海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
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。
Spar型海上浮式风机极端载荷预报
Spar型海上浮式风机极端载荷预报周帅;王迎光;李昕雪【摘要】在风机极限强度校核问题中,通常采用传统的直接积分法外推求解构件所受的极端载荷.由于传统算法本身的缺陷,在求解海上风机时所需仿真数量急剧增加,给外推造成了困难.为了减少所需的仿真数据,引入反向一阶可靠度方法求解风机极限载荷.将其二维形式环境等值线法与1维最优化方法二分法结合起来,形成一种新的搜索算法.以某Spar型海上浮式风机为例,对其长期载荷进行求解,获得了叶片根部面外弯矩和塔筒基底首尾弯矩分别在1年和20年重现周期下的极端载荷.为了验证计算的准确性,采用计算量更大的直接积分法获取了这2项载荷的长期分布.发现计算结果与超越概率曲线具有较好的吻合度,由此体现出该方法在求解风机特定极限载荷时,不仅具有计算成本的优势同时也有较高的可靠性,为快速求解风机极限载荷提供了一种参考.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)009【总页数】8页(P99-106)【关键词】海上风机;极端载荷;重现周期;超越概率;环境等值线法【作者】周帅;王迎光;李昕雪【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TM3150 引言为了保证海上风机的结构完整性，国际电工委员会在设计标准IEC 61400-3[1]中，对支撑结构和叶轮-机舱组合件的设计提出了极限强度分析的要求，其中设计载荷是分析中的必要参数，求解方法通常为IEC 61400-1[2]中介绍的基本方法，直接积分法。
虽然直接积分法便于理解与扩展，但是由于算法本身的缺陷，当考虑的环境变量中不止有风还有波浪等时，所需的仿真次数也急剧增加，因此给海上风机极限载荷的求解造成了困难。
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。
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。
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发表时间：2019-11-21T11:09:46.283Z 来源：《电力设备》2019年第14期作者：朱鑫[导读] 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。
（江苏金风科技有限公司江苏盐城 224100）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。
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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s;④Ce
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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 。
海上浮式风机的运动对结构载荷的影响
海上浮式风机的运动对结构载荷的影响摘要：为了优化海上浮式风机系统设计，本文展开海上浮式风机运动对结构载荷的影响研究，通过建立空气动力—水动力耦合动态分析理论模型，对风机系统在纵荡运动、升沉运动这两种运动方式下，叶片、塔柱结构载荷的具体影响。
发现风机运动响应幅度会很大程度增加风机结构载荷，所以在设计海上浮式风机，需要降低叶片、塔柱结构载荷作用力，为海上浮式风机设计提供理论指导，也为类似研究提供参考借鉴。
关键词：海上浮式风机；运动；结构载荷随着我国近几年海上风电建设事业的飞速发展，风机结构尺寸与发电效能得到不断增加，更大兆瓦级风机可以极大程度提升海上风电场经济效益。
以往设计海上浮式风机所受自身重力与转动作用下，叶片会受交变载荷作用力的影响，且浮式风机的基础运动和叶片桨距角也会发生变化，造成风机叶片根部载荷作用力增加[1]。
通过对海上浮式风机的深入研究，分析基础运动对于风机叶片和塔柱结构的载荷影响，顺应未来风机事业发展大型化趋势，对于优化设计海上浮式风机，成功降低风机结构载荷意义重大。
1模型理论基础运用叶素动量理论计算叶片风载荷，在叶片延展向可以划分为多个叶素，在风载荷叶片旋转时，这些叶素会形成圆环区域。
叶尖半径用R表示，浆距角用β表示，弦长用c表示，风机的β和c均会沿桨叶轴线发生变化。
在风通过叶片时所产生的升力用L表示，拖拽力用D表示，与转子平面转矩和转子轴向推力相平行，这就是海上浮式风机在设计中需要面对的主要载荷作用力。
在叶片上产生的推力作用，也会向塔柱结构传递，在理想非分离气流作用下，集中在与叶片前沿距离弦长处作为力与力矩作用，每一个叶片会在展向长度为dr，与相对速度方向升力相垂直，与相对速度拖拽力相平行，公式如下[2]：（1）（2）式中：升力系数用CL 表示，拖拽力系数用CD表示，经风洞试验可测系数，其中需要注意，由于叶片截面所处不同跨度位置，会形成不同形状，所以跨度r的函数为CL 和CD。
叶片根部所受摆振弯矩与挥舞弯矩，经截面载荷在展向可得公式如下[3]：（3）（4）在本次建立此数值模型中，在浮式风机所受波激载荷作用力用F(t)表示，相关于波面高度，公式如下[4]：（5）在时域范围内的F(t)公式如下：（6）2浮式风机运动影响结构载荷建模本次建模选用Hywind SPAR式海上风机系统设计，WADAM为水动力程序及Matlab仿真模块，建立空气动力—水动力耦合动态分析模型（见图1），采用FAST分析软件对本次海上风机的运动结构载荷影响进行分析，数值模型包含三叶片风机、变桨与变速控制系统、机舱、发动机、塔柱、锚泊等。
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。
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
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。
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
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。
漂浮特性对风力发电机载荷的影响
式风 力发 电机组 的设 计必 须考 虑漂浮 特性对 风机 的
影响 。Ｌ ． Ｊ ｏ ｈ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｌ 】 进 行 了低 频 响 下 的 漂 浮 式 风 力发 电机 的塔 架 的 动 态 相 应 分 析 。Ｊ ． Ｗｅ ｉ ｎ ｚ ｅ ｔ ｔ ｅ ｌ ＿ ２ Ｊ
中 图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９ 文献标志码 ： Ａ
Ｆｌ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ’Ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｎ Ｌｏ ａ ｄ ｓ ｏ ｎ Ｗ ｉ ｎ ｄ Ｔｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｊ Ｉ Ｎ Ｘｉ ｎ， ＸＩ ＯＮＧ Ｈａ ｉ — ｙ ａ ｎ ｇ， ＸＩ Ａ Ｚ ｏ ｎ ｇ — ｃ ｈ ａ ｏ， ＨＥ Ｙｕ — ｌ ｉ ｎ， ＤＵ Ｊ ｉ ｎ ｇ
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ３
文章编号 ： １ ０ ０ ６— ０ ４ ５ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２— ０ １ ４ ４— ０ ５
漂 浮 特性 对 风 力发 电机 载 荷 的影 响
金鑫 ， 熊海洋， 夏 宗朝 ， 何 玉林 ， 杜静
（ 重庆 大学 机械工程学院 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ４ ４）
ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｌ ｏ ａ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｍｏ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ， ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍａ ｒ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｌ ｆ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｗｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ； ｌ ｏ ａ ｄ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｐ ｏ ｗｅ ｒ ； ｍｏ ｏ ｉｎ ｔ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
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。
海上浮式风机运动对风机结构载荷影响研究
海上浮式风机运动对风机结构载荷影响研究李嘉文;唐友刚;曲晓奇【摘要】为了研究风机的叶片及塔柱的结构载荷问题,本文应用空气动力-水动力耦合动态分析模型,模拟风机系统在非定常风场和规则波作用下的单自由度运动响应,并对比和分析风机系统的三种纵向运动对叶片和塔柱结构载荷的影响.研究结果显示:运动响应幅度很大程度上增加了风机的结构载荷,因此降低风机的叶片及塔柱的结构载荷应成为海上风机设计中的重要环节.本文揭示了海上浮式风机的运动对结构载荷的影响特征,为更大兆瓦级浮式风机系统的设计提供优化方向.%To analyze the structural loads at the blade root and tower of a wind turbine,in this study, we used an aerodynamic-hydrodynamic coupled analysis model to simulate the one-degree-of-freedom motion response of an off-shore wind turbine in unsteady wind and regular wave conditions.We also compared and analyzed the influences of three longitudinal motions on the structural loads of the blade and tower.The results show that the motion response dramatically increases the structural loads of the wind turbine,Therefore,reducing the structural loads at the blade root and tower should become an important design requirement.This paper reveals the influence of motion on the structural loads of the offshore floating wind turbine and provides direction for optimizing the design of a larger meg -awatt-level floating wind turbine system.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】8页(P881-888)【关键词】海上风电;浮式风机;结构载荷;耦合动力分析;SPAR式平台;运动响应;FAST程序;时域模拟【作者】李嘉文;唐友刚;曲晓奇【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院,天津300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TM614随着海上风电的不断发展，风机的尺寸和发电效能也不断增加，更大兆瓦级风机可进一步提高海上风电场的经济效益。
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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。