漂浮式风电机组建模过程与仿真结果—风电机组技术-北极星风力发电网

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2013年10月16日下午，北京国际风能暨展览会——风电机组技术。北京鉴衡认证中心有限公司黄宇同先生做飘浮式风电机组建模过程与仿真结果。以下是全文：

黄宇同：大家下午好，我今天介绍的内容是一个飘浮式风电机组的建模和仿真结果的比较情况。实际上这个飘浮式风机的建模过程，是我们北京鉴衡认证中心在参与IECTASK30的项目中所做的一些研究工作(音译)我今天很高兴的把我们所做的工作向大家展示一下。首先我向大家介绍一下一些详细的背景情况，包括项目已经完结的项目和项目进展的情况，其次我向大家介绍一下关于项目采用的模型我会给出具体的描述，因为它是一个飘浮式的风机，所以我单独介绍一下我们在建模的时候我们采用的稀薄(音译)系统，最后我向大家展示一下，包括鉴衡在内和其他项目成员的仿真结果的对比。

首先请允许我介绍一下北京鉴衡认证中心，可能有熟悉的，有不熟悉的。北京鉴衡认证中心呢，是一家致力于风能，太阳能还有其他可再生能源的认证和检测的这样一家机构。近些年来北京鉴衡认证中心也在参与国际的标准，像IC标准的制定过程也有参与，最近我们在保定建立了我们自己的一个检测的实验室。海上风力发电相比于陆上来说，有它自己的优势，比如说它的风资源更加的丰富，稳定性更高，还有一点，一般来说，经济中心往往是沿着海岸线分布的，所以它离电力负荷中心很近。那么在中国的情况可以看到，右下角这个图表，近几年来，增长的速度也是非常快的，现在仅次于英国和丹麦，在海上风力发展的领域。

虽然它有它的优势，但是我们可以看到，其实对海上风机来说，它的固定成本比陆上风机高出不少，主要体现在它的基础和安装成本上，都有很大的提高。因为对于每一个海上风电场来说相当于一个特定厂址的一个设计，所以在前期来说，对于支撑平台的设计是非常重要的。那么目前来说还是借助与软件进行仿真和前期的研究。对于现有能够提供建模和仿真软件来说，它们的准确性，还有它们适应的范围，对设计者来说是非常重要的，这也就是整个项目的意义。

目前IEA已经完成的项目是TASK23底下的项目，它是单装的三脚架和倒立板结构的3个不同的基础的海上风机的建模和仿真结果的对比。我们现在进行的项目就是IEATASK30，也叫OC4项目，它就是OC3项目的一个延续，主要分两个阶段，第一个阶段是桁架式基础的海上风电机组的建模和仿真结果对比。和3桩半潜式浮动平台的建模和仿真结果对比。TASK30的参与者18个国家，47家机构。

第一阶段是桁架式的支撑机组就像左边这个图一样，这个项目现在已经完结了，我们正在进行的其实也快接近尾声了，是半潜式飘浮的平台，通过三根缆绳固定在海面上。

相比于固定支撑平台，浮动式的平台有下面几个特点。比如说它会有很大的低频模态，这种低频模态对塔架和风轮的阻离和整个系统的稳定性都会有影响，相比固定的支撑平台，这种浮动式的平台，在运行的时候，它的位移更大，可能会有机舱风轮的运动产成耦合。因为它是飘浮式的，稀薄系统的加入，对整个系统的动力学行为都会有影响的。再一个水动力对于飘浮平台的影响。

我们这个项目，从大方面来讲是三种工况，第一个是静水无风，第二个是仅有浪载的，第三个是风浪共同作用的工况。这个平台有6个自由度，我们主要研究它在6个自由度上的动力学行为，以及关键点上的受力行为，然后把大家的结果进行比较。

由于TASK23和TASK30用的都是同样的机组，就是美国可再生能源EREL5MW的机组，唯一的不同是底下的平台，我们研究的是左边这幅图是三桩式的浮动平台，具体的尺寸也可以在图上看到。那么参与结果对比的机构是右面这个表。我们的建模方式就是以梁单元建模为主，在机组这块，尽可能的实现模型的结构。

在浮动平台里，实际上很大一部分的质量来自于里面注入的海水，用来保持整个平台的稳定性，注水的质量占到整个系统的80%以上。那么在模拟注水的情况下，我们也是通过参数的设置，也可以实现这个模拟。

接下来就是缆绳的系统。我们采取的这样的建模方式是一个非线性的建模，具体的情况就像左下角这个图形一样，唯一能够控制缆绳张力的变量就是disctance，就是从海底固定的点到海底投影这个点的距离。在模拟的时候，实际上模拟的是竖直方向和水平方向两个张力来给平台提供约束力。在建模的时候，由于我们采用梁单元，导缆孔采用额外的单元，这个单元假设它仅仅传递力的作用，左边这个图是我们非线性缆绳模型的一些位移和力的关系。

对于力是如何加载的话?我们这里采用的是morison方程，这个方程对于海攻建模是非常普遍的，对于固定支撑平台可以求出横向的水动力，但了对于像我们这个浮动的支撑平台，它不但要考虑横向的水动力，由于下面直径很大，水对它的阻力和作用力也是必须要考虑的，所以在这个方向也要需要用morison分析它在竖直方向的水动力。这是结果的比较，可以看到图中蓝线就是没有加载竖直方向加载水动力的情况，横向是加载水动力的情况。主要表现在对竖直方向运动的振幅对频率的影响。加载水动力之后，整个平台在竖直方向的为止表现衰减速度快一些，然后振幅要小一些。这个就是我们项目组成员所有结果的比较。这个结果还是比较一致的，对于静水和无风的状况。这是导缆孔受力结果的对比，大体上也是比较一致的。

这个工况主要用来校对模型的一些正确性，接下来就是把波浪的工况加进去，这个工况是一个线性的Airy的模型，在这个工况作用下，对比的结果出现了两个不一样的情况。第一个就是应用morison方程这样的结果，其他的是用顺流理论(音译)进行建模的结果。之所以呈现整体的平均的漂移是因为?对于我们来讲，我们在建模的时候，采用的是disctance的手段，就是说在一般用morison方程的时候，只能把作用力加载在海平面上，我们希望它把作用力加载在波浪自由端上，我们就要用把海底到海面的高度拉伸到自由度的高度，这样对整个系统会产生一个额外的影响。

这个也是在有波浪和洋流作用下(音译)也是出现了一个平均漂移的情况。这个工况就是不规则的波浪的工况。我们可以看到在采用morison的结果，主要是低频的成分，响应比较大，因为低频成分主要来源于平台的响应，在中频波浪的频率下，都是一样的。这是50年极端波浪的工况，同样也是在低频部分，就是平台运动的响应是非常大的。

最后一个就是波浪和风共同作用下的工况，这两个图之所以有差距是相位的差距，来源于风轮初始方位角的不同。从受力来看，这个结果还是一样的。也就是说仿真软件对于风况的加载来说，还是比较一致的。同样差距就来源于对于波浪的加载，那么也是同样的情况，在morison方程结果出现了平均的位移，加载风的情况下这种情况还是存在的。这个是湍流风和波浪共同作用下的结果在夜间位移情况大致是一样的，不同点也是来自于平台的运动，同样在低频处出现了比较大的响应。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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