2024, Vol. 46
2. 水利仿真与安全国家重点实验室，天津 300072
2. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China
海上风电以其风速稳定、风切变小、远离居住区、不占用土地资源等优点得到了快速发展。近年来，海上风电场呈现出由近海向深海发展的趋势，浮式风力机成为海上风能发电的重要装备。由于浮式风机同时承受气动力和水动力的作用，且浮式基础运动和叶片气动载荷相互影响，其运动性能更加复杂。海上浮式风机系统的动力性能研究是目前的热点和难点，受到国内外学者的广泛关注[1-2]。
Jonkman等[3]基于陆地风机仿真程序Fast开发了全耦合的结构仿真工具，进行了驳船支撑悬链线系泊的5 MW风机载荷初步分析，并研究其动力响应。结果表明，浮式基础的纵摇运动耦合导致叶片产生更大的极限载荷。Marco等[4]验证了FAST/OrcaFlex耦合模块的准确性。OrcaFlex模块采用有限元理论，提高了动态系泊载荷的计算精度，从而提高了其与FAST耦合后的浮式风机动力响应分析精度。Kvittem等[5]采用动态链接数据库编写求解了水平轴风力机气动载荷的AeroDyn 及DMS模块，同时基于SESAM 软件中时域求解器SIMO 和RIFLEX，对水平轴浮式风力机不同海况下的塔底弯矩、基础运动、系泊缆受力等结果进行了时域耦合分析。Bae等[6]基于OC4 DeepCwind 半潜型浮式风力机，采用Charm3D 和FAST 软件，建立了气动-水动-伺服-弹性-系泊耦合动力分析模型，研究了浮式风机断缆后的动力响应。刘格梁[7]基于Kane方法建立OC3-Hywind SPAR型浮式风机刚-柔耦合模型，编程研究其动力特性。宋娜等[8]研究了气动载荷对风机运动响应的影响，结果显示。气动对半潜式风机运动响应较大且不可忽略。肖昌水[9]基于多体动力学，建立了浮式风机刚-柔耦合动力学模型，编写程序研究了风浪联合作用下，叶片轴向变形二次耦合项的影响、波浪载荷二阶效应的影响以及浮式风机系统的耦合响应。
本文定量研究半潜式浮式风机系统风载荷和浮式基础运动的相互影响，包括风载荷对浮式风机系统缆力、浮式基础运动、机舱加速度等的影响及浮式基础运动对风力机系统相对风速、叶片推力及发电功率的影响。通过本文研究，为浮式风机系统设计提供参考。
1 浮式风机系统模型以 OC4-DeepCwind 浮式风机系统为例进行分析，其中风机是NREL 5-MW风机，参数如表1[10]所示。该风机为常规的三叶片上风向变速风机，半潜式浮式基础，详细参数见文献[11]。
|
表 1 风机系统参数 Tab.1 Fan system parameters |
采用软件SESAM进行建模计算。浮式风机处于复杂的海洋环境中，本文考虑的海上浮式风机外载荷包括风轮气动载荷、塔柱风压载荷、波浪载荷，其中风轮气动载荷采用BEM理论进行模拟并考虑动态失速等气动修正模型[12]。采用有限元理论[13-14]建立系泊系统、塔柱、叶片等弹性结构的模型，波浪载荷基于三维势流理论和莫里森公式计算[15]。
建立浮式风机系统水动力模型，如图1（a）所示。模型考虑了浮式基础、叶片、塔柱、机舱等结构的重量和惯性矩。采用Wadam模块进行水动力参数计算，包括一阶波浪力传递函数、附连水质量、静水恢复刚度和势流阻尼等，之后将水动力参数导入后续的时域计算模型。在Sima模块中建立刚-柔耦合动力学模型，如图1（b）所示。其中，叶片、塔柱、系缆为弹性体，浮式基础、轮毂、机舱为刚体。设置环境参数，进一步分析浮式风机系统动力响应。
|
图 1 浮式风机系统计算模型 Fig. 1 Floating fan system calculation model |
为避免不同湍流风谱差异导致的不确定性，选取定常风分析，主要研究浮式风机系统耦合运动特性。
2.1 风载荷对浮式风机系统动力响应影响分析为分析风载荷对浮式风机系统运动的影响，考虑2种工况（见表2），即不考虑风载荷工况（LC1.x，只考虑波浪载荷，风机不转）和考虑风载荷工况（LC2.x，考虑风、浪载荷）。风浪方向都作用在浮式风机系统的纵荡方向，对浮式基础运动只分析运动较为显著的纵荡、纵摇。
|
|
表 2 计算工况表 Tab.2 Calculated working condition table |
|
图 2 风浪作用方向 Fig. 2 Direction of wind and wave action |
对工况LC1.x与LC2.x分别进行时域计算，并将稳定后的系缆力、浮式基础运动、叶片推力、机舱加速度等结果进行统计并对比分析。
图3为缆1和缆2受力的时间历程，图4为3根系缆力在不同工况下的受力统计Bar图，包括平均值和标准差。计算表明，额定工况下，风载荷对3根系缆力的影响较为显著。其中，缆1方向和风速及波浪方向一致，其均值和标准差受到的影响最大。对于缆1，相较于工况LC1.2，工况LC2.2下的受力均值增加了42.21 %，标准差则增加了136.16 %；缆2、缆3的变化趋势相对一致，仅在额定工况下，标准差变化为20%左右。
|
图 3 系缆力时域结果对比 Fig. 3 Comparison of time domain results of mooring forces |
|
图 4 系缆力平均值和标准差 Fig. 4 Mean and standard deviation of mooring force |
图5为浮式基础纵荡、纵摇时间历程，图6为不同工况浮式基础运动平均值和标准差。计算表明，风载荷对浮式基础纵荡、纵摇的平均值影响非常显著。特别是额定工况，考虑风载荷后纵荡平均值增大了5倍多。风载荷对浮式基础纵荡、纵摇运动的标准差影响较小，4种工况都在10%以内。
|
图 5 浮式基础运动对比 Fig. 5 Comparison of floating foundation motion |
|
图 6 浮式基础平均值和标准差 Fig. 6 Floating base mean and standard deviation |
机舱加速度在X向较大，故仅分析X向结果，且机舱加速度的平均值基本为0，因此只分析标准差，如图7所示。计算表明，X向加速度标准差受风载荷的影响并不大。
|
图 7 机舱加速度（X向） Fig. 7 Engine room acceleration (X direction) |
对比2种工况，即浮式基础不动（LC3.x，4个工况的风速、转速同LC2.x）和浮式基础正常运动工况（即LC2.x）下的相对风速、叶片推力和风机功率。
针对LC3.x和LC2.x，分别提取叶片不同分段处的相对风速，进一步分析水动力对气动载荷的影响。叶片分段如图8所示，选取典型分段，给出额定工况下的时间历程对比，如图9所示。对所有工况计算结果进行统计，给出不同分段相对风速的Bar图，包括平均值和标准差，如图10（a）所示。对比LC2.x和LC3.x的标准差，计算相对差异（LC2.x-LC3.x）/LC3.x，结果如图10（b）所示。
|
图 8 叶片分段 Fig. 8 Section of blade |
|
图 9 叶片来流风速对比（额定工况） Fig. 9 Comparison of inlet Wind speed of blade (rated working condition) |
|
图 10 叶片相对风速对比 Fig. 10 Comparison of vane relative wind speed |
以上计算表明，浮式基础运动对叶片相对风速的平均值影响非常小，对其标准差有较显著影响，特别是在额定工况，浮式基础运动会导致相对风速标准差最大增加1倍以上。在额定和切出工况下，离轮毂越远位置的相对风速受基础运动影响越大，而叶片中段到叶尖部分对叶片推力的整体贡献更大，这导致了浮式基础运动会对浮式风机气动载荷标准差产生较大影响。
图11为额定工况的叶片推力时间历程及频谱图，图12为工况LC2.x和工况LC3.x的平均值和标准差的相对差异。计算表明，推力频率成分中含有波浪频率成份且占比很高。叶片推力平均值受基础运动影响相对不大，最大60%。考虑基础运动后，推力标准差大幅增加，其中X向增加最为显著，在额定工况增加5倍以上。因此，浮式基础运动对叶片推力有较为显著的影响，在浮式风机设计中，需考虑浮式基础运动对叶片推力造成的大幅波动。
|
图 11 叶片三向推力时间历程及频谱图（LC2.2） Fig. 11 Time history and spectral diagram of blade three-way thrust (LC2.2) |
|
图 12 推力相对差异（(LC2.x-LC3.x)/LC3.x） Fig. 12 Thrust relative difference ((LC2.x-LC3.x)/LC3.x) |
图13为风电功率对比图。计算表明，浮式基础的运动使发电动力标准差大幅增加，即增加了发电功率的波动。其中，切入工况的功率波动为16%，额定工况的功率波动为3.5%。因此，需对浮式风机的控制系统提出更高要求。
|
图 13 发电效率对比Fig. 13Power generation efficiency comparison |
本文建立了浮式风力机系统一体化耦合动力学分析模型，研究浮式风机系统风载荷及浮式基础运动之间的相互影响。主要结论如下：
1）风载荷显著影响基础纵荡/纵摇平均值，特别是额定工况，考虑风载荷后纵荡平均值增大了5倍多；风载荷对浮式基础纵荡、纵摇运动的标准差影响较小，4种工况都在10%以内。
2）风载荷对系缆力的平均值和标准差都有一定影响，相较于工况LC1.2，工况LC2.2下的系缆力均值增加了42.21 %，标准差则增加了136.16 %。机舱加速度受风载荷的影响并不大。
3）浮式基础运动对叶片相对风速的平均值影响非常小，对其标准差有较显著的影响，会导致相对风速标准差最大增加1倍以上；在额定和切出工况下，离轮毂越远位置的相对风速受基础运动影响越大。
4）浮式基础运动对叶片推力和发电功率的标准差有非常大的影响，会引起气动载荷的波动。其中，切入工况的功率波动为16%，额定工况的功率波动为3.5%。为保证平稳发电，对浮式风机控制设计时，需考虑浮式基础运动的影响。
本文只考虑了风浪作用于浮式基础纵荡方向的情况，后续将进一步分析不同风浪组合方向系统的动力响应。此外，计算中考虑了定常风，后续还需进一步分析湍流风的影响。
| [1] |
贺德馨. 中国风能发展战略研究[J]. 中国工程科学, 2011, 13(6): 95-100. DOI:10.3969/j.issn.1009-1742.2011.06.014 |
| [2] |
刘中柏. 海上风电浮式基础运动特性试验研究[D]. 天津: 天津大学, 2014.
|
| [3] |
JONKMAN J M, BUHL M L J. Loads analysis of a floating offshore wind turbine using fully coupled simulation: preprint[J]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports, 2007.
|
| [4] |
MASCIOLA M, ROBERTSON A, JONKMAN J, et al. Investigation of a fast-orcaflex coupling module for integrating turbine and mooring dynamics of Offshore Floating Wind Turbines: Preprint[C]// 2011.
|
| [5] |
KVITTEM M I, MOAN T. Frequency versus time domain fatigue analysis of a semisubmersible wind turbine tower[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2015, 137(1): 011901. DOI:10.1115/1.4028340 |
| [6] |
BAE Y H, KIM M H, KIM H C. Performance changes of a floating offshore wind turbine with broken mooring line[J]. Renewable Energy, 2017, 101: 364-375. DOI:10.1016/j.renene.2016.08.044 |
| [7] |
刘格梁. 基于刚柔混合多体动力学的海上浮式风机系统动力耦合建模[C]//第十七届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上). 中国海洋工程学会, 2015: 88−93.
|
| [8] |
宋娜, 刘昆, 王自力. 气动载荷对半潜式海上风机运动响应的影响[J]. 船舶工程, 2020, 42(4): 137-143. DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2020.04.24 |
| [9] |
肖昌水. 海上浮式风机气动载荷及刚—柔耦合动力响应研究[D]. 天津: 天津大学, 2018.
|
| [10] |
ROBERTSON A, JONKMAN J, MASCIOLA M, et al. Definition of the semisubmersible floating system for phase Ⅱ of OC4[R]. Technical Report, 2014.
|
| [11] |
刘周, 樊天慧, 陈超核, 等. 3种典型半潜式浮式风机基础水动力性能比较[J]. 中国海洋平台, 2021, 36(2): 1-10. |
| [12] |
MATHA D, SCHLIPF M, CORDLE A, et al. Challenges in simulation of aerodynamics, hydrodynamics, and mooring-line dynamics of floating offshore wind turbines[J]. International Society of Offshore and Polar Engineering, 2011: 19−24.
|
| [13] |
刘利琴, 肖昌水, 郭颖. 海上浮式水平轴风力机气动特性研究[J]. 太阳能学报, 2021, 42(1): 294-301. DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2018-0866 |
| [14] |
张若瑜, 唐友刚, 刘利琴, 等. 不同因素对于深海系泊系统动张力的影响分析[J]. 天津大学学报, 2011, 44(4): 313-318. DOI:10.3969/j.issn.0493-2137.2011.04.007 |
| [15] |
肖定玉. 12MW海上漂浮式风机叶片设计与有限元分析[D]. 厦门: 厦门理工学院, 2021.
|
| [16] |
FALTINSEN O. Sea loads on ships and offshore structures[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1993: 10−20.
|