形状设计应考虑到机组的重心和风力对基础的影响。
合理的基础形状可以减小基础的倾斜和摇晃，提高机组的稳定性。
常见的基础形状有圆形、方形和多边形等。
4. 基础固定方式设计：基础的固定方式有锚链固定、钢缆固定和锚桩固定等。
选择合适的固定方式可以提高基础的稳定性和抗风性能。
同时，还需要考虑到基础的安装和维护便捷性。
二、系泊系统设计导则1. 系泊系统类型选择：根据基础类型和海洋环境条件，选择合适的系泊系统类型。
常见的系泊系统类型有单点系泊、多点系泊和主动控制系泊等。
单点系泊适用于浅海区域，多点系泊适用于中等深度的海域，主动控制系泊适用于深海。
2. 系泊系统材料选择：系泊系统的材料需要具备良好的耐腐蚀性和强度。
常见的系泊系统材料有钢材和合成材料等，选择合适的材料可以提高系统的耐久性和可靠性。
3. 系泊系统布置设计：系泊系统的布置设计应考虑到基础的形状和机组的重心。
合理的布置设计可以减小系泊系统的摆动和张力，提高机组的稳定性。
同时，还需要考虑到系统的安装和维护便捷性。
4. 系泊系统参数计算：根据机组的重量、风力和海洋环境条件，计算系泊系统的参数，包括锚链长度、钢缆长度和系泊点位置等。
合理的参数计算可以确保系统的稳定性和抗风性能。
深海漂浮式风力机研究及最新进展
软件参与 Ｉ Ｅ Ａ Ｗｉ ｎ ｄ Ａ ｎ ｎ ｅ ｘ Ｘ Ｘ ｌ Ｉ Ｉ （ 国际能源署风能 第２ ３ 任务组 ） 第二子任务组的海上风力机设计程序
比较 （ ｏｃ ３ ， Ｏ ｆ ｆ ｓ ｈ ｏ ｒ ｅ Ｃ ｏ ｄ ｅ Ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ） 项 目， 研究 了 基 准 的 ５ ＭＷ Ｓ ｐ ａ ｒ 平 台漂 浮式 风 力 机
来很多研究者延续这个概念设计 ， 或者采用偏 心式 布置风力机 ， 直接将风力的塔架作为平 台支架 的一 部分 ， 或采用更 多浮柱增加平 台稳定性 ， 如Ｂ ｌ ｕ ｅ — Ｈ
漂 浮 式 风 力 机 就是 采 用 ６ 个 柱 子 的 漂 浮 式平 台ｎ 。
行 整机 动 力 学研 究 ， 其中Ｓ Ｉ ＭＯ为水 动力计算模 块， Ｒ Ｉ Ｆ Ｌ Ｅ Ｘ为结构计算模块 ， Ｈ Ａ ＷＣ ２ 为风力机气 动 计算 模 块 ” ， 后 续 研 究 证 实 以上 软 件 包 的计 算 结
力性能 ， 而且可以降低建造成本 。
２ ０ ０ ９ 年， 德 国斯 图加 特 大学 的 Ｍａ ｔ ｈ ａ 在Ｎ Ｒ Ｅ Ｌ
化 而 变化 ； 风力 机所受 的气动力 与理论计 算值相
和 国际能源署的资助下利用美 国风能技术 中心 的 Ａ ｅ ｒ ｏ Ｄ ｙ ｎ ／ Ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ Ｄ ｙ ｎ ／ Ｆ Ａ Ｓ Ｔ全耦 合分 析软 件研究 了 麻省 理工 学 院 （ ＭＩ Ｔ） ／ Ｎ Ｉ Ｌ张力 腿式 漂 浮式 风力 机 动力学特性 ， 并与一般 Ｔ Ｌ Ｐ 、 Ｉ Ｔ Ｉ 驳船 、 Ｓ ｐ ａ ｒ 平台风力
动 轴 的摩擦 力偏 大造成 。在 此项研 究基 础上 ， Ｒ ａ ｍ ａ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｒ ａ ｎ等进一步研究 Ｔ Ｌ Ｐ 平 台耦合风浪载
深海漂浮式风力机的概念设计与气动—水动力耦合特性评述
深海漂浮式风 力机 的概念设 计 与气 动一 水 动 力耦合特性评述
高 伟，李 春，刘 全
（ 上海理工大学 能源与动力工程学 院，上海 ２ ０ ９ ） ０ ０ ３ 摘 要： 海上风 电场建设是风力发 电技术的重要方 向之一 ，随着近海风场深入开发 ，风场建
设从近 海到远 海是 其未来必然发展趋 势 。但海水深度增加将导致 深海风 电场建设成本 急剧上 升 ，漂浮 式风力机 （ 电） 术是 解决这一 问题 的有效途径 。较为 系统地介绍 了工作在 深海的 发 技 漂浮式风力机 的各种概 念设计 ，并依据水动力 学特性对其进行评价 ，指 出漂浮式的设计计算 核 心是 气动一 水动力学耦合 问题 ，同时探讨 了现有漂浮 式风力机 气动一 水动耦 合理论模 型和
后来很多研究者延续这个思路，或者采用偏心式布置风力机 ，直接将风力的塔架作为平 台支架的一部分ｌ ２ Ｊ ，或者在三个柱子顶部各布置一台风力机［，或者采用四个柱子或者六个柱 ３ ３
子构成的张力腿平台，如 Ｂｕ ． ｌ Ｈ漂浮式风力机就是采用六个柱子的漂浮式平台［。 ｅ ４ ］
收稿 日期 ：２ １－ ５２ ０ １０ — １ 作者简 介：高 伟 （９ ８） １７ 一 ，男 （ ，博士研 究生，Ｇａ ｉ Ｇ Ｏ＠ｈ ｔ ｉｃｒ 汉） ｗａ ｎ Ａ ｏ ｌｏ ｍａ ． ｎ
已经 于 ２ ０ ０９年 １ ０月投 入商 业运 行实 验 的挪威 国家 石油 海德 罗公 司 （ｔｏｌ“ ｗｉｄ Ｓａ ｉ Ｈｙ ｎ ”漂 ｔ ）
浮式风力机项 目其实是介于概念 ３与概念 ６ 之间的一种设计 ，属于半 Ｓ ａ 平台半张力腿平 台 ｐ ｒ 型。除了 “ ｙ ｉ ”风力机项 目，美 国 Ｂｕ． Ｈ ｗｎ ｄ ｌ Ｈ漂浮式风力机概念设计项 目原预计 ２０ 年也 ｅ ０９ 将投入商用运行， 后因种种原因推迟 ， 其他的深海漂浮式风力机多数 目前仍处在概念设计和理
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。
漂浮式海上风电技术推广方案(一)
漂浮式海上风电技术推广方案一、实施背景：随着全球能源需求的不断增长和对环境保护的要求，可再生能源的开发和利用成为了各国政府的重要议题。
海上风电作为一种具有巨大潜力的可再生能源形式，已经在一些国家取得了较大的发展。
然而，由于海上风电的基础设施建设成本高、施工复杂、维护困难等问题，限制了其进一步推广和应用。
因此，需要通过产业结构改革，推动漂浮式海上风电技术的发展和推广。
二、工作原理：漂浮式海上风电技术是一种将风力发电机组安装在漂浮式平台上，通过海浪、潮流和风力的作用实现风能的转化。
这种技术相比于传统的固定式海上风电技术具有更大的灵活性和适应性，可以在深海等复杂环境中进行安装和运营。
三、实施计划步骤：1. 技术研发阶段：通过加大研发投入，提高漂浮式海上风电技术的成熟度和可靠性，包括平台结构设计、风力发电机组适应性研究等。
2. 示范项目阶段：选择适宜的海域进行漂浮式海上风电示范项目建设，验证技术的可行性和经济性。
3. 推广应用阶段：根据示范项目的实施效果，制定推广计划，推动漂浮式海上风电技术在更多海域的应用。
四、适用范围：漂浮式海上风电技术适用于深海、远离陆地的海域，尤其是那些水深超过50米的地区。
这些地区通常具有更强的风能资源，但传统的固定式海上风电技术难以在这些深海区域进行建设。
五、创新要点：1. 平台结构创新：通过采用新型材料和结构设计，提高平台的稳定性和抗风能力。
2. 智能控制系统：引入先进的智能控制系统，实现对漂浮式海上风电系统的自动化管理和运维。
3. 多能源融合：将漂浮式海上风电技术与其他可再生能源技术结合，如潮汐能、海洋热能等，实现多能源的综合利用。
六、预期效果：1. 提高可再生能源的利用率：漂浮式海上风电技术可以在深海等复杂环境中进行建设，开辟了更多的风能资源利用空间，提高了可再生能源的利用效率。
2. 降低能源成本：漂浮式海上风电技术的推广可以降低风电的建设和运维成本，提高能源的经济性。
219467643_海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究
海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究①曲晓奇,李红涛,唐广银,杜海越,杨林林(中国船级社海洋工程技术中心,天津 300457)摘要 随着海上浮式风电技术的发展,我国大功率漂浮式海上风力机组开始走向工程示范应用㊂由于风机厂商对上部风机结构参数保密,针对实际工程项目中的漂浮式风力机进行数值仿真分析具有诸多挑战和难度㊂本文以实际工程项目为例,研究漂浮式海上风力机在数值仿真过程中的关键技术㊂通过建立等效推力模型等手段,实现工程样机的数值建模并进行典型工况的动力响应分析㊂本文的研究成果可以有效解决实际工程项目中浮式风力机数值模型建立的难点,对促进我国风电产业技术发展,加速我国海上风电商业化进程具有重要意义㊂关键词 海上浮式风力机;数值仿真;等效推力模型;动力响应㊂中图分类号:P 752;T M 614 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)007207d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.12R e s e a r c h o n K e y T e c h n o l o g i e s o f D y n a m i c A n a l y s i s a n d N u m e r i c a l S i m u l a t i o n f o r t h e F l o a t i n g Of f s h o r e W i n d T u r b i n e Q U X i a o q i ,L I H o ng t a o ,T A N G G u a n g y i n ,D U H a i yu e ,Y A N G L i n l i n (O c e a n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e t e c h n o l o g y ,t h e e n g i n e e r i n g p r o j e c t s o f l a r ge -s c a l ef l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e h a s s t a r t e d .B e c a u s e t h e m a n u f a c t u r e r s k e e p th e p a r a m e t e r s o f t h e w i n d t u r b i n e c o n f i d e n t i a l ,t h e r e a r e m a n y c h a l l e n g e s i n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s i n p r a c t i c a l e ng i n e e r i n g p r o j e c t s .I n thi s p a p e r ,t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n t h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t w a s i n v e s t i g a t e d .T h r o u g h t h e e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ,a n u m e r i c a l m o d e l o f r e a l f l o a t i n g w i n d t u r b i n e w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e d y n a m i c s r e s p o n s e s u n d e r a t y p i c a l l o a d c a s e w a s a n a l yz e d .B a s e d o n t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h i s s t u d y ,t h e d i f f i c u l t i e s i n e s t a b l i s h i n g t h e n u m e r i c a l m o d e l o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s c a n b e w e l l s o l v e d .I t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e i n p r o m o t i n g t h e t e c h n i c a l d e v e l o pm e n t a n d a c c e l e r a t i n g t h e c o m m e r c i a l i s a t i o n o f C h i n a s f l o a t i n g w i n d t u r b i n e i n d u s t r y.K e y wo r d s f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ;d y n a m i c r e s p o n s e 0 引 言欧洲的海上风电产业起步较早,随着浮式风力机技术趋于成熟,现已逐步在全世界范围内得到广泛研究和应用㊂我国浮式风力机的研究约起步于十年之前,相对较晚,尚未得到商业化应用㊂目前,常用的海上浮式风力机数值仿真软件大多由欧美国家的研究机构开发㊂表1列举了海上浮式风电领域常用的数值仿真软件及其所采用的分析理论㊂①作者简介:曲晓奇(1992 ),女,博士研究生,工程师,主要从事海上浮式风力机动力响应分析方面的研究㊂E -m a i l :x q qu @c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃73 ㊃表1 各研究机构开发的海上浮式风力机耦合计算程序T a b .1 P r o g r a m s f o r f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e c o u p l e d c a l c u l a t i o n d e v e l o p e d b y va r i o u s r e s e a r c h i n s t i t u t i o n s 程序研究机构气动力模块水动力模块结构动力学模块系泊模块F A S T[1]N R E L(B E M 或G D W )+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S/F E M G S M 或Q S M或F E M G H .B L A D E D [2]G HB E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S G S M 或Q S M 或F E M A D A M S [3]M S C +N R E L +L U HB E M /G D W+D S T D M E 或T D P F +M DM B S Q S /U DS I M A [4]M A R I N T E K B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM B S /F E MG S M 或Q S M或F E MH A W C 2[5]R I S O D T U B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M D M B S /F E M G S M 或Q S M或F E MO r c a F l e x[6]O r c i n aC o u pl e d t o F A S T T D M E 或T D P F +M D C o u pl e d t o F A S T G S M 或Q S M 或F E MB E M :B l a d e E l e m e n t M o m e n t u m ,叶素动量理论D I :D yn a m i c I n f l o w ,动态入流C F D :C o m p u t a t i o n a l F l u i d D yn a m i c s ,计算流体动力学M B S :M u l t i b o d y S ys t e m ,多体系统G S M :G l o b a l S t i f f n e s s M o d e l,总体刚度模型T D :T i m e D o m a i n ,时域U D :U s e r D e f i n e d,用户自定义G D W :G e n e r a l i z e d D yn a m i c W a k e ,广义动态尾涡D S :D yn a m i c S t a l l ,动态失速F V M :F r e e V o r t e x M o d e l,自由尾涡模型F E M :F i n i t e E l e m e n t M e t h o d ,有限元方法Q S M :Q u a s i -s t a t i c M o d e l,准静态模型M E :M o r i s o n,方程M D :M o r i s o n D r a g,莫里森拖曳项P F :P o t e n t i a l F l o w ,势流理论 尽管目前针对浮式风力机数值仿真软件的开发已经相对成熟,但是,由于我国海上浮式风电工程项目还处于起步阶段,实际工程样机数量较少,对于实际风力机的数值仿真仍存在一定的问题㊂如何在实际工程项目中,建立浮式风力机的数值模型,使其可以准确反映工程样机的真实动力响应特性,仍然需要深入的研究㊂本文首先介绍了浮式风力机数值仿真的基本理论和方法;然后,结合某实际工程项目,详细描述了浮式风力机数值模型的建立过程以及涉及的关键技术;最后,基于本文建立的浮式风力机数值模型进行动力响应分析,验证本文建模方法的可靠性㊂1 浮式风力机数值模型建立方法目前,对于风力机气动载荷的计算大多采用叶素动量理论[7],尽管该方法无法给出叶片翼型附近的流场信息,但是,其计算简便效率高,广泛应用于浮式风力机工程计算㊂水动力载荷的分析则主要基于三维势流理论,采用海洋工程领域常用的水动力分析软件求解浮体水动力系数,进而进行时域水动力分析㊂由于三维势流理论无法考虑浮体的黏性效应,软件采用M o r i s o n 方程的拖曳项模拟浮式风力机的黏性阻尼㊂浮式风力机系统结构形式复杂,既包括了叶片㊁塔柱和传动轴等柔性构件,又包括了机舱和浮式基础等刚性结构㊂因此,不同数值仿真软件对于浮式风力机系统结构动力学模型的建立区别较大㊂目前,对于浮式风力机整体结构采用的建模方法主要有多体方法和有限元方法,对于叶片和塔柱等弹性体动力响应的求解则主要采用模态法和有限元方法㊂浮式风力机系泊系统的模拟则以准静态悬链线方法和有限元方法为主㊂其中,准静态方法基于悬链线方程求解系泊锚链张力,无法考虑锚链的动态效应㊂而有限元方法则可以考虑锚链自身动态效应的影响,精度相对更高㊂2 海上浮式风力机数值仿真模型的建立2.1 浮式风力机简介本文以某浮式风力机工程项目为例,针对海上浮式风力机工程样机在数值仿真过程中的关键技术进行研究㊂浮式风力机系统的结构形式如图1所示,整个系统上部设置7.25MW 风力发电机,底部采用四立柱半潜型浮式基础㊂系泊系统的布置情况如图2所示,在每个边立柱的底部设置3根系泊锚链,采用3ˑ3的悬链线式系泊㊂㊃74㊃海洋工程装备与技术第10卷图1 浮式风力机结构示意图F i g .1 F l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s t r u c t u re 图2 浮式风力机系泊系统布置图F i g .2 F l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e m o o r i n g s ys t e m a r r a n ge m e n t 2.2 风力机结构模型的建立本文采用美国可再生能源实验室开发的O pe n F A S T 软件,对浮式风力机系统进行数值仿真㊂该软件基于K a n e 方程建立风力机系统刚柔耦合动力学模型㊂对于叶片和塔柱等弹性结构,通过模态法求解其结构变形和动态响应㊂对于塔柱,基于模态叠加方法㊂任意时刻t ,塔柱上到塔底距离为x 的某一点的横向位移u (x ,t )可以表示为[8]u (x ,t )=ðna =1ϕa (x )q a (t )(1)其中,ϕa (x )代表模态a 的固有振型函数,它仅是x 的函数,与时间无关;q a (t )代表模态a 的广义坐标,与时间t 有关;n 代表选取的模态个数,即自由度数;每一个固有振型对应一个固有频率ωa 和相位ψa ㊂当已知塔柱的各阶固有振型函数时,还需要n 个参数来定义塔柱的变形情况㊂除了塔柱的固有振型函数外,还可以选择n 个其他函数φb 来表示塔柱的变形:u (x ,t )=ðn +p -1b =pφb (x )c b (t )(2)其中,φb (x )代表形函数;c b (t )是与之对应的广义坐标;参数p 按计算方便选取㊂根据R a y l e i gh -R i t z 法,塔柱的各阶固有振型函数ϕa (x )也可以表示成形函数φb (x )的线性组合:ϕa (x )=ðn +p -1b =pC a ,b φb (x )(3)其中,C a ,b 代表b 阶形函数对a 阶固有振型的比例常数㊂对于风力机塔柱,可以选择指数函数作为形函数,于是b 阶形函数表示为φb (x )=xRb(4)其中,R 表示塔柱的高度㊂由于风力机塔柱在底部固支,即塔柱底部位移和转角均为零,因此参数p 必须大于等于2,本文计算中取p =2㊂根据塔柱的相关设计参数,利用B M o d e s 软件基于广义H a m i l t o n 原理,求解塔柱前后和侧向前两阶模态,再拟合成幂指函数,输入O p e n F A S T 中㊂2.3 等效推力模型的建立由于缺少风力机叶片翼型参数的详细设计资料,以及控制系统的相关设计参数,因此,无法准确模拟风力机系统的气动性能㊂本文建立风力机的等效推力模型来计算风轮的气动载荷㊂图3所示为叶片上某一叶素位置处的速度和气动载荷示意图㊂根据叶素动量理论,叶片上某一叶素d r 处的推力和转矩可以表示为d T =B 12ρV 2t o t a l (C l c o s ϕ+C d s i n ϕ)c d r (5)d Q =B 12ρV 2t o t a l (C l s i n ϕ-C d c o s ϕ)c r d r (6)其中,d T 和d Q 分别表示叶素的推力和转矩;B 表示叶片数量;ρ表示空气密度;V t o t a l 表示入流速度;C l 和C d 分别表示升力系数和阻力系数;ϕ表示入流速度与叶素旋转平面的夹角;c 表示叶素的弦长㊂第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃75 ㊃(a)叶素速度图(a )L e a f v e g e t a t i o n v e l o c i t y ch a rt (b)叶素气动载荷图(b )L e a f e l e m e n t pn e u m a t i c l o a d c h a r t 图3 叶素翼型示意图[9]F i g.3 B l a d e e l e m e n t a i r f o i l [9]根据公式(5)和(6)叶片上某一叶素位置处的风轮推力主要与升力系数C l ㊁阻力系数C d ㊁来流与弦线的夹角ϕ以及叶片的弦长c 有关㊂以N R E L5MW 风力机叶片气动参数为基础,通过调整叶片的弦长和扭转角以及控制系统的相关参数改变风轮推力,直至与风机厂商提供的风轮推力相一致㊂采用上述方法建立风力机的等效推力模型,图4所图4 不同风速下风轮推力对比结果F i g .4 C o m pa r i s o n o f r o t o r t h r u s t f o r c e u n d e r d i f f e r e n t w i n d s pe e d 示是采用等效推力模型计算的不同风速下风轮推力与风机厂商提供的数据对比结果㊂相较于直接将风轮推力施加到塔柱顶部,采用这种方式的优点是可以考虑叶片旋转效应的影响㊂2.4 水动力模型的建立在A QW A 中建立浮式基础的水动力模型如图5所示㊂基于三维势流理论计算浮式基础的水动力系数,包括静水恢复力系数㊁附加质量和阻尼系数以及一阶和二阶波浪载荷传递函数,其中0ʎ入射方向下一阶波浪载荷传递函数的计算结果如图6所示㊂图5 浮式基础水动力模型F i g .5 H y d r o d y n a m i c m o d e l o f f l o a t i n g pl a t f o rm (a)纵荡方向一阶波浪载荷传递函数(a )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n gi t u d i n a l d i r e c t i o n (b)垂荡方向一阶波浪载荷传递函数(b )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e p e n d u l u m d i r e c t i o n㊃76㊃海洋工程装备与技术第10卷(c)纵摇方向一阶波浪载荷传递函数(c)F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n g i t u d i n a l r o c k i n g d i r e c t i o n图6波浪入射方向为0ʎ时的一阶波浪载荷传递函数F i g.6F i r s-o r d e r w a v e f o r c e t r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e d i r e c t i o no f0d e g r e e按照公式(7)~(9)计算浮式基础受到的波浪载荷㊂由于势流理论无法考虑浮式基础的阻尼效应,因此在O p e n F A S T软件中建立M o r i s o n模型,通过M o r i s o n方程中的拖曳力模拟浮式基础的阻尼效应㊂F w a v e_1(t)=R eðM i=1ηi H1(ωi)=R eðM i=1a i e x p i(ωi t+φi)H1(ωi)(7) F w a v e_2s(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiηj H2s(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi+ωj)t+φi+φj)]H2s(ωi,ωj)(8)F w a v e_2d(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiη*j H2d(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi-ωj)t+φi-φj)]H2d(ωi,ωj)(9)其中,F w a v e_1(t)表示一阶波频载荷;F w a v e_2s(t)和F w a v e_2d(t)分别表示二阶和频㊁差频波浪载荷;ηi表示波面升高;a i㊁ωi和φi分别表示波幅㊁频率和相位;H1(ωi)表示一阶波浪载荷传递函数;H2s(ωi,ωj)和H2d(ωi,ωj)分别表示二阶和频与差频波浪载荷传递函数㊂2.5系泊系统分析模型的建立系泊系统的模拟采用集中质量模型,将锚链离散成多个质量点,不同质量点之间通过弹簧阻尼结构连接,如图7所示㊂某一质量点i的运动控制方程如下[10]:图7系泊锚链数值模型[10]F i g.7 N u m e r i c a l m o d e l o f m o o r i n g l i n e s[10] (m i+a i)r㊃㊃=T i+(1/2)-T i-(1/2)+C i+(1/2)-C i-(1/2)+W i+B i+D p i+D q i(10)其中,(m i+a i)r㊃㊃代表惯性项,m i和a i分别表示节点i的质量和附加质量;(T+C)i+(1/2)和(T+ C)i-(1/2)分别表示r i与r i+1以及r i与r i-1之间的内部刚度和阻尼;W i表示重力;B i表示浮力;D p i和D q i分别表示节点i受到的轴向和切向波浪力,采用M o r i s o n方程计算:D p i=12ρw C d n d l(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(11)D q i=12ρw C d tπd l(-r㊃i㊃q^i)q^i-(r㊃i㊃q^i)q^i(12)第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃77 ㊃在数值模拟过程中,由于系泊锚链结构形式复杂连接构件过多,对于连接构件无法直接进行模拟㊂将连接构件转化成等质量的杆单元,设置较小的时间步长,进行数值仿真,以保证计算的收敛性㊂图8所示是在不同浮体位移下计算的系泊张力,即浮式风力机系泊系统刚度曲线㊂图8 系泊系统刚度曲线F i g .8 M o o r i n g s ys t e m t e n s i o n 3 动力响应分析采用本文第2节介绍的相关理论和方法,建立海上浮式风力机数值仿真模型,计算极端停机工况下浮式风力机的运动响应㊂环境载荷方向的定义如图9所示㊂环境参数具体数值为:50年一遇风速60m /s ;有义波高12m ,谱峰周期14.4s,谱峰因子2.2;表面流速2.18m /s ㊂风浪方向均为0ʎ,表面流向为-180ʎ,模拟时间为3600s ㊂计算结果如图10所示㊂图9 环境载荷方向定义坐标系F i g .9 C o o r d i n a t e s ys t e m o f e n v i r o n m e n t a l l o a d s d i r e c t i o n d e f i n i t i on(a)纵荡(b)横荡(c)垂荡(d)横摇㊃78㊃海洋工程装备与技术第10卷(e)纵摇(f)艏摇图10 极端停机工况下浮式风力机运动响应F i g .10 D y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e u n d e r e x t r e m e p a r k e d l o a d c o n d i t i o n从图10中可以看出,在50年一遇极端停机工况下,浮式基础具有较大的动态响应,这是由波浪载荷引起的㊂此时风机处于停机状态,叶片变桨,风轮受到的气动载荷相对较小,垂荡和纵摇的均值都处于一个较小的值㊂从计算结果来看,在极端停机工况下,浮式风力机的摇摆角度在10ʎ范围内,符合设计要求,具有足够的安全性4 结 论本文主要介绍了在实际工程项目中建立海上浮式风力机数值仿真模型的关键技术,包括结构模型㊁等效推力模型㊁水动力模型以及系泊系统模型的相关理论和方法㊂本文提出的数值模型建立方法,可以有效解决风力机叶片翼型参数缺失带来的建模问题㊂最后,通过模拟50年一遇极端工况下浮式风力机的动态响应,验证本文建模方法的可靠性㊂参考文献[1]J o n k m a n J M ,B u h l J R M L .F A S T U s e r s G u i d e [R ].G o l d e n ,C O :N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y,2005.[2]D N V G L .B l a d e d [E B /O L ].h t t p s ://w w w .d n v g l .c o m /s e r v i c e s /b l a d e d -3775.[3]E l l i o t A .S .,W r i gh t A .D .A D A M S /W T U s e r s G u i d e [E B /O L ].h t t p ://w i n d .n r e l .g o v /d e s i gn c o d e s /s i m u l a t o r s /a d a m s w t /d o c s _v 2.0/i n d e x .h t m l .L a s t m o d i f i e d D e c e m b e r,1998;a c c e s s e d J u n e 13,2003.[4]F y l l i n gI ,L a r s e n C ,S ød a h l N ,e t a l .R i f l e x U s e r s M a n u a l 3.6[R ].M A R I N T E K ,T r o n d h e i m ,N o r w a y,2008.[5]L a r s e n T J ,H a n s e n A M.H o w 2H A W C 2,t h e U s e r sM a n u a l [R ].R i s øN a t i o n a l L a b o r a t o r y,2007.[6]O R C I N A .O r c a F l e x [E B /O L ].h t t p://w w w .o r c i n a .c o m /.[7]H a n s e n s M O .A e r o d y n a m i c s o f W i n d T u r b i n e s [M ].E n g l a n d :R o u t l e d g e ,2015.[8]J o n k m a n J M.M o d e l i n g of t h e U A E W i n d T u r b i n e f o r R e f i n e m e n t o f F A S T _A D [R ].C o l o r a d o :N a t i o n a l R e n e w a b l eE n e r g y L a b o r a t o r y,2003.[9]M o r i a r t y P J ,H a n s e n A C .A e r o D y n T h e o r y M a n u a l [R ].C o l o r a d o :N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b ,2005.[10]M a t t h e w H.,A n d r e w G .V a l i d a t i o n o f a L u m pe d -M a s s M o o r i n g L i n e M o d e l w i t h D e e pC w i n d S e m i s u b m e r s i b l e M o d e l T e s tD a t a [J ].O c e a nE n g i n e e r i n g,2015,104:590603.。
漂浮式海上风电简介介绍
在海上环境中，电力传输和储存设施的建设与维护难度较 大。解决方案可能包括采用高压直流输电技术、海上储能 系统等。
设备耐候性与防腐
海洋环境的腐蚀性对设备的耐候性和防腐性能提出更高要 求。采用高性能防腐材料、表面涂层技术及定期维护检查 是可能的解决方案。
经济性与市场竞争力分析
初始投资成本
漂浮式海上风电的
03
建设与运营
漂浮式海上风电的前期筹备工作
资源评估
对目标海域的风能资源进行详细 评估，包括风速、风向、风力持 续性等，以确定风电场的产能预
期。
环境影响评价
深入研究漂浮式风电场对海洋生 态环境、鸟类迁徙、海洋交通等 方面的影响，制定相应的环保措
施。
技术选型
根据海域条件、风能资源、建设 成本等因素，选择合适的风电机 组、浮式基础和锚泊系统等技术
漂浮式海上风电的发展背景
能源需求增长
随着全球能源需求的不断增长， 开发可再生能源成为迫切需求， 海洋风力资源作为其中的一种，
备受关注。
技术进步推动
近年来，风力发电技术和海洋工程 技术的不断进步，为漂浮式海上风 电的发展提供了技术保障和可能性 。
环保政策驱动
各国政府加强对可再生能源的支持 ，鼓励清洁能源的开发与应用，为 漂浮式海上风电提供了良好的发展 环境。
漂浮式海上风电的优势
地理位置灵活
减少岸线占用
漂浮式风电不受海底地形限制，可以选择 在风力资源更丰富的海域布置。
相比陆上风电，漂浮式风电不需要占用大 量的岸线土地，减少了对海岸线的破坏。
高风能利用率
经济效益显著
海洋风力资源更丰富且稳定，漂浮式风电 能够更高效率地利用风能资源。
虽然漂浮式风电的建设成本相对较高，但 其运行维护成本较低，且能够长期稳定运 行，具有较高的经济效益。
hywind漂浮式风机研究内容
hywind漂浮式风机研究内容Hywind漂浮式风机是目前世界上第一座商业化运营的漂浮式风机，它由挪威能源公司Statoil（现为Equinor）开发。
Hywind风机采用了创新的设计，通过将风机安装在漂浮结构上，可以在深水海域中发电。
它是一项革命性的技术，具有许多独特的优势，对于发展海上风能具有重要意义。
Hywind漂浮式风机的实质是一座巨型漂浮式风力发电厂，它采用了浮动式结构，可以适应深海环境中的恶劣条件。
每座风机由一个浮筒和一个深潜器组成。
浮筒是一个圆柱形结构，通过在海床上预埋锚链来固定浮浮筒的位置，从而保持整个结构的稳定性。
深潜器则通过一种巧妙的设计，使得风机可以在垂直方向上浮动，以适应海浪和风力的变化。
Hywind漂浮式风机可以在深水海域中发电，与传统的固定式风机相比，它的优势主要体现在以下几个方面：1.可用性高：Hywind风机可以在深海环境中稳定运行，无需考虑海底基础设施的建设，因此可以部署到更远离海岸的地方。
这意味着它可以利用更大的风能资源，并且对于那些资源匮乏但需求量大的地区尤为重要。
2.适应性强：由于Hywind风机采用了浮动式结构，它可以适应各种海浪和风力条件。
这使得它的风电利用率更高，能够在更多的时间内发电。
此外，由于整个结构是可移动的，可以对风的变化做出更快速的响应，使得风机的性能更加灵活和可靠。
3.技术成熟：Hywind漂浮式风机已经有多年的运营经验，其技术成熟度较高。
它已经通过了多个测试和验证阶段，并在实际运营中证明了其可靠性和稳定性。
这使得Hywind风机成为海上风能领域的一个重要标志，也为其他类似项目的发展提供了宝贵的经验和参考。
4.环保可持续：Hywind漂浮式风机是一种清洁能源技术，可以减少对传统能源的依赖，降低温室气体排放。
与传统燃煤发电相比，它对环境的影响更小，可以更好地保护海洋生态系统。
在当今推动可持续发展的背景下，Hywind风机具有重要的意义，可以为实现清洁能源目标做出贡献。
漂浮式海上风机动力响应及振动抑制分析
漂浮式海上风机动力响应及振动抑制分析随着全球对可再生能源需求的不断增加，海上风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
在海上风力发电中，漂浮式海上风机作为一种新兴的技术，具有独特的优势和挑战。
漂浮式海上风机是指将风机安装在浮动结构上，使其能够在深水海域进行发电。
与传统的固定式海上风机相比，漂浮式海上风机能够利用更大的水深和更稳定的风能资源，提高发电效率。
然而，由于其特殊的结构和工作环境，漂浮式海上风机也面临着一些挑战，其中之一就是动力响应和振动问题。
漂浮式海上风机受到风力和海浪的共同作用，其动力响应是指风机在风速和波浪条件下的运动状态。
漂浮式海上风机的动力响应与其结构特性、浮动力学特性、风-浪-结构相互作用等因素密切相关。
因此，了解和分析漂浮式海上风机的动力响应对于设计和运行具有重要意义。
漂浮式海上风机的振动问题是指在运行过程中风机所产生的振动现象。
振动不仅会对风机的运行稳定性和寿命产生影响，还可能对周围环境产生噪声污染。
因此，减小漂浮式海上风机的振动是一个关键问题。
为了解决漂浮式海上风机的动力响应和振动问题，研究人员提出了多种方法和技术。
例如，通过优化结构设计和控制策略，可以改善漂浮式海上风机的动力响应和振动特性。
此外，采用主动控制和被动控制装置也可以有效地抑制漂浮式海上风机的振动。
总之，漂浮式海上风机的动力响应和振动抑制是当前研究的热点问题。
通过深入研究漂浮式海上风机的动力响应和振动机制，我们可以提高其运行效率和可靠性，促进海上风力发电技术的发展。
相信随着技术的不断进步和创新，漂浮式海上风机将成为未来海上风力发电的重要形式，为可持续能源的发展做出重要贡献。
我国海域漂浮式风电机组基础适用性分析
我国海域漂浮式风电机组基础适用性分析文|周昊，侯承宇，李辉，董晔弘深海风电场具有风速高、风切变低、湍流程度小等优势，对海上航道的影响也较小。
近年来，欧、美、日等地区和国家逐步将漂浮式海上风电技术作为研发重点。
在国外，漂浮式海上风电市场正从小规模单台样机（2009―2015年）向小型示范风电场转变。
目前，在世界范围内已建成并具有一定知名度的漂浮式样机和小型漂浮式示范风电场如表1所示。
此外，欧洲还有数十个漂浮式风电示范项目正在建造和核准中。
可见，漂浮式风电技术正在成为领跑海上风电领域的前沿技术和研究热点。
我国漂浮式风电机组的研究起步相对较晚，目前国内还未见样机。
从2013年开始，在经历了国家863计划支持的由湘电风能开展的“钢筯混凝土结构浮式基础研制”和由金风科技牵头开展的“漂浮式海上风电机组基础关键技术研究及应用示范”之后，国内积累了一些技术储备。
随着国家加大政策的支持力度，“十三五”期间国内漂浮式风电机组的研究热度逐渐提升。
据统计，目前，国内潜在的样机示范项目如表2所示。
漂浮式风电机组基础是漂浮式风电机组设计中的重要组成内容。
漂浮式风电机组由于体型巨大，且长期承受风、浪、流等各种复杂载荷的作用，因而对漂浮式风电机组基础的各方面性能提出了更高的要求。
本文结合我国海域漂浮式风电场适用区域和漂浮式风电机组基础选型需要考虑的因表1 全球漂浮式样机和小型漂浮式示范风电场统计类型国家项目名称示范年份容量基础型式单台样机挪威Hywind demo2009 2.3MW Spar单台样机葡萄牙WindFloat demo20112MW Semi 单台样机法国Ideol20182MW Barge 单台样机日本GOTO20112MW Spar 单台样机日本Fukushima Forward20132MW Semi 单台样机日本Fukushima Forward20167MW Semi 单台样机日本Fukushima Forward20175MW Spar 单台样机日本Ideol2018 3.2MW Barge 小批量英国Hywind Scotland201730MW Spar 小批量葡萄牙WindFloat202025.2MW Semi表2 国内漂浮式示范样机项目统计开发商整机厂商机位点机组功率计划示范年份基础型式三峡明阳智能广东阳江海域 5.5MW2021Semi龙源电力上海电气福建莆田海域4MW2021Semi 上海绿能华锐风电&上海电气东海海域6MW&3.6MW2021TLP&Semi 中国海装中国海装广东湛江海域5MW2021Semi102 风能 Wind Energy素，对我国海域漂浮式风电机组基础适用性进行分析，以期为漂浮式风电机组在方案设计阶段选出合适的基础型式。
海上风机 漂浮 原理
海上风机漂浮原理概述海上风机是一种利用海洋风能发电的装置。
相比于传统的陆地风力发电机组，海上风机具有更大的装置尺寸和更高的发电效率。
其中，漂浮式海上风机是一种在海洋表面漂浮的风力发电装置，它的基本原理是利用浮标和锚链来维持装置的稳定性，同时通过风能转化为机械能，再进一步转化为电能。
漂浮式海上风机的组成部分漂浮式海上风机主要由以下几个组成部分构成：1.浮标：浮标是漂浮式海上风机的核心组成部分，它通常由具有良好浮力的材料制成，例如混凝土或钢材。
浮标的设计需要考虑到其稳定性和抗风性能，以确保风机能够在恶劣的海洋环境下安全运行。
2.锚链：锚链用于将浮标与海床连接起来，以防止漂浮式海上风机受到海流和风力的影响而偏离目标位置。
锚链通常由高强度钢材制成，具有足够的抗拉强度和耐腐蚀性能。
3.风轮：风轮是漂浮式海上风机的核心能量转换部件，它通常由多个叶片和轴组成。
当海洋风经过风轮时，风轮会受到风力的作用而旋转，将风能转化为机械能。
4.发电机：发电机是将机械能转化为电能的装置。
在漂浮式海上风机中，发电机通常与风轮轴相连，当风轮旋转时，发电机也会旋转，通过磁场和线圈的相互作用，将机械能转化为电能。
5.电缆：电缆用于将发电机产生的电能传输到陆地上的电网。
通常，电缆会通过海床埋设，以确保电能传输的可靠性和安全性。
漂浮式海上风机的工作原理漂浮式海上风机的工作原理可以概括为以下几个步骤：1.定位：漂浮式海上风机首先需要在目标位置上进行定位。
通常，定位的过程会使用定位船和GPS等设备来完成，确保风机能够准确地漂浮在目标位置上。
2.浮标浮力：一旦漂浮式海上风机定位到目标位置上，浮标会受到海水的浮力作用而浮起。
浮标的浮力需要足够大，以支撑整个风机的重量，并保持其稳定性。
3.锚链固定：一旦浮标浮起，锚链会通过连接装置与浮标和海床连接起来。
锚链的作用是确保风机不会受到海流和风力的影响而偏离目标位置。
4.风能转化：当海洋风经过风轮时，风轮会受到风力的作用而旋转。
219467644_海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践
海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践①李红涛,杨林林,曲晓奇,孙 涛(中国船级社海洋工程技术中心,天津 300457)摘要 海上浮式风电装备已经逐步成为深远海新能源开发的热点㊂但浮式风电商业化开发仍面临一系列技术难点和挑战㊂本文系统梳理了海上浮式风电装备设计分析关键技术,从总体性能分析㊁结构整体强度㊁系泊系统设计㊁疲劳强度分析㊁稳性校核㊁动态电缆设计6个方面,提出了解决思路和分析方法;结合国内浮式风电平台的实际工程案例,给出有益结论和建议㊂对我国浮式风电装备开发进行了很好的工程探索和实践,以期为我国漂浮式风电技术的发展壮大提供有益参考㊂关键词 海上浮式风电装备;总体性能;结构整体强度;系泊系统;疲劳强度;动态电缆中图分类号:P 75 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)007910d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.13E n g i n e e r i n g E x p l o r a t i o n a n d P r a c t i c e o f K e y T e c h n o l o g yf o r F l o a t i ng O f f sh o r e Wi n d T u r b i n e E q u i pm e n t L I H o n g t a o ,Y A N G L i n l i n ,Q U X i a o qi ,S U N T a o (O c e a n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t F l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t h a s g r a d u a l l y b e c o m e a h o t t o p i c i n t h e d e v e l o p m e n t o f d e e p-s e a r e n e w a b l e e n e r g y .H o w e v e r ,t h e r e a r e s t i l l a s e r i e s o f t e c h n i c a l d i f f i c u l t i e s a n d c h a l l e n ge s i n t h e c o m m e r c i a l i z a t i o n of f l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e .T h i s s t u d y s y s t e m a t i c a l l y c o m b s t h e k e y t e c h n o l o g i e s f o r d e s i g n a n d a n a l ys i s o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t .T h e s o l u t i o n s a n d a n a l y s i s m e t h o d s a r e p u t f o r w a r d r e g a r d i n g s i x a s pe c t s i n c l u d i n g o v e r a l l p e rf o r m a n c e a n a l y s i s ,s t r u c t u r a lg l o b a l s t r e n g th ,m o o ri n g s y s t e m d e s i g n ,f a t i g u e s t r e n gt h a n a l y s i s ,s t a b i l i t y c h e c k a n d d y n a m i c c a b l e d e s i g n .A s e t o f u s e f u l c o n c l u s i o n s a n d s u g g e s t i o n s a r e g i v e n t h r o u gh t h e i n t r o d u c t i o n o f a c t u a l d o m e s t i c f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e n g i n e e r i n g p r o j e c t .E n g i n e e r i n g e x pl o r a t i o n a n d p r a c t i c e a r e c a r r i e d o u t o n t h e d e v e l o p m e n t o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t i n C h i n a ,a n d i t i s e x pe c t e d t o p r o v i d e u s ef u l r e f e r e n c e f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d e x p a n s i o n o f C h i n a s f l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e t e c h n o l o g y.K e y w o r d s f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t ;o v e r a l l p e r f o r m a n c e ;s t r u c t u r a l g l o b a l s t r e n g t h ;m o o r i n g s y s t e m ;f a t i g u e s t r e n g t h ;d yn a m i c c a b l e 0 引 言作为一种可再生清洁能源,海上风力发电受到世界各沿海国家重视㊂近些年来,随着海上风电技术的进步,海上风电场建设开发进入快车道㊂截至2021年,欧洲海上风电累计装机容量超过28G W ,满足了欧盟和英国2.8%的电力需求[1]㊂尽管我国海上风电起步较晚,但发展迅猛,2021年国内海上装机总容量达到26.4G W ,已经跃居世界第一位㊂由于近海空间资源有限,海上风电的发展也必然像过去海洋油气产业一样,不断从浅海走向深远海㊂因此,漂浮式风电技术正成为研究热点,并逐步在海上进行示范应用[2]㊂浮式风电设施浮体型式源于传统海上油气浮①作者简介:李红涛(1976 ),男,博士研究生,正高级工程师,主要从事海上风电工程计算分析方面的研究㊂E -m a i l :h t l i @c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃80㊃海洋工程装备与技术第10卷式结构物类型,可分为单立柱式㊁半潜式㊁张力腿式和驳船式4种类型,如图1所示㊂半潜式浮式基础成熟度高,水线面较大,稳性较好,安装部署简单,适用水深范围广,已经在国内外多个项目上进行了示范应用;立柱式浮式基础成熟度较高,重心低,垂向运动性能较高,适用水深一般大于100m ,但对安装技术要求较高,在欧洲H y w i n d 风电场上进行了实际应用;张力腿式浮式基础成熟度不高,具有较好垂向运动性能,适用水深大于60m ,安装过程复杂,张力腱造价较高,目前国内外应用很少;驳船式成熟度较高,结构简单,安装容易,成本较低,适用水深范围较广,但运动性能差一些,受上部风机运动性能参数影响较大,目前在国外有过相关示范应用[3㊁4]㊂随着浮式风机技术的快速发展,其他创新型浮式结构形式也在不断涌现,如阻尼池式浮式基础㊁双头机浮式基础等,如图2和图3所示㊂图1 浮式风机基础类型F i g .1 P l a t f o r m t y p e o f F l o a t i n g wi n d t u r b i ne 图2 法国 D a m p i n g Po o l 浮式风机F i g .2 F r a n c e D a m p i n g P o o l F l o a t i n g w i n d t u r b i n e图3 瑞典H e x i c o n 公司 T w i n W i n d浮式风机F i g.3 S w e d e n H e x i c o n T w i n W i n d f l o a t i n gw i n d t u r b i n e欧洲海上浮式风电技术发展较早,从2009年开始多个项目已经进行了相关示范应用,主要集中在欧洲地区,以苏格兰㊁葡萄牙和地中海区域为主㊂典型项目如挪威的H yw i n d 立柱式浮式风电设施㊁葡萄牙W i n d F l o a t 半潜式浮式风电样机㊁法国的F l o a t ge n 阻尼池船式浮式风电样机㊁日本的福岛半潜式浮式风电样机等[2㊁3]㊂随着示范项目的不断成熟完善,欧洲海上浮式风电逐步进入商业化开发阶段,如挪威国家石油公司投资的H y w i n d T a m pe n 项目为全球首个商业化运作的浮式海上风电项目㊂2021年,中国首台漂浮式海上风电试验样机 三峡引领号 建成并网发电,2022年重庆海装 扶摇号 ㊁中海油首个 双百 深远海浮式风机样机㊁龙源电力福建南日岛浮式风电养殖融合项目相继开工建造和安装,国内首个商业化运作的海南万宁100W K W 海上浮式风电场已经启动开发,预计近几年国内还有多个浮式风电项目陆续上马㊂2021年,全球风能协会(G W E C )预测,2030年全球漂浮式海风累计装机预期达16.5G W ;从2026年开始,漂浮式海上风电进入新增装机达到G W 级的商业化阶段,欧洲㊁中日韩和美国将主导全球漂浮式海上风电市场㊂关于漂浮式风电技术研究和工程化应用,我国近些年做了很多技术攻关和产业布局工作㊂早在2016年,国家发改委等部委联合印发‘中国制造2025能源装备实施方案“,提出 重点发展海上漂浮式风力发电机组及各种基础结构 ;2021年国家能源局印发了‘ 十四五 能源领域科技创新规划“,提出加快 研发远海深水区域漂浮式风电机组基础一体化设计㊁建造与施工技术 ;工信部㊁科技部等国家部委㊁沿海地方政府也投入专项资金支持海上浮式风电装备研制㊂本文系统分析了海上浮式风电装备设计关键技术,从总体性能分析㊁结构整体强度㊁系泊系统设计㊁疲劳强度分析㊁稳性校核㊁动态电缆设计6个方面提出解决思路和分析方法;结合国内在建浮式风电平台的实际工程案例经验,给出有益结论和相关对策建议;以期梳理浮式风电装备关键技术现状,为我国漂浮式风电技术的发展壮大提供有益参考㊂1 关键技术研究1.1 总体性能海上浮式风电装备总体性能分析主要计算平台在外部载荷作用下的各种响应,主要包括运动性能㊁气隙预报㊁系泊系统张力响应等㊂通过总体性能分析结果为后续平台结构强度㊁系泊强度㊁疲劳强度以及动态电缆设计等提供载荷输入㊂总体性能分析宜采用一体化耦合分析方法,在相关软件中建立风机模型㊁气动载荷模型㊁浮体水动力模型㊁系泊系统模型以及控制模型,形成一体化耦合分析模第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃81 ㊃型,模拟不同工况下浮式风电系统的性能响应㊂一般采用时域分析方法模拟浮体结构在各种工况下的各种响应,然后,统计响应的最大值㊂与传统海洋工程结构物分析比较,浮式风电总体性能分析有如下不同:①建立动力学方程的基本理论有差异,传统海工结构物基于单刚体动力学,浮式风机基于多体动力学;②传统海工结构物仅需考虑风的拖曳力,而浮式风机需考虑气动载荷;③浮式风机的设计载荷工况比传统海工结构物更复杂;④传统海工结构物分析一般采用频域的分析方法,而浮式风机平台的载荷非线性效应更依赖于时域分析;⑤目前需要风机厂商㊁浮体设计㊁电缆供应方等多方合作,完成多轮迭代计算㊂海上浮式风电装备分析的工况一般可根据风力发电机组的全生命周期内运行状态分类,如发电㊁停机㊁运输㊁安装和维修等不同运行状态㊂每种运行状态再按照风况㊁海况等条件细分,具体可参考相关规范标准[5㊁6]㊂目前行业规范要求载荷工况数量庞大,采用时域分析耗时㊁耗力,还需进一步对此优化研究,更适用于工程设计㊂采用一体化耦合分析,可同时考虑气动载荷㊁水动力载荷㊁系泊载荷㊁控制载荷的非线性效应对浮式风机整体动力响应的影响,能够较为精准地预报整体性能㊂运动性能分析保证平台具有较好的运动表现,能够满足上部风机的发电指标要求㊁系泊要求和动态电缆设计要求;气隙预报是保证平台在极端恶劣海况下波浪不会抨击到风机叶片和浮体上部关键结构;通过整体性能分析可以对系泊系统张力进行预报,判定系泊缆强度安全㊂图4所示是某风机的一体化耦合分析模型㊂图5所示是纵荡图4 某浮式风机一体化耦合分析模型F i g .4 I n t e g r a t e d c o u p l i n g a n a l y s i s m o d e l o f a f l o a t i n gw i n d t u r b i ne图5 某浮式风机六自由度运动响应F i g .5 S i x D o f m o t i o n r e s p o n s e s o f a f l o a t i n g wi n d t u r b i n e㊃82㊃海洋工程装备与技术第10卷控制工况下平台六自由度运动时间历程㊂1.2 结构整体强度海上浮式风电装备结构整体强度主要分析平台在各种载荷作用下的强度表现是否满足要求,主要包括结构的屈服和屈曲强度㊂除浮体构件满足规范规定的描述性构件尺寸外,一般需通过整体有限元计算分析确定㊂根据波浪条件不同,设计工况可分为正常作业海况㊁恶劣海况和极端海况三大类,同时应叠加相应风机载荷工况㊂理想方法也是通过一体化耦合分析手段,分别计算各工况条件下浮体结构的应力时域响应;然后,统计响应最大值进行强度衡准㊂但这种方法面临计算量过大㊁软件手段难于实现等技术难题㊂本文推荐传统海洋工程设计波与风机极限载荷相叠加的方法,进行平台结构整体强度分析㊂设计波分析方法可参考相关规范标准[7]㊂应考虑与相应风机载荷极值进行叠加组合,叠加依据为在选定特征响应基础上,所选取风机载荷对浮式基础结构典型剖面载荷造成更加不利影响,如考虑横摇弯矩波浪工况时,应叠加风机对平台产生的横向最大弯矩㊂应充分考虑对平台结构产生最大影响的剖面载荷,并将该载荷作为设计波选取的特征载荷㊂该方法较为简单,适用于工程设计,且足够保守㊂图6所示为某四立柱半潜式浮式风机结构有限元模型;图7所示为特征剖面标定,并取剖面位置的分离力㊁剪力和弯矩作为特征载荷;图8所示为S E C T I O N 101剖面横向分离力的各浪向幅值响应系数(R A O ),通过4个特征剖面,5个特征载荷,搜索特征载荷最大响应合计构造出18种设计波工况㊂叠加风机载荷效应,最终确定72种组合工况;图9所示为最恶劣工况分析得到的平台应力云图㊂图6 有限元模型F i g.6 F E M m o d el 图7 特征剖面示意图F i g .7 S c h e m a t i c d i a gr a m o f c h a r a c t e r i s t i c s e c t i on 图8 横向分离力的各浪向R A OF i g.8 L a t e r a l f o r c e R A O i n d i f f e r e n t w a v e d i r e c t i on 图9 有限元模型应力分布F i g.9 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f F E M m o d e l 1.3 系泊系统海上浮式风电装备锚泊系统分析主要校核系泊系统强度是否满足要求,包括极限强度和疲劳强第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃83㊃度㊂系泊拉力极限强度校核一般可根据1.1节的总体性能分析中得到的系泊拉力时程变化曲线,经统计得到拉力极值,按规范标准要求的安全系数判定系泊缆强度安全水平㊂图10所示为某浮式风电平台某一系泊索的拉力时程曲线㊂一体化耦合模型中应充分模拟系泊索类型㊁刚度㊁重量㊁长度㊁预张力等重要参数,工况选取可按规范标准要求,适当时可选择最为恶劣工况代表,必要时也应考虑系泊缆发生破损工况下的破损强度㊂系泊系统的疲劳强度一般考虑系缆点(导缆孔)㊁锚链和钢索连接位置㊁躺地拉起以及锚固点等位置处进行疲劳强度分析,如图11所示㊂首先,根据规范标准要求的疲劳计算工况,利用一体化耦合分析方法对漂浮式风机进行一体化仿真,计算不同工况下系泊缆上各个疲劳计算点的张力时程;然后,采用雨流计数法统计各工况下计算点的应力循环幅值和循环次数;最后,根据M i n e r线性累计损伤理论计算其疲劳寿命㊂此方法与传统海洋工程疲劳分析采用的谱疲劳方法不同,采用时域分析方法,并用雨流计数法统计应力循环幅值和频次,累计疲劳损伤㊂因此,工况数量非常多,计算量较大,需进一步优化分析,简化工程计算量㊂图10系泊索拉力变化F i g.10 M o o r i n g l i n e t e n s i o n r e s p o n s es图11系泊索疲劳计算点F i g.11F a t i g u e c a l c u l a t i o n p o i n t o f t h e m o o r i n g l i n e1.4疲劳强度海上浮式风电装备疲劳强度分析主要对由波浪载荷和风机载荷等循环载荷引起的疲劳敏感点进行寿命预报,判定是否满足设计寿命要求㊂一般来讲,对于立柱半潜式浮式风电平台,需计算的疲劳敏感点有立柱与撑杆㊁立柱和旁通㊁立柱与上部结构㊁风机塔筒与上部结构等连接处㊂按照行业规范标准要求,疲劳工况主要由外部海洋环境条件㊁风电机组状态和外部电网状态3部分组成㊂根据机组运行状态又分为正常发电㊁发电和故障㊁启动㊁正常停机㊁停机㊁停机和故障㊁安装及检修7种疲劳工况,对每种工况分别定义了相关的风㊁浪㊁流㊁水位和外部电网条件㊂疲劳分析采用正常湍流风模型和波浪谱模型,并考虑风和波浪载荷的联合概率分布㊂㊃84㊃海洋工程装备与技术第10卷目前,对于浮式风电平台的疲劳分析方法并没有明确规定,但为保证计算精度,降低建造成本,建议使用时域分析方法㊂理想时域方法是做结构应力的一体化耦合分析,但需要的算力太大,目前难以实现㊂本文建议采用半耦合时域分析方法,即风机载荷引起的时域疲劳与波浪载荷引起的时域疲劳叠加的方式,计算流程如图12所示㊂具体如下:图12 时域疲劳计算方法F i g .12 T i m e d o m a i n f a t i gu e c a l c u l a t i o n m e t h o d ①通过1.1节中所述一体化耦合分析方法,按照规范要求的疲劳工况,将风载荷作用于平台,得到风机塔筒法兰处六自由度的载荷时历曲线;②将得到的载荷时历施加到结构有限元模型上,得到计算疲劳节点由风机载荷引起的应力时历曲线;③应用同一疲劳工况下风速对应的随机波浪作用于平台,可以得到计算疲劳节点由波浪载荷引起的应力时历曲线;④将②和③得到的同一载荷条件的计算疲劳计算节点时程应力进行线性叠加,可得到计算疲劳节点由风机载荷与波浪载荷联合作用下的应力时历曲线;⑤应用雨流计数法统计该载荷条件下的应力循环幅值和频次,根据M i n e r 线性累计损伤理论计算疲劳损伤;⑥根据风速波高周期联合概率分布,叠加不同风速㊁波高㊁周期㊁风向等载荷条件下的疲劳损伤,可得到计算疲劳节点的最终疲劳寿命㊂规范要求的工况较多,涉及风㊁浪㊁流联合概率分布,基本上工况数量要以万计,且计算过程中涉及动力时程分析,计算量及所需存储空间巨大㊂因此,从计算方法㊁工况统计㊁仿真分析等方面仍需进一步优化和提升㊂图13所示为某浮式风电平台的疲劳节点细化有限元模型图;图14所示为某疲劳节点的风机载荷与波浪载荷联合作用下的应力时程曲线;图15所示为通过雨流计数法统计得到的应力循环幅值和频次分布㊂1.5 稳性校核海上浮式风电装备稳性校核主要分析平台在拖航㊁安装㊁作业和停机状态下,抗倾覆能力是否满足要求,一般应包括完整稳性和破损稳性分析㊂传统海洋平台稳性校核较为成熟,主要建立平台稳性模型,依据相关规范标准要求进行稳性衡准㊂浮式风机平台稳性具备自身特点,风载荷不是传统的静态载荷,需要考虑风机发电工况下的气动载荷㊂海工结构物常用的风载荷计算公式不再适用,需用叶素动量理论求解㊂而且倾斜到一定角度时,风机停第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃85 ㊃图13 旁通和斜撑连接处F i g .13 J o i n t o f po n t o o n a n d b r a ce 图14 风机载荷与波浪载荷联合作用下的应力时程F i g .14 S t r e s s t i m e h i s t o r y un d e r c o m b i n e d a c t i o n o f w i n d t u r b i n e l o a d a n d w a v e l o ad 图15 应力循环幅值和频次分布F i g .15 D i s t r i b u t i o n o f s t r e s s c y c l e a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y㊃86㊃海洋工程装备与技术第10卷机会造成风载荷减小,如图16所示㊂关于稳性校核的风速要求㊁衡准标准及相关分析方法可参考船级社规范标准[5]㊂关于与传统油气平台相比,浮式风电平台的安全等级要求不同,是否可以降低稳性评价标准,还需进一步研究[8]㊂图17所示为某浮式风电平台的稳性分析模型㊂图16 发电工况下稳性校核标准F i g .16 S t a b i l i t y ch e c k s t a n d a r d u n d e r p o w e r pr o d u c t i o n c o n d i t i o n 1.6 动态电缆作为海上浮式风电装备的重要组成部分,动态电缆构型设计至关重要,一般需要进行静态强度分析㊁动态响应分析和疲劳分析㊂理想的一体化分析模型应包括动态海缆,分析浮式风电平台与动态电图17 静水力模型三维视图F i g .17 H yd r o s t a t i c m o de l 3D v i e w 缆的相互影响,从而确定动态电缆的设计参数和形态㊂但目前受限于各方面条件,动态海缆与浮式风电平台分析往往采用分离的做法,忽略海缆与浮体之间的耦合约束㊂动态海缆设计需要考虑浮体运动对其产生的影响,尤其极端工况下应对浮体运动提出限制性要求㊂2 工程实践国内浮式风电技术发展很快,已经有多台浮式风电装备陆续进入示范应用阶段,也在逐步探索商业化应用㊂目前浮式风电平台以立柱半潜式结构型式为主,几个已建和在建的平台相关性能参数如表1所示㊂表1 国内浮式风电装备性能参数T a b .1 P a r a m e t e r s o f d o m e s t i c f l o a t i n g w i n d t u r b i n e e q u i pm e n t 项目名称三峡引领号中船扶摇号中海油融风项目龙源风电养殖融合项目结构型式三立柱半潜式三立柱半潜式四立柱半潜式三立柱半潜式风机容量5.5MW6.2MW7.25MW4MW作业海域及水深南海阳江海域水深30m 南海湛江海域水深65m 南海文昌海域水深120m 台湾海峡南日岛海域水深35m 适应环境条件作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速51.2m /s,有义波高10.6m ,表面流速1.2m /s )作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速51.8m /s ,有义波高9.5m ,表面流速1.0m /s )作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速54.7m /s,有义波高12m ,表面流速2.18m /s)作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速46.2m /s ,有义波高4.77m ,表面流速1.23m /s)运动性能指标发电工况,平台整体运动倾角不超过5ʎ;极端工况,倾角不超过12ʎ发电工况,平台整体运动倾角不超过5ʎ;极端工况,倾角不超过10ʎ发电工况,平台整体运动倾角不超过4ʎ;极端工况,倾角不超过11ʎ发电工况,平台整体运动倾角不超过5ʎ;极端工况,倾角不超过9ʎ主尺度总长79m ,型宽91m ,型深32m 总长72m ,型宽80m ,型深33m 总长72m ,型宽80m ,型深35m 总长72m ,型宽82m ,型深24m 排水量1.3万吨1.56万吨1.26万吨0.94万吨系泊型式3ˑ3型式3ˑ3型式3ˑ3型式3ˑ3型式第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃87 ㊃ (续表)项目名称三峡引领号中船扶摇号中海油融风项目龙源风电养殖融合项目示意图国内海上浮式风电装备开发过程中的问题和建议分析如下:①结构型式主要以三/四立柱半潜式型式为主,此种结构型式技术成熟,结构较为简单,适应性较好,被行业认可度高㊂随着技术不断进步,也出现其他型式,如T L P ㊁S P A R 等基础型式㊂②由于处于示范应用阶段,作业水深普遍较浅,只有中海油融风浮式风电作业水深达到100m 以上㊂浅水对于系泊设计提出了更大挑战,有效限制浮体运动,对于整体系统设计要求更高,如 三峡引领号 作业水深只有30多米㊂随着海上风电开发向深海发展,浮式风电技术也会逐步走向深水㊂③工程上还没有实现上部风机和下部浮体的全耦合设计,只是下部浮体设计单位和风机厂商进行多轮迭代设计㊂尽管设计方法上已经有了较大进步,但在降本增效的大背景下,提高设计精度㊁降低设计工程成本㊁优化基础理论等方面仍有较长路要走㊂④浮式风电技术与其他技术的融合,如龙源项目在立柱之间布置网箱进行养殖,还有与波浪能㊁潮汐能发电功能的融合发展等,面临多种载荷耦合㊁多种工况组合㊁多样风险标定等很多工程挑战,还需对相关关键技术进一步研究㊂⑤浮式风电浮体一般由船舶与海工行业单位设计,而风机和发电要求一般由电力行业主导㊂因此,行业的不同造成设计理念㊁方法和依据标准的不一致㊂例如,国内海工结构设计一般以工作应力法(W S D )为主,和电力行业要求的抗力和载荷系数法(L R F D )不同,应加强行业的融合和统一㊂⑥相关规范标准仍不完善㊂目前,浮式风电平台设计要求还以国内外船级社规范标准为主,但浮式风电平台技术较传统海上油气装备,具备自身的技术特点,风险和安全等级有所区别㊂因此,亟需建立适应国内海洋环境条件和海上风电行业的技术规范标准体系㊂⑦工程设计软件卡脖子 现象严重㊂无论是风机设计软件,还是浮体设计软件,仍被欧美软件所垄断㊂国内海上风电行业如想行稳致远,需在工程设计软件开发上突破,建立自己的工业软件体系已经迫在眉睫㊂⑧由于国内特有的环境条件,如台风㊁内波㊁冰情㊁复杂海底条件等,因此,浮式风电装备的安全性和可靠性还有待进一步验证㊂3 前景展望在全球海洋清洁能源开发和国内 双碳战略发展的大背景下,海上浮式风电技术具有广阔的发展前景,将伴随全球海上风电商业化开发热潮而日趋成熟㊂就国内而言,海上浮式风电领域仍存在诸多关键技术需集中研发和突破,仍需随着技术不断成熟进一步降低开发成本㊂这才是浮式风电技术的真正生命力所在㊂除了利用浮式风机进行传统的并网输电之外,利用浮式风机为油气平台㊁附近设施供电,与深远海养殖业融合发展,与海上制氢结合,避免电力的远距离输送,等等,为浮式风电技术发展提供了更多的应用场景[9㊁10]㊂4 结 语海上浮式风电装备涉及多结构㊁多学科交叉,较传统的海上油气平台以及固定式海上风电装备有很大的差异㊂环境载荷影响更为显著,在气动水动系泊载荷耦合作用下的响应也更加复杂㊂在工程设计阶段准确预报和分析浮式风机的各种表现至关重要㊂本文系统提出了浮式风电装备工程设计阶段需要分析的关键内容,给出解决思路和推荐方法;结合国内实际工程案例,给出相关有益结论㊃88㊃海洋工程装备与技术第10卷和建议,对我国浮式风电进行了很好的工程探索和实践㊂从全球行业发展来看,海上浮式风电技术尚处于应用示范和商业化初步阶段,我国与国外发达国家相比水平差距不大,只要我们加强关键技术攻关,努力开展全行业协同创新,积极进行示范应用引领,实现弯道超车指日可见㊂参考文献[1]欧洲风能协会.欧洲风能:2021年统计与2022 2026年展望[R].2022.[2]陈嘉豪,裴爱国等.海上漂浮式风机关键技术研究进展[J].南方能源建设,2022,7(1):820.[3]王宾,李红涛,唐广银.海上浮式风机研究进展概述[J].海洋工程装备与技术,2018,(5):220225.[4]肖然.海上漂浮式风机子系统技术特点浅析[J].能源与环境, 2022,(3):3840.[5]中国船级社.海上浮式风机平台指南[M].北京:人民交通出版社,2022.[6]I E C.D e s i g n R e q u i r e m e n t s f o r O f f s h o r e W i n d T u r b i n e s[J].I E C614003,2021.[7]D N V.C o l u m n S t a b i l i z e d U n i t s[S].D N V R P C103, 2012.[8]M U S I A L W D,B U T T E R F I E L D C P,B O O N E A.F e a s i b i l i t y o f F l o a t i n g P l a t f o r m S y s t e m s f o r W i n d T u r b i n e s[C].A S M E. 23r d A S M E W i n d E n e r g y S y m p o s i u m P r o c e e d i n g s,R e n o, N e v a d a,J a n.,2004.[9]李红涛.全球海洋新兴经济和技术发展全景扫描[J].中国船检,2022,(6):816.[10]W A L S H C.O f f s h o r e W i n d i n E u r o p e-K e y T r e n d s a n d S t a t i s t i c s2019[R].B r u s s e l s:W i n d E u r o p e,B r u s s e l s,2020.。
漂浮式海上风电发展现状及趋势探讨——以tlp为例
Hutchinson Oil States GE
图1 张力腿式平台连接器
锚锭系统的选择与海床环境有关，现在主要的锚锭类型有拖动式嵌入、打入桩、吸力桩、重力式。
其基本特征如表示。
拖动式嵌入主要运用于黏性泥沙沉积环境，打入桩则适用于大范围的海床环境，吸力桩和重力桩均不适用于渗透性困难
适用于黏性泥沙沉积环境适用于大范围的海床环境不适用于渗透性困难的海床
适用于中-硬土壤条件
环境
水平负载垂直或水平负载垂直或水平负载主要为垂直负载
停运时装置可以被收回停运时装置很难被移动停运时装置容易被移动停运时装置很难被移动
（下转第109页）。
海上风电机组荷载分析及控制研究
向大功率、长叶片、高塔筒、轻量化发展。设计 时主要考虑的荷载源有空气动力荷载、惯性荷载、 重力荷载，以及因刹车、偏航、变桨等控制动作
导致的运行荷载。其中，空气动力荷载是最主要 的荷载源。
因为资源的有限性和技术的发展，风资源的 索取从陆地向大海、由近海向深远海域发展。在 此过程中，风电机组的基础结构形式依次变化为： 陆地基础、桩式或导管架基础、漂浮式基础，相 应的造价和技术难度越来越高，承受的荷载也越 来越复杂。基础是海上风电机组与陆上风电机组 在结构上的最大区别。
依据风电机组基础直径 D 与波长 L 的比值
进行分类。
1) 当比值小于 0.2 时，波浪荷载主要考虑粘滞
摩擦力和惯性荷载，可用莫里森公式进行计算：
1
du
Fm = 2 Cf ρwDmU|U|+Cm ρwSm dt
(5)
式中，Fm 为单位部件长度上的力；Cf 为摩 擦力系数；Cm 为惯性力系数；Dm 为部件的直径； Sm 为部件的截面面积；U 为部件相关流体的速 度；ddut 为部件相关流体的加速度。
关键词： 海上风电机组；荷载分析；控制算法；模拟仿真
0 引言 经过多年的快速发展，我国风电新增和累计
并网容量均已持续领先全球市场，但行业发展亦 面临陆上待开发的优良风资源正逐步枯竭和弃风 限电等困境。海上风电成为突破陆上风电发展困 境的关键点。海上风资源丰富、平均风速高、湍 流度小、风剪切小、主导风向稳定，风电场建设 不占用日益紧缺的土地资源、对环境影响较小、 适合大规模开发，且距离能源紧张的负荷中心近， 海上风电必定成为未来风电行业发展的趋势。当 今我国乃至全球已建成的海上风电场多为近海风 电场，相比近海，深远海域范围更广，风资源更 丰富，风速更稳定，因此，深远海域风电是海上 风电的未来。但由于海上风电机组面临复杂多变 的环境和大型化发展的趋势，对整机的荷载控制 策略提出了更高的要求。
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毕业设计（论文）中文摘要毕业设计（论文）外文摘要目录第一章绪论 (3)1.1 海上风电的发展史 (3)1.2 海上风电的发展现状和趋势 (4)1.3 课题背景 (5)第二章海上风电机组的漂浮式结构的选取 (6)第三章永磁无刷双风轮风力发电机组的结构及工作原理 (8)3.1 当前主流风力发电机型的相关介绍 (8)3.2 永磁无刷双转子电机的结构及工作原理 (10)第四章海上风力发电的输电方案 (16)4.1 传统高压交流输电 (16)4．2 高压直流输电技术 (17)4.3 交流输电技术和直流输电技术优缺点总结 (18)4.4 分频交流输电 (18)4.5 分频输电技术的同频并网方法 (19)4.6 分频输电技术的机组并网控制策略的研究 (20)参考文献 (21)结论 (24)致谢 (25)第一章绪论1.1 海上风电的发展史早在20世纪80年代，欧洲就开始着手海上风力资源的评估工作及相关风力发电技术的研究，随后，在世界范围内相继建成了一大批不同规模的海上风电示范试验项目。
自此，海上风电开始蓬勃发展起来。
世界海上风电的开发过程大致可以分成两个阶段：(1)90年代小规模海上风电项目的研究及示范实验期。
截止至20世纪，全球共建成8个小型海上风电示范试验项目，装机容量最高达10.5MW，风电机组的装机容量为220kW～2MW。
(2)20世纪初开始商业化示范性项目期。
2002~2003年MW级风力发电机组的应用体现了海上风力发电机组向大型化发展的方向，这种趋势在德国市场上表现得尤为明显。
世界上超过90%的海上风电分布在了北欧沿岸，如北海、波罗的海、爱尔兰海以及英吉利海峡。
还有两个试验项目分布在了中国的东海沿岸。
2352001，总容量截止至9电个风电场实现了并网发台风电机组在年，全球共有达866KW，为欧洲累计输送了3813KW的海上风电。
其中，英国海域提供了大约87%的新增容量，德国安装了108KW，随后是丹麦3.6KW以及葡萄牙2KW的实体漂浮式海上风电机组原型。
另有两个低端漂浮式风电机组在挪威和瑞典进行了试验。
英国（2094KW）和丹麦（857KW）仍然是欧洲最大的两个海上风电市场，紧随其后的是荷兰（247KW）、德国（200KW）、比利时（195KW）、瑞典（164KW）、芬兰（26KW）和爱尔兰（25KW）。
挪威和葡萄牙则各自拥有一个实体漂浮式海上风力发电机组。
图 1-1 2011年全球海上风电及累计装机容量1.2 海上风电的发展现状和趋势1.2.1 海上风电的发展现状随着新能源发电技术的不断发展，风力发电在电网系统所占比例越来越大，陆上风机稳定可靠地运行已经有了20多年的经验，技术比较成熟，这些都为海上风电的发展提供了坚实的技术基础。
设备供应商经过近10年的开发和研究，充分考虑了海上风电的特殊要求，参照海上石油和天然气的运行经验，对设备运行和维护提出了相应的技术要求和维护方案，经过多年的研究和实验及海上风电设备示范试验化运行的经验总结，海上风电大规模建设指日可待。
但是，目前海上风电还存在许多技术和经济性问题，投资成本高昂和回收效益的长期性成为制约海上风电开发的主要因素。
发电成本是目前海上风电发展的瓶颈，这是由于风场建设初期的投资成本较高，其中漂浮式基础结构和并网输电装置的建造成本所占的份额比较大，一般要占50%以上。
目前在海上风电场建设的总投资中，基础结构占15%~25%，而陆上风场仅为5%~10%。
海上风电成本也与单机容量和风场安装机组台数有关，同一漂浮式基础安装的风电机组容量越大经济性越高。
此外，由于海上风电场的运行和维护费用高昂，为获取最大的投资效益，大容量单机的成本及可靠性还有待进一步提高。
因此，发展高效率大容量海上风电机组是降低海上风电成本、提高经济效益的一个主要途径。
目前，世界各国在海上风电方面还没有任何具体的规划，很多项目只是处于示范试验阶段，对基础建设和配套建设方面的投入还远远不够，技术也还不成熟。
除此之外，海上实用型风机在技术上也还没有实质性的突破，大规模海上风电场发出的巨大电能也没有找到合适的消纳途径，就连海上风电率先发展的欧洲在这方面也承受着巨大的困扰，因此大规模海上风电的发展还需要进一步的开发和研究。
1.2.2 海上风电的发展趋势虽然深海风电场的建设成本较高，技术难，但海上风电场优良的风资源，不占用陆地资源等显著优点使其经济和社会价值正在得到越来越多的认可。
欧盟在其委托欧洲风能协会制定的风机发展标准和认证体系中强调，各风电设备供应商在注重技术创新的基础上，还需要提高海上风机的可靠性，延长使用寿命，提高免维护时间，降低维护和维修成本，降低造价，减少开发初期投入，降低发电成本。
目前，越来越多的海上示范试验项目相继在世界各国建立，并网运行后的风电机组及电网的各项监测指标和机组运维人员积累的宝贵经验为海上风力发电技术的发展奠定了坚实的基础。
同时，海上风电场装机容量的增加、大功率风机的研制开发、接入电网和安装运输技术的成熟，使风电走向深海开始更深入、更大规模的开发和利用成为可能，深海风电的发展将成为世界可再生能源开发的重要组成部分。
1.3 课题背景如今，陆上风资源优良的风场已经接近饱和，由于近海水域的规划很难涉及到风电建设，主要用于港口和水产养殖业的发展，所以海上风场主要分布在深海区域。
深海区域风场与陆地风场建设最大的区别就是基础建设，基于深海海床和风况的特殊性，需要采取漂浮式结构作为风机的基础。
因此研究安全、经济、实用、耐久的漂浮式基础结构具有重要意义。
大容量、高可靠性运转的风电机组能够有效降低风电场初期投资、维护和维修费用、提高投资效益，因此如何提高风能利用系数成为海上风机设计的一个重要因素，传统风电机组叶轮靠近叶根的部分一般具有较低的叶尖速比，使得叶片获得的转矩较小，形成了一个风能转换死区，降低了风能的利用率。
在并网技术方面，由于传统并网方式受风的波动、风电机组和电网的相互影响使得风电机组出力波动较大，发电效率较低。
同时海上变电站的配置也增加了风电场的建设成本，机组并网时还会用到变流器等大量电力电子器件，增加了输电系统的故障率，降低了电网系统的稳定性。
本课题正是在这种背景下提出的，旨在研究一款适合于海上漂浮式风电站的双风轮励磁机/发电机组合、可自由偏航、分频输电的超大型（10MW）风电机组概念设计，以实现低成本、高可靠性地将海上风力资源高效率、高质量地转化成电能的目标。
第二章海上风电机组的漂浮式结构的选取深海风场的建设首先要解决的问题就是基础的选取，因此漂浮式基础平台的研究和实验为深海风资源的开发具有重要意义，能够有效地增加大型风电机组布局的灵活性，尤其适用于深海风资源丰富水域，减少了视觉影响，缓解了用地矛盾，简化了海上安装步骤，整合了机身与塔架，去除了针对具体项目的特定过度连接段，同时，批量生产还可以降低安装成本。
目前开发技术比较成熟的海上漂浮式结构主要有三种形式，分别是：（a）单柱式（spar）平台（b）张力腿平台（c）驳船式平台。
（a）单柱式（spar）平台（b）张力腿平台（c）驳船式平台图2-1 各种海上漂浮式平台（1）Spar平台(单柱式平台)利用固定在浮箱中心底部的压载物的重力来获得恢复力矩从而实现平台的稳定性，是一种特别适用于深海的漂浮式平台形式，适用水深范围达550~3000m，目前最大工作水深为1710m。
这类平台一般会产生较大的吃水，它的主体是一个具有大直径、规则形状的浮式结构，主体上部是一种硬舱，用来提供平台的浮力，中部是储存仓，在漂浮式基础建造时底部为平衡稳定舱，安装机组时转换为固定压载舱，控制整套装置的吃水。
主体中部用铰链固定于海底。
基于其稳定的设计，在漂浮式结构当中，单柱式平台的安全系数较高，风险较小，但是在实际安装过程中，需要分几个阶段进行，需要特殊的安装船进行安装，工程量较大，成本相对较高。
（2）张力腿平台张力腿平台利用系缆张紧力实现平台的稳定性，是目前技术比较成熟的漂浮式平台。
传统张力腿平台主体结构一般都呈矩形或三角形，平台主体的上半部分位于水面以上，通过3~4根立柱连接下部，主要作用是提供给平台必要的结构刚度。
平台的浮力由位于水面以下的浮箱提供，张力腿由1～4根张力铰链组成，浮箱上端固定在平台本体上，下端与海底基座相连或直接连接在桩基顶部。
海底基础将平台固定在预设计的位置，主要形式有桩基式和吸力式两种。
波浪的冲击使得张力腿绷紧，而整个平台则依靠张力腿的张紧力与浮箱的浮力来保持整体的平衡。
在一些情况下，还会安装斜线系泊索系统作为垂直张力腿系统的辅助结构，以增加平台的侧向刚度。
张力腿平台虽然是目前海上漂浮式结构应用技术中最为稳定的一种形式，但是它对海床的地质条件和海上风况的要求非常严格。
一般不适用于海床地质松软和含有过多坚硬岩石的风场。
对于经常发生热带气旋和寒潮大风的海域也具有很大局限性。
（3）驳船式平台驳船式平台结构相对比较简单，它的工作原理主要是通过利用大平面的重力扶正力矩来保证整个平台的平稳性，类似于一般船舶。
理想化的驳船一般被看做是没有重量的浮箱，主要特点是具有较大的着水面积，能够为平台提供足够的扶正力矩以保证整个平台在各种风况和海浪冲击下都保持平衡。
水面以下的系泊系统能够可靠地固定在海底，防止平台随波漂流。
就经济性而言，驳船式平台结构简单而且生产工艺成熟，单位吃水成本较低，容易进行批量生产。
安装过程可以在海岸进行，并且不需要专用安装船，经济性较好。
针对本文10MW大容量风力发电机组的设计需要采用驳船式平台。
从经济性而言，驳船式平台的建设成本要低于其他两种平台形式，从结构而言，驳船式平台结构最为简单，同时由于在海上天然气和石油的开采过程中成熟的应用经验也保证了该技术的稳定性，尤其是考虑到沿海风场很有可能遭遇的热带气旋和暴风雨等极端风况，稳定性和可靠性要求更加严格，因为只有在保证基础结构坚固、高可靠性的前提下海上风电场才能健全、稳定地运行。
所以本方案采取驳船式平台结构。
第三章永磁无刷双风轮风力发电机组的结构及工作原理3.1 当前主流风力发电机型的相关介绍由于深海风场投资成本高昂，投资商后期的效益回收主要依靠风机的发电情况，因此，如何实现将海上不稳定的风能高效率、高质量地转化成电能是海上风电发展的一个关键性难题。
目前，世界范围内还没有开发出完全针对海上风资源特性的海上专用机型，现有的传统风机类型主要适用于陆上风场，并且存在许多问题，突出表现在以下三个方面：（1）风机工作风速范围窄，只能在额定的切入和切出风速范围内工作。
低质风能的利用不理想，造成了风资源的浪费。
（2）风能利用系数不会超过40%，风轮靠近叶根部30%的部分由于具有较低的尖速比，所获得的转矩较小，因此由风能转化为机械能的效率较低，形成转换死区，相当大一部分风资源未能得到合理的利用。