李 輝，張 凱，董曄弘

(中國船舶集團海裝風電股份有限公司研究院，北京 100097)

隨著海上風電開發(fā)的推進，風電場將由近海走向遠海，但水深的增加對風機基礎提出了更高的要求。如果深遠海依然采用固定式風機，整個風電場的成本將隨著水深的增加急劇上升，這使得深海風電場建設在經(jīng)濟上變得不可行，而將風電機組安裝在漂浮式平臺上則可以很好地解決這一問題。

全球已經(jīng)有Hywind Scotland與WindFloat Atlantic項目完成了漂浮式風電場建設，并有多種型式海上浮式風電研究項目在研發(fā)和測試中，證明了漂浮式風機技術可行性[1-2]。近年來不少學者對漂浮式風機涉及的關鍵技術展開了諸多研究[3-4]，但在設計參數(shù)對漂浮式風機動態(tài)響應影響規(guī)律上少有分析。漂浮式風機承受載荷復雜，設計參數(shù)很多，相同的設計方案在不同的設計參數(shù)下動態(tài)響應差別很大，這將影響整個裝備的安全性與經(jīng)濟性，因此研究漂浮式風機對哪些設計參數(shù)變化比較敏感十分具有意義。

本文以中國海裝6.2 MW漂浮式風機參數(shù)，針對風浪流載荷單獨作用、風浪夾角、仿真時間和種子數(shù)量以及極端空轉(zhuǎn)偏航誤差角幾個參數(shù)進行了敏感性分析，研究各參數(shù)對整體動態(tài)響應的影響程度，從而為漂浮式風機設計提供參考。

1 分析方法

漂浮式風機同時遭受風浪流載荷，氣動載荷與水動載荷非線性耦合十分明顯，加上控制系統(tǒng)，整個結(jié)構(gòu)動力特性十分復雜，因此必須進行一體化仿真分析結(jié)果才相對準確。而影響漂浮式風機動態(tài)響應的參數(shù)很多，選擇哪些參數(shù)進行敏感性分析十分關鍵。

1.1 一體化仿真方法

Deeplines Wind軟件中氣動載荷計算為AeroDeep模塊，其核心計算原理為葉素動量理論[5]。但為保證非定常湍流風作用下載荷計算精確性同時，需增加葉尖損失修正、動態(tài)尾流與失速修正以及塔影效應修正。由于浮式風電平臺屬于大尺度構(gòu)件，頻域水動力分析需采用三維輻射/繞射方法。由于勢流理論沒有考慮粘性，所以粘性部分通過調(diào)用單獨的Morison模型進行。

系泊系統(tǒng)動力學模型是準確預報漂浮式風機動態(tài)響應的關鍵。目前，系泊模型的求解包括靜力和動力求解，其中靜力求解一般采用準靜態(tài)方法，動力求解包括集中質(zhì)量法和細長桿等方法，Deeplines Wind軟件采用的方法為集中質(zhì)量法。塔架風載荷和平臺風載荷的計算相對簡單，主要采用經(jīng)驗公式方法進行計算，但要考慮風速剖面和海流剖面。

通過上述各部分求解，即可以得到初始狀態(tài)的風浪流載荷，然后在Deeplines Wind中進行時域耦合計算。在時域計算中需嵌入風電機組控制系統(tǒng)，基本控制策略為額定風速以下，保持槳距角不變，調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使機組達到最大發(fā)電功率；達到額定風速以上時，調(diào)整槳距角，使機組發(fā)電功率保持在額定功率附近。時域分析中漂浮式風機運動方程[6]可以描述為：

(1)

式中：M為結(jié)構(gòu)物廣義質(zhì)量矩陣；m為結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)量矩陣；K(t-τ)為系統(tǒng)的延遲函數(shù)；C為系統(tǒng)的靜水恢復力矩陣；F(t)為作用于結(jié)構(gòu)物的廣義力矩陣。

Deeplines Wind一體化仿真分析流程如圖1所示，由于同時考慮氣動載荷、水動載荷、系泊載荷與控制系統(tǒng)的耦合，軟件計算時間較長。

圖1 一體化仿真分析流程

1.2 敏感性分析方法

對于已經(jīng)確定總體設計方案的漂浮式風機，機組參數(shù)、基礎與系泊參數(shù)將不會輕易變化，而最容易變化的參數(shù)就是環(huán)境條件和分析參數(shù)。

漂浮式風機屬于海洋工程結(jié)構(gòu)和風電機組的組合結(jié)構(gòu)，按照規(guī)范要求，傳統(tǒng)海洋工程結(jié)構(gòu)物時域分析為3 h，隨機種子數(shù)量一般為3個，而風電機組載荷時域計算常規(guī)時間為10 min，隨機種子數(shù)量為6個[7]。二者差別較大，不同的仿真時間和種子數(shù)將會對仿真結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在極端空轉(zhuǎn)工況，由于風機脫網(wǎng)，偏航系統(tǒng)會出現(xiàn)斷電不能實時對風的狀態(tài)，此時機組風載荷將會變大。規(guī)范建議在仿真中設置不同的偏航誤差角度，而不同的誤差角對整體響應的影響會有不同。

漂浮式風機同時遭受風浪流載荷，不同機組狀態(tài)和工況時，風浪流單獨作用對整體產(chǎn)生的影響會有所不同，分析不同工況載荷的主要貢獻，將會對整個風機的安全和設計優(yōu)化具有重要意義。實際風浪并不一定總是同向，不同的風浪夾角時，漂浮式風機動態(tài)響應將會有所不同，按照規(guī)范的建議和設計經(jīng)驗，風浪夾角一般取0-90deg。因此本文選擇不同仿真時間和種子數(shù)、風浪流單獨作用、風浪夾角以及極端偏航誤差角四個參數(shù)進行敏感性分析。

漂浮式風機動態(tài)響應分析結(jié)果很多，本文根據(jù)結(jié)果的重要性和代表性，選擇了整體六自由度運動響應、錨鏈有效張力、塔底載荷、輪轂載荷以及機艙加速度進行敏感性分析。漂浮式風機一體化仿真分析的工況非常多，動態(tài)響應結(jié)果與機組發(fā)電狀態(tài)、初始受力狀態(tài)以及環(huán)境條件組合方式等直接相關，本文根據(jù)漂浮式風機自身的特點和規(guī)范建議的典型狀態(tài)[8]，挑選了代表性工況進行敏感性參數(shù)分析。綜上所述，本文進行漂浮式風機動態(tài)響應敏感性參數(shù)分析的流程如圖2所示。

圖2 敏感性分析流程

2 算例參數(shù)

本文基于海裝漂浮式風機項目參數(shù)，建立整個漂浮式風機一體化仿真模型，下面分別給出各部分基本參數(shù)[9]。

2.1 機組參數(shù)

本漂浮式風電機組主要參數(shù)見表1。

表1 風電機組主要參數(shù)

2.2 平臺參數(shù)

本漂浮式風機平臺主要參數(shù)見表2。

表2 半潛型漂浮式平臺主要參數(shù)

2.3 系泊參數(shù)

根據(jù)項目總體方案，本漂浮式風機系泊系統(tǒng)為懸鏈線式，主要參數(shù)見表3，錨鏈布置如圖3所示。

表3 系泊系統(tǒng)參數(shù)

圖3 錨鏈布置

2.4 工況參數(shù)

根據(jù)設計參數(shù)，本文選擇的代表性工況參數(shù)見表4，基于上述參數(shù)建立的一體化仿真模型如圖4所示。

表4 敏感性分析工況參數(shù)

圖4 一體化仿真模型

3 敏感性參數(shù)分析

根據(jù)目標海域環(huán)境條件和總體設計方案，分析不同仿真時間和種子數(shù)量、風浪流載荷單獨作用、風浪夾角、極端偏航誤差角對漂浮式風機動態(tài)響應的影響，有利于判別整個裝備的危險狀態(tài)、尋找設計優(yōu)化的方向以及載荷變化的規(guī)律。

3.1 仿真時間和種子數(shù)

根據(jù)以往設計經(jīng)驗和規(guī)范推薦，一體化仿真總時間分別選擇10 min、1 h和3 h，根據(jù)各工況仿真時間換算出來10 min仿真種子數(shù)量分別為1/6/12/18，1 h仿真種子數(shù)量分別為1/3/6，3 h仿真種子數(shù)量分別為1/2。后處理中選擇可以反應各部分動態(tài)響應的計算結(jié)果來研究變化規(guī)律，主要包括平臺6自由度運動、錨鏈張力、塔底載荷、輪轂載荷以及機艙加速度，具體計算結(jié)果如表5所示。

表5 不同仿真時間和種子數(shù)量計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，分別以1 h仿真時間結(jié)果和6個種子數(shù)量結(jié)果為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布分別如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，發(fā)電工況仿真時間主要影響機組載荷結(jié)果，最大相對誤差接近20%，其中1 h和3 h載荷結(jié)果更為接近。空轉(zhuǎn)工況由于風機順槳，浪流載荷變大，整體動態(tài)響應受仿真時間影響明顯增大，其中1 h和3 h仿真結(jié)果相差不大，因此漂浮式風機采用1 h的仿真時間可以滿足基本設計要求。而10 min仿真時間采用不同種子數(shù)量的影響最大，最大誤差超過30%，整體動態(tài)響應結(jié)果當種子數(shù)量達到12個時結(jié)果相對準確。1 h仿真時間，種子數(shù)量達到3個時結(jié)果相對準確，3 h仿真時間單個種子結(jié)果可以包絡10 min和1 h多種子數(shù)量的結(jié)果。

圖5 不同仿真時間最大相對誤差分布

圖6 不同種子數(shù)最大相對誤差分布

綜合來看，漂浮式風機受仿真時間和種子數(shù)影響比較明顯，極端發(fā)電工況和極端空轉(zhuǎn)工況環(huán)境條件惡劣，采用1 h仿真時間和3個種子數(shù)量會比較可靠。而正常發(fā)電工況，單工況可以采用10 min仿真時間，但種子數(shù)量至少要12個，仿真結(jié)果會相對可靠。

3.2 風浪流載荷單獨作用

為了評估風浪流載荷對整個風電裝備作用效果，分別使用單純風、單純浪、單純流以及風浪流工況進行一體化仿真分析，代表計算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 運動響應分析結(jié)果

圖8 塔底載荷分析結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，以風浪流組合工況為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布如圖9所示。可以看出運動響應和錨鏈張力受風載荷的影響較小，主要以浪流作用為主，最大偏差接近90%，波浪主要影響幅值，海流影響均值。發(fā)電工況塔底載荷和機艙加速度主要以風載荷為主，浪流載荷響應次之。極端空轉(zhuǎn)工況塔底載荷和機艙加速度同時受風浪流載荷影響，最大相對誤差接近80%。無論是發(fā)電工況還是極端空轉(zhuǎn)工況，輪轂載荷都是以風載荷作用為主，波浪和海流對輪轂載荷影響不大。

圖9 風浪流組合工況最大相對誤差分布

3.3 風浪夾角

為了分析不同的風浪夾角對整體動態(tài)響應影響，選擇風浪夾角分別為0/15/30/60/90 deg進行仿真分析，代表計算結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 運動響應分析結(jié)果

圖11 機艙加速度分析結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，以風浪流同向為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布如圖12所示?？梢钥闯霭l(fā)電工況風浪夾角對機組極值載荷影響不大，但對運動響應和錨鏈張力影響較大，最大誤差可以達到40%?？辙D(zhuǎn)工況風浪夾角對整個裝備動態(tài)響應均有較大影響，最大機組載荷可以達到90%。隨著風浪夾角增大，極值載荷有所減小，說明風浪有夾角時產(chǎn)生的載荷有所抵消。但不管是發(fā)電工況還是空轉(zhuǎn)工況，風浪流同向時漂浮式風機動態(tài)響應最大。

圖12 風浪流同向最大相對誤差分布

3.4 極端偏航誤差角

極端空轉(zhuǎn)狀態(tài)，偏航系統(tǒng)斷電時會產(chǎn)生較大偏航誤差角，從而影響整個漂浮式風機受力狀態(tài)。根據(jù)以往經(jīng)驗和規(guī)范要求，選擇代表性0/90/180/270 deg誤差角進行一體化仿真分析，主要結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 塔底載荷分析結(jié)果

圖14 輪轂載荷分析結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，以0 deg誤差角結(jié)果為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布如圖15所示?？梢钥闯?，極端偏航角誤差對整體運動響應和錨鏈最大張力的影響較小，誤差值都在10%以內(nèi)。但隨著偏航誤差角的變化，塔底載荷、機艙加速度和輪轂載荷變化較多，尤其是90 deg和270 deg偏航誤差角，載荷最大相對誤差達到200%，說明偏航角誤差對機組載荷影響很大，因此在極端空轉(zhuǎn)工況保證機組能實時對風是必要的。

圖15 最大相對誤差分布

4 結(jié) 語

本文針對不同仿真時間和種子數(shù)量、風浪流載荷單獨作用、風浪夾角以及極端偏航誤差角幾個變量進行了敏感性參數(shù)分析，得到以下結(jié)論：

1)仿真時間和種子數(shù)量對漂浮式風機動態(tài)響應影響較大，正常發(fā)電工況可以使用10 min仿真，但種子數(shù)要至少12個；極端發(fā)電和極端空轉(zhuǎn)工況，環(huán)境條件惡劣，采用1h仿真和3個種子數(shù)結(jié)果會更準確。表明漂浮式風機非線性耦合更強，需要結(jié)合整個裝備方案選擇合理的仿真時間和種子數(shù)量，才能保證仿真結(jié)果的準確性。

2)運動響應和錨鏈張力幅值主要受浪流作用，發(fā)電工況塔底載荷和機艙加速度主要以風載荷為主，極端空轉(zhuǎn)工況塔底載荷和機艙加速度同時受風浪流載荷影響。因此在已知環(huán)境條件時，可根據(jù)風浪流作用效果，對基礎性能進行比較。

3)發(fā)電工況風浪夾角主要影響運動響應和錨鏈張力，最大相對誤差可以達到40%?？辙D(zhuǎn)工況風浪夾角對整個裝備動態(tài)響應均有較大影響，隨著風浪夾角增大，極值載荷有所減小，說明風浪有夾角時產(chǎn)生的載荷有所抵消。因此根據(jù)已知環(huán)境條件分布，合理布置浮式風機位置，結(jié)合控制策略，對降低整體響應，提高使用壽命十分有用。

4)極端偏航誤差角對平臺運動和錨鏈張力影響不大，但對機組載荷影響明顯，尤其是90°和270°誤差角，因此漂浮式風機須配置備用柴油發(fā)電機給偏航系統(tǒng)供電，以保證在風機脫網(wǎng)時機組仍能實時對風。

本文計算結(jié)果只是針對海裝6.2 MW機組和半潛型漂浮式風電平臺以及懸鏈線式系泊的計算結(jié)果，但對其它浮式風電項目設計具有一定的參考意義。當采用不同的機組型式、平臺類型和系泊系統(tǒng)時，在批量仿真之前建議進行敏感性參數(shù)分析，這對仿真工況定義、風電裝備安全性評估、方案選型和優(yōu)化十分必要。