上海綠色環(huán)保能源有限公司 ■ 唐征歧 周彬

上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 ■ 王凱

0 引言

在全球高度關(guān)注發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，作為可再生能源電力，風(fēng)電以其巨大潛質(zhì)成為全球開發(fā)熱點(diǎn)。隨著陸地風(fēng)電場(chǎng)不斷建設(shè)，技術(shù)也不斷趨于成熟，但是陸地的土地資源日益減少，尤其在東南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)向近海甚至深遠(yuǎn)海域的發(fā)展成為必然趨勢(shì)。深遠(yuǎn)海域的海上風(fēng)能資源非常豐富，而且風(fēng)湍流強(qiáng)度和海面粗糙度相對(duì)陸地更小，開發(fā)利用深遠(yuǎn)海域風(fēng)能資源是滿足能源需求不斷增長(zhǎng)、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要措施，因此，發(fā)展深遠(yuǎn)海域風(fēng)電技術(shù)勢(shì)在必行。

目前，近海風(fēng)電場(chǎng)一般采用各種固定于海底的貫穿樁結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方式，但是整個(gè)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的成本會(huì)隨著水深的增加而上升，大幅增加了風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本。從經(jīng)濟(jì)性來看，傳統(tǒng)方式在深遠(yuǎn)海域的建設(shè)不可行，同時(shí)在技術(shù)上也面臨巨大的挑戰(zhàn)，所以，發(fā)展基于漂浮式平臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組是解決這一問題的必然選擇。因此，未來風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的趨勢(shì)也必然是“由陸向海、由淺到深、由固定式向漂浮式”發(fā)展。為開發(fā)利用深遠(yuǎn)海域豐富的風(fēng)能資源，世界主要發(fā)達(dá)海洋國(guó)家紛紛將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向深遠(yuǎn)海域。我國(guó)海域面積遼闊，海岸線長(zhǎng)，具有開發(fā)建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的良好條件；而且，東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源需求量大且化石能源資源短缺，海上風(fēng)能是當(dāng)?shù)刂匾膬?yōu)勢(shì)資源，開發(fā)和利用海上風(fēng)能資源可以增加這些地區(qū)的電力供應(yīng)，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

1 國(guó)家政策

為促進(jìn)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)及光伏、風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，國(guó)務(wù)院、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局和國(guó)家海洋局分別印發(fā)了《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，相關(guān)政策文件明確地要求了因地制宜、合理布局海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，鼓勵(lì)在深遠(yuǎn)海域建設(shè)離岸式海上風(fēng)電場(chǎng)，調(diào)整風(fēng)電并網(wǎng)政策，健全海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和用海標(biāo)準(zhǔn)，并要求重點(diǎn)加強(qiáng)5 MW、6 MW及以上大功率的海上風(fēng)電設(shè)備的研制與應(yīng)用[1]。

2016年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部及國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了《中國(guó)制造2025——能源裝備實(shí)施方案》，將海上漂浮式風(fēng)電技術(shù)作為國(guó)家未來研發(fā)重點(diǎn)。此外，MW級(jí)深海漂浮式風(fēng)電機(jī)組作為一種具有戰(zhàn)略意義的新能源設(shè)備，對(duì)于充分利用我國(guó)廣闊的海洋資源、緩解我國(guó)能源需求與能源分布格局之間的巨大矛盾具有深遠(yuǎn)意義[2]。

2017年的《政府工作報(bào)告》提出：“風(fēng)電需要找出一個(gè)新的發(fā)展模式，在新能源當(dāng)中分類型、分領(lǐng)域、分區(qū)域逐步地退出補(bǔ)貼，到2020～2022年，基本實(shí)現(xiàn)風(fēng)電不依賴補(bǔ)貼發(fā)展?！币虼耍Ｉ巷L(fēng)電發(fā)展有著降低成本的強(qiáng)烈要求[3]。

目前，海上和陸上風(fēng)電日益下降的價(jià)格不斷給行業(yè)帶來驚喜，風(fēng)電低價(jià)格在不同的市場(chǎng)遍地開花。在摩洛哥、印度、墨西哥和加拿大，風(fēng)電價(jià)格約為0.03美分/kWh，其中，墨西哥最近的招標(biāo)價(jià)格更是達(dá)到0.02美分/kWh。2017年，在德國(guó)的招標(biāo)中出現(xiàn)了全球首個(gè)“無需補(bǔ)貼”的海上風(fēng)電項(xiàng)目，這一項(xiàng)目的裝機(jī)容量達(dá)到1 GW，其電價(jià)將不會(huì)超過電力市場(chǎng)的批發(fā)價(jià)格。而且隨著全球首個(gè)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)在蘇格蘭海上崛起，全球各個(gè)風(fēng)電大國(guó)都加大了對(duì)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)力度。我國(guó)建設(shè)屬于自己的深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)已迫在眉睫，因此，開展深遠(yuǎn)海域風(fēng)電研究是我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

海上風(fēng)電雖然起步較晚，但近年來在世界各地發(fā)展迅速。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)統(tǒng)計(jì)，2017年全球陸地和海上風(fēng)電新增裝機(jī)超過50 GW，其中歐洲、印度的海上風(fēng)電裝機(jī)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄突破。全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)從2016年的2219 MW增至2017年的4331 MW，全球17個(gè)市場(chǎng)的海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到18814 MW。英國(guó)持續(xù)是世界上最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)，裝機(jī)容量占全球海上風(fēng)電總裝機(jī)容量的近36%；其次是德國(guó)，占29%；我國(guó)占比為11%，為第三；除此之外，丹麥、荷蘭、比利時(shí)、瑞典、芬蘭、愛爾蘭、西班牙、日本、韓國(guó)、美國(guó)和挪威等市場(chǎng)共同促進(jìn)了整個(gè)海上風(fēng)電的發(fā)展。

2.1 國(guó)外海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，單樁式(monopiles)基礎(chǔ)依然為主流基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；其次是重力式(gravity)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；隨后依次為導(dǎo)管式(jackets)結(jié)構(gòu)、三腳架結(jié)構(gòu)和三樁式結(jié)構(gòu)。在大力開發(fā)采用以上幾種固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的海上風(fēng)電場(chǎng)的同時(shí)，各國(guó)也一直致力于漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，以尋求在深遠(yuǎn)海域的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。美國(guó)學(xué)者最早提出了大型漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的概念，基于海洋石油平臺(tái)的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，并經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，提出不少漂浮式風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)概念，并進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，其中以Windfloat、Hywind和Blue H等為代表被大家所熟知。早在2005年，歐洲就已經(jīng)開始對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行模型試驗(yàn)和樣機(jī)測(cè)試。挪威已于2009年建造了世界上第一臺(tái)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)樣機(jī)Hywind demo 2.3 MW，并一直狀態(tài)良好地運(yùn)行了8年，抵抗住了各種風(fēng)浪狀況，這足以證明漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)概念的安全性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，挪威國(guó)家石油公司(Statoil)于2017年10月在蘇格蘭北部海域建造了世界上第一個(gè)全尺度的商業(yè)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)Hywind Scotland，采用5臺(tái)Siemens 6 MW機(jī)組和Spar式基礎(chǔ)，并成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。而由美國(guó)Principle Power公司設(shè)計(jì)的WindFloat基礎(chǔ)概念，也于2011年在葡萄牙西南海域安裝了1臺(tái)樣機(jī)，采用Vestas 2 MW機(jī)組；據(jù)報(bào)道，該基礎(chǔ)形式將在2018年用于法國(guó)的漂浮式風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中。而日本三菱重工也于2014年建立了1臺(tái)樣機(jī)，機(jī)組采用三菱重工7 MW機(jī)組，基礎(chǔ)采用半潛式。國(guó)外對(duì)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)在技術(shù)上已經(jīng)突破了瓶頸，在成本上正在逐漸降低。隨著傳統(tǒng)化石能源減少，更多的國(guó)家和組織正在準(zhǔn)備建設(shè)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)，其中有美國(guó)的DeepCwind、歐盟的HiPR Wind等半潛式風(fēng)電機(jī)組，以及德國(guó)的GICON、美國(guó)的SBM TLP等張力腿式風(fēng)電機(jī)組等。

2.2 我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)風(fēng)電技術(shù)通過幾十年的發(fā)展不斷更新，風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品也在優(yōu)化升級(jí)中不斷完善。隨著我國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的上海東海大橋海上風(fēng)電示范項(xiàng)目一期工程的建成，我國(guó)邁出了海上風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展的第一步，隨后建造并成功并網(wǎng)發(fā)電的海上風(fēng)電項(xiàng)目有響水潮間帶實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、龍?jiān)慈鐤|潮間帶風(fēng)電項(xiàng)目、華能榮成海上風(fēng)電項(xiàng)目等，這意味著我國(guó)海上風(fēng)電快速發(fā)展的進(jìn)程，也將迎來海上漂浮式風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的新機(jī)遇。

目前，國(guó)內(nèi)已基本了解和掌握了海上風(fēng)電(潮間帶和近海)工程的關(guān)鍵技術(shù)，但由于潮間帶、近海風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址距離岸線較近，開發(fā)時(shí)經(jīng)常與其他海域使用功能產(chǎn)生矛盾，相互影響，制約性因素較多，協(xié)調(diào)工作量大，相對(duì)來說，在距岸線較遠(yuǎn)海域開發(fā)風(fēng)電場(chǎng)可避免這些問題，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于在深遠(yuǎn)海域開發(fā)海上風(fēng)電的研究還處于起步階段。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組廠家主流技術(shù)主要是針對(duì)固定式海上風(fēng)電機(jī)組，能否直接應(yīng)用到漂浮式風(fēng)電機(jī)組上還需進(jìn)一步研究。漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)雖然與海洋石油平臺(tái)相似，但由于風(fēng)電機(jī)組處于很高位置，動(dòng)力特性與傳統(tǒng)海洋工程結(jié)構(gòu)物有較大區(qū)別，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組荷載控制需要考慮基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，采用何種分析方法和手段才能保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，使漂浮式風(fēng)電機(jī)組的可靠性達(dá)到要求，是國(guó)內(nèi)開展漂浮式風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵問題。國(guó)內(nèi)技術(shù)研究受政策導(dǎo)向明顯，漂浮式風(fēng)電場(chǎng)海域規(guī)劃、建設(shè)和維護(hù)涉及到多個(gè)部門，能否通力配合，攻克國(guó)外技術(shù)壟斷十分關(guān)鍵。

3 海上風(fēng)電技術(shù)研究

3.1 國(guó)外海上風(fēng)電技術(shù)研究

目前，全球的海上風(fēng)電場(chǎng)以近海風(fēng)電場(chǎng)為主，相關(guān)技術(shù)已趨近成熟，而深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)采用復(fù)雜的漂浮式結(jié)構(gòu)，海上風(fēng)電機(jī)組面臨比陸上風(fēng)電機(jī)組更加惡劣的服役環(huán)境，且具有更多和更復(fù)雜的荷載作用。海上風(fēng)電機(jī)組除受到作用在風(fēng)電機(jī)組葉片上的氣動(dòng)力荷載之外，還會(huì)受到波浪和海流作用在支撐平臺(tái)上的水動(dòng)力荷載，以及系泊系統(tǒng)作用在支撐平臺(tái)上的系泊荷載[4]。長(zhǎng)期以來，深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組以其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性和特有的技術(shù)難點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和分析時(shí)，為了能評(píng)估漂浮式風(fēng)電機(jī)組的成本效益，以及達(dá)到最佳性能和保持結(jié)構(gòu)的完整性，設(shè)計(jì)者已經(jīng)開發(fā)了各種漂浮式風(fēng)電機(jī)組的仿真模型。陸上發(fā)電機(jī)組的分析通常采用空氣動(dòng)力學(xué)模型、控制系統(tǒng)(伺服)模型和結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)的(彈性)模型完全耦合(綜合)仿真環(huán)境。相對(duì)于陸上風(fēng)電機(jī)組分析的氣動(dòng)液壓伺服彈性程序，海上風(fēng)電機(jī)組，尤其是漂浮式風(fēng)電機(jī)組，還必須考慮水動(dòng)力荷載的存在和相應(yīng)的附加動(dòng)態(tài)行為。波生(衍射)和平臺(tái)誘導(dǎo)(輻射)水動(dòng)力荷載，這些最明顯的新荷載也帶來了新的挑戰(zhàn)。漂浮式風(fēng)電機(jī)組的分析還必須考慮支撐平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和所述風(fēng)電機(jī)組之間的動(dòng)態(tài)耦合，以及使用了系泊系統(tǒng)的浮動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性。線性頻域流體力學(xué)方法已被用于評(píng)估離岸漂浮式風(fēng)電機(jī)組的初步設(shè)計(jì)，以表明通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，使支撐平臺(tái)的自然頻率可以被放置在波頻譜很少的能量頻段，以確保即使在風(fēng)電機(jī)組的彈性被忽略時(shí)，其整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)也能達(dá)到最小化。為了克服線性頻域的分析無法捕捉非線性動(dòng)態(tài)特性和瞬態(tài)事件的限制，而非線性動(dòng)態(tài)特性和瞬態(tài)事件是在風(fēng)電機(jī)組分析中需要重要考慮的因素，狀態(tài)空間技術(shù)和不同的時(shí)域氣動(dòng)伺服彈性風(fēng)電機(jī)組的仿真模型也開發(fā)用于考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響后分析風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中比較著名的是由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)的，包含了氣動(dòng)伺服彈性模型和流體動(dòng)力學(xué)模型的、完全耦合的氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性模型FAST[5]，以及Aerodyn[6]和 Hydrodyn[7]?；诖耍琂onkman建立了不同的漂浮式平臺(tái)的海上風(fēng)電機(jī)組的模型并進(jìn)行了荷載分析，例如分析了張力腿平臺(tái)、翼梁和駁船3個(gè)浮動(dòng)平臺(tái)響應(yīng)并進(jìn)行了定量比較。其他更多的可考慮完全耦合的一體化軟件還有 HAWC2[8]、3Dfloat、Bladed[9]、SIMO & RIFLEX[10-11]和 VpOne[12]等。為此，NREL的OC3項(xiàng)目[13](offshore code comparison collaboration)基于不同的仿真軟件對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的性能進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。Karimirad等[14]對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組在惡劣環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，對(duì)比了風(fēng)電機(jī)組在小于切出風(fēng)速運(yùn)行時(shí)和惡劣環(huán)境停機(jī)時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。另外，Karimirad等[15-16]還計(jì)算了漂浮式風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)在極端海況下的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)也計(jì)算了Spar平臺(tái)漂浮式風(fēng)電機(jī)組在波浪和風(fēng)中耦合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)。Utsunomiya等[17]為了研究Spar平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)而進(jìn)行了模型試驗(yàn)。Rho等[18]通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)Spar平臺(tái)的垂蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究對(duì)比。Stewart等[19]與Gordal等[20]研究了利用調(diào)頻液柱阻尼器和調(diào)頻質(zhì)量阻尼器等減振裝置，對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性進(jìn)行控制[19-20]。

3.2 我國(guó)海上風(fēng)電技術(shù)研究

隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)發(fā)展，固定式風(fēng)電機(jī)組技術(shù)已趨近成熟，而漂浮式風(fēng)電機(jī)組技術(shù)也已成為研究熱點(diǎn)。目前，各大高校對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的研究主要集中在系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析和穩(wěn)定性控制這兩方面。唐世浩[21]以NREL 5 MW風(fēng)電機(jī)組葉片模型為研究對(duì)象，針對(duì)葉片氣動(dòng)荷載的計(jì)算及其相應(yīng)的變形情況進(jìn)行了相關(guān)研究。劉順德等[22]在考慮風(fēng)波聯(lián)合作用下，研究了大型漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組三浮桶式支撐結(jié)構(gòu)，通過借助葉素動(dòng)量理論和線性波理論，聯(lián)合風(fēng)荷載和波浪荷載模型構(gòu)建了風(fēng)波聯(lián)合荷載模型。吳中旺等[23]根據(jù)NREL 5 MW風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了整機(jī)及其張力腿平臺(tái)三維模型，針對(duì)平臺(tái)動(dòng)力特性，采用有限元方法，利用ANSYS有限元軟件和開源程序軟件FAST，基于Block Lanczos算法和Von-Mises失效理論，考慮平臺(tái)結(jié)構(gòu)阻尼和慣性荷載，分別研究了平臺(tái)振動(dòng)特性和極端海況下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力。丁勤衛(wèi)等[24]以NREL實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為湍流風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)源，結(jié)合波浪作用，分析了漂浮式風(fēng)電機(jī)組在湍流風(fēng)和波浪聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。劉強(qiáng)[25]綜合運(yùn)用多種方法對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了多種環(huán)境條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化規(guī)律，以及翼型、風(fēng)輪和尾跡的氣動(dòng)特性。高偉等[26]針對(duì)NREL基準(zhǔn)的5 MW漂浮式風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)果表明，深海漂浮式風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)與波浪荷載條件下，其漂浮式平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的搖蕩運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)與水動(dòng)力荷載相互耦合對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及功率波動(dòng)有顯著影響。方龍[27]根據(jù)IEC 61400-3《海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)要求》確定了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析及總體強(qiáng)度分析的計(jì)算工況，然后計(jì)算得到了漂浮式風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪流等環(huán)境荷載與風(fēng)電機(jī)組荷載共同作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，以及風(fēng)電機(jī)組總體強(qiáng)度結(jié)果。倪鵬等[28]采用流體動(dòng)力學(xué)理論和空氣動(dòng)力學(xué)理論，并結(jié)合有限元方法，對(duì)某三浮體式風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪流荷載聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析。朱紅娟等[29]采用風(fēng)電機(jī)組正向設(shè)計(jì)SAMCEF for Wind Turbine軟件對(duì)安裝于水深100 m處的三浮體式風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析。謝洪放[30]針對(duì)5 MW Spar式漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組，以減小柔性部件動(dòng)態(tài)荷載為目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和荷載控制策略進(jìn)行了深入研究。張祥雨[31]研究了TLP式漂浮式風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)特性和風(fēng)浪耦合特性。王磊等[32]通過與淺海固定式風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析了漂浮式風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)特性。穆安樂等[33]采用線性二次型調(diào)節(jié)器控制算法設(shè)計(jì)控制器，利用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定性的控制。魯效平等[34]設(shè)計(jì)了一種PID控制器，實(shí)現(xiàn)了漂浮式風(fēng)電機(jī)組的槳距角的獨(dú)立控制，并達(dá)到減小漂浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的目的。王梟[35]根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過程，考慮非定常工況，對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合、風(fēng)輪塔架耦合及整機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面進(jìn)行了研究，并針對(duì)非定常工況，采用自由渦尾跡方法，計(jì)算了大型風(fēng)電機(jī)組在剪切風(fēng)和動(dòng)態(tài)偏航等工況下的荷載與尾跡發(fā)展。成欣等[36]建立了基于Spar平臺(tái)的5 MW漂浮式風(fēng)電機(jī)組整機(jī)模型，旨在探討結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和所受波浪力，以及其隨水深變化的變化情況。張楊等[37]建立了基于ITI Energy Barge平臺(tái)的NREL 5 MW漂浮式風(fēng)電機(jī)組模型，通過輻射/衍射理論并結(jié)合有限元方法，考慮風(fēng)浪流環(huán)境荷載的聯(lián)合作用，對(duì)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了波激力和漂移力隨波浪頻率的變化及平臺(tái)在縱蕩、垂蕩和縱搖方向上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。聶佳斌等[38]分析了漂浮式多浮柱平臺(tái)的穩(wěn)定機(jī)理，采用有限元計(jì)算軟件對(duì)三浮柱、四浮柱及六浮柱平臺(tái)模型進(jìn)行了模態(tài)分析，為進(jìn)一步開展漂浮式平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定參考依據(jù)。周紅杰等[39]針對(duì)基于Semi-Sub平臺(tái)的NREL 5 MW漂浮式風(fēng)電機(jī)組模型，采用輻射/衍射理論，并結(jié)合有限元方法，對(duì)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。艾勇等[40]基于非穩(wěn)態(tài)致動(dòng)線模型求解三維N-S方程的方法，對(duì)OC3項(xiàng)目Hywind Spar基礎(chǔ)的漂浮式風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了氣動(dòng)-水動(dòng)-錨泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力數(shù)值分析。湯金樺等[41]基于模態(tài)截?cái)喾ㄅc多體動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的計(jì)算方法，采用水動(dòng)-氣動(dòng)-彈性-伺服全耦合軟件FAST，選取3種具有代表性的漂浮式風(fēng)電機(jī)組作為研究對(duì)象，研究其動(dòng)態(tài)響應(yīng)并進(jìn)行了對(duì)比分析。

中國(guó)海洋石油總公司、中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)院(中船第708所)、上海外高橋集團(tuán)股份有限公司等國(guó)內(nèi)頂尖海工設(shè)計(jì)單位已經(jīng)具備深水油氣田的勘探、開發(fā)和生產(chǎn)的全套能力，并擁有了相應(yīng)配套的船舶、支持船等。但由于漂浮式風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、建造與安裝、電力輸送、風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的要求都很高，經(jīng)濟(jì)成本也很敏感，所以國(guó)內(nèi)開展此項(xiàng)研究的機(jī)構(gòu)并不是很多。不過目前國(guó)內(nèi)各大設(shè)計(jì)研究院和風(fēng)電機(jī)組廠商已經(jīng)開始致力于深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組一體化設(shè)計(jì)的研究工作。

3.3 深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組一體化設(shè)計(jì)

相對(duì)于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電是一種新的能源技術(shù)，由于其技術(shù)相對(duì)不夠成熟，再加上海上環(huán)境的技術(shù)難點(diǎn)，使得目前海上風(fēng)電的度電成本約是陸上風(fēng)電成本的1.5倍。隨著海上風(fēng)力發(fā)電正由近海走向深遠(yuǎn)海域，風(fēng)電機(jī)組將受到更加復(fù)雜的荷載，漂浮式風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的一體化數(shù)值仿真模擬軟件隨之發(fā)展起來。

國(guó)外從最早的頻域分析，到風(fēng)電機(jī)組和基礎(chǔ)非耦合的時(shí)域模擬，最后發(fā)展完善到氣動(dòng)-水動(dòng)-控制-彈性全耦合的時(shí)域數(shù)值仿真技術(shù)，比較知名的軟件有前面提到的FAST，丹麥技術(shù)大學(xué)開發(fā)的HAWC2，DNVGL開發(fā)的SIMA (SIMO-RIFLEX)、Sesam和Bladed，以及基于SIMA核心的由挪威科技大學(xué)開發(fā)的SIMORIFLEX-Aerodyn程序。因此，國(guó)外對(duì)深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組均采用一體化設(shè)計(jì)，“風(fēng)電機(jī)組+塔筒+基礎(chǔ)”一體化建模進(jìn)行荷載計(jì)算，充分考慮風(fēng)浪流荷載聯(lián)合作用對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的影響，強(qiáng)度校核無縫對(duì)接，能夠迅速迭代優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)方法造成的保守設(shè)計(jì)。采用一體化的設(shè)計(jì)方案可較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)降低10%～15%的工程量。目前國(guó)際的主流做法是：重力式基礎(chǔ)采用剛性基礎(chǔ)假設(shè)進(jìn)行荷載仿真，與陸上風(fēng)電機(jī)組的荷載仿真方法相同；單樁基礎(chǔ)用梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ捅硎荆欢鄻痘A(chǔ)等復(fù)雜基礎(chǔ)則需在有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化。對(duì)于波浪荷載，尤其是水動(dòng)力荷載與風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)、風(fēng)載的耦合也有充分的研究和考慮。

然而目前，我國(guó)在深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍然采用傳統(tǒng)迭代設(shè)計(jì)方法，由風(fēng)電機(jī)組廠商提供風(fēng)電機(jī)組在極限工況下的極限荷載，設(shè)計(jì)院通過此極限荷載，計(jì)算得出基礎(chǔ)的極限和疲勞荷載。此方法忽略了風(fēng)電機(jī)組和基礎(chǔ)耦合相互作用，且設(shè)計(jì)過度保守，大幅增加了風(fēng)電機(jī)組成本。因此到目前為止，我國(guó)對(duì)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組一體化設(shè)計(jì)及仿真模擬的研究非常少，尚未形成系統(tǒng)的研究成果，迫切需要通過一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)創(chuàng)新手段降低海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本。通過采用一體化設(shè)計(jì)方法，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)選址、風(fēng)電機(jī)組選型、支撐結(jié)構(gòu)、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)及風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電機(jī)組開展穩(wěn)定性研究，大幅降低風(fēng)電場(chǎng)成本，提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)能力，對(duì)加速發(fā)展我國(guó)深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也為更快速更準(zhǔn)確地推進(jìn)海上風(fēng)電機(jī)組的商業(yè)化運(yùn)行提供了保障。

4 結(jié)語(yǔ)

依托國(guó)家政策和近年來海上風(fēng)電發(fā)展的技術(shù)積累和工程經(jīng)驗(yàn)，大力開發(fā)漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組將是以后海上風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)。漂浮式風(fēng)電機(jī)組還屬于前沿技術(shù)，其中，風(fēng)電機(jī)組與基礎(chǔ)一體化仿真技術(shù)、電纜牽引安裝和防護(hù)接頭、系泊系統(tǒng)連接器、遠(yuǎn)距離電力傳輸技術(shù)、漂浮式風(fēng)電機(jī)組荷載和功率測(cè)試技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)受到專利保護(hù)。因此，開發(fā)一體化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，針對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組開展耦合特性研究、模型試驗(yàn)與樣機(jī)測(cè)試分析，對(duì)掌握漂浮式風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要。隨著海上風(fēng)電開發(fā)和建造成本的降低，以及更加復(fù)雜的電網(wǎng)管理系統(tǒng)和價(jià)格日益下降的儲(chǔ)能系統(tǒng)，海上風(fēng)電作為目前最具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)之一，正在為我們描繪出一個(gè)完全商業(yè)化、無化石能源的電力系統(tǒng)的未來景象。

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