海況條件對海上風力發電機組載荷的影響

尹景勛，宋聚眾

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

海況條件對海上風力發電機組載荷的影響

尹景勛，宋聚眾

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章針對海況條件對海上風力發電機組載荷的影響， 以某5 MW海上機組為例， 介紹海浪、 海流和潮汐在載荷計算過程中采用的理論方法和支撐結構建模方法，對支撐結構和海浪能量分別進行模態分析和頻譜分析，同時根據GL2005 標準對極限載荷和疲勞載荷分不同情況分析， 結果表明海況條件對海上機組的塔筒底部影響較大， 對機組其他關鍵零部件影響很小，為大型海上機組關鍵零部件選取提供依據。

海況條件，頻譜分析，極限載荷，等效疲勞載荷

0引言

國外海上風力發電技術已日趨成熟，而我國海上風能的開發剛剛起步。 中國東部沿海水深2～ 15 m 的海域面積遼闊， 可利用的風能約是陸上的3 倍， 將達到 7.5×105MW， 而且距 離電力負荷中心很近。隨著海上風電場技術發展的成熟，近年來人們將開發風電場的目光投向風能資源更為豐富的近海海域，此地域主要分布在經濟發達、電網結構較強、又缺乏常規能源的東南沿海地區。

國內首個海上風電場―――上海東海大橋100 MW海上風電場項目已投運，如東海大橋風電場年有效風時超過 8 000 h， 投產后滿 負荷小時 數可達到 2 600 h 以上， 發電效益便會 高于陸上風電場30%以上。 雖然海上風電具有風能資源的能量效益比陸地風電場高，平均空氣密度較高，發電效率好；海上風資源豐富，海上風湍流強度小、風切變小，受到地形、氣候影響小，但是惡劣的海況條件將對海上風力發電機組產生不利影響。

1 海況條件

海上風力發電機組與陸上機組運行環境存在很大差異，對于海上風力發電機組來說，必須充分考慮海上機組所處的運行環境，除了考慮與陸上機組一樣的風況外，還需要考慮另外關鍵因素海況條件，這是海上機組的兩大主要載荷來源。

1.1 波浪

海洋中波浪是一種十分復雜的隨機現象，研究海浪對海洋工程建設、海洋開發、交通航運、海洋捕撈與養殖等活動具有重大意義。波浪因受到海面風的直接作用，其傳播方向基本與風向一致。波浪的形成及其浪高、周期與風速大小、風區范圍和風時長短直接相關，它們相互間存在著復雜的非線性關系，不同水深有不同的有限振幅波動理論。

圖1中給出的各種波浪理論模型在推導中采用了不同的假設條件和近似處理，使得它們在分析波浪運動時都有各自不同的適用范圍。一般而言，根據水深情況采用相應的數學模型，在深水中影響波動性質的主要因素是波陡，在淺水區域還需增加考慮相對水深的重要因素，在極淺水域則要考慮相對波高的影響。根據水深條件可以把波浪簡化為流函數、 線性 Airy 和斯托克斯模型，參考水深和波高關系定義適用的數學模型。

圖1 波浪理論應用范圍

波浪載荷計算建立在波浪動力學理論基礎上，根據水深和波浪理論適用范圍進行選擇，圖1給出了選擇波浪理論的參考。波浪載荷計算方法應該根據支撐結構的尺寸、外形和類型確定，對于細長支撐結構，如導管架或單樁結構，均可使用Morison 方程計算波浪載荷， 單位高度上的波浪載荷計算公式如下:

式中:

ρ―海水密度， kg/m3；

CD―阻力系數；

CM―慣性力系數；

u―海水的水平流速， m/s；

u˙ ―海水的水平加速度， m/s2；

D―支撐結構管徑。

1.2 海流

海流是海洋中海水沿一定路徑的大規模流動，具有相對穩定的流向、路徑和速度，由海洋內部的熱鹽效應及海面上的氣象因素作用引起，對海洋內部物質和能量交換起著重要作用，影響海水的物理化學特性。海流的空間規模有大有小，時間尺度有長有短，表現形式多樣，引起海流原因多樣，主要與風及氣壓作用、海水溫度、鹽度分布變化密切相關。

海流在空間和時間上不斷變化，但一般認為海流是定常速度和方向的水平均勻流場，僅隨著水深度變化而變化。海流速度應考慮由潮汐、風暴潮和大氣壓力變化等引起的次表面流、風生近表層流、近岸波浪生成的與海岸平行的表層流，總的海流速度是以上三者速度的矢量和。

海流對海上風力發電機組支撐結構的載荷，主要表現在支撐結構水下部分的作用，具體計算見式 （2）。 當采用 Morison 方程計算波浪載荷時，應將波浪水質點速度與海流速度矢量疊加；當采用勢流理論時， 海流載荷計算按公式（2）， 再與波浪載荷矢量疊加。

式中:

CD―阻力系數；

ρ―海水密度， kg/m3；

A―單位長度管件在垂直于海流方向的投影面積， m2/m；

Uc―海流速度， m/s。

1.3 潮位

潮汐反映的是一種海面上周期性的波動，帶來的是水面高程發生變化，它所產生的最高水位和最低水位及潮流的大小和方向等與海洋工程結構物和港灣堤岸等的設計、施工、生產與安全密切相關。高低潮高度及其出現時間關系到風力發電機組樁基的安全，也是機組塔筒結構物受海水腐蝕最嚴重的部位。影響水位變化的因素很多，包括地理地形和氣象氣候等，具有短時間到長時間的變化規律，所以在風機設計時需要考慮此因素。

海上風力發電機組載荷仿真過程中，波浪、海流和潮位是影響載荷大小的關鍵因素。三者因素對機組的樁基設計和機組塔筒設計至關重要，所以在仿真計算前要搜集這些方面的數據，根據相關理論計算對機組支撐結構的載荷計算與分析。

2 仿真計算

本文以某5 MW海上風力發電機組為例， 機組額定風速 12m/s， 額定功率 5 MW， 安裝于江蘇如東風電場。 機組載荷利用英國 GH公司的Bladed 軟件計算與分析， 根據 GL 2005 標準劃分兩種情況極限和疲勞載荷工況，極限工況選取惡劣條件分析海況條件對機組關鍵部件載荷的影響，疲勞載荷工況仿真所有疲勞情況，同時用等效疲勞載荷驗證極限載荷中得到的結論。海上風力發電機組與陸上機組建模主要區別在于支撐結構部分，而機組其他部分與陸上機組一樣。

2.1 支撐結構

與陸上風力發電機組不同之處在于機組的支撐結構部分，圖2給出了支撐結構以及海床以下各土層的分布情況，每層土壤的特性均不相同，其樁在這種情況下是樁-土相互作用的問題，樁利用周圍土壤的抗力承擔水平方向的載荷，樁本身在水平載荷和力矩作用下將會產生水平變位和彎曲應力。

圖2 土層分布情況

目前支撐結構建模采用的是 P-y曲線， 這種方法較好反應了土壤在受水平載荷作用下的彈性變形，以及樁在循環浪載荷、海流以及短期靜載荷作用下的變形。根據圖2中不同土層的土壤特性， 利用 P-y 曲線方法計算各土層的側向力和位移的關系，作用到樁基礎的不同節點位置上，最終簡化在每個土層的作用點位置進行加載，建立局部的運動方程求解。

圖3 支撐結構模態分析

圖4 海浪的頻譜密度分布情況

圖3給出了機組支撐結構的前兩階固有頻率和模態結果，上圖為第一階模態，下圖為第二階模態，表明了海上風力發電機組支撐結構的變形形態。圖4給出了不同風速下海浪能量的頻譜分析，可以看出，風速增加的同時海浪高度也增加，相應產生的海浪能量也增大，而圖中塔筒一階固有頻率為 0.311 Hz， 此時海浪的能量沒有出現尖峰且很小，說明海浪不會引起機組塔筒的共振。

2.2 極限載荷

極限載荷選取 GL 2005 表中 dlc1.5 中額定風速工況，此工況風電機組遭遇一年一遇的極端工作陣風 （EOG1）兼電網掉電的載荷情況， 其風速變化極端惡劣，因此運行結果一般會導致快速停機或安全鏈停機，風機各部件承受的極限載荷較大，在極限載荷中屬于非常惡劣的工況，仿真條件 風 速 12 m/s， 陣 風 幅 度 5.79 m/s， 水 深 1.2 m，周期 10.5 s， 浪高 0.885m， 周期 5.14 s 等。

圖5給出了有海況條件和無海況條件兩種情況在 EOG1工況下各部件關鍵載荷， 可以明顯看出， （a）塔筒底部載荷 Myz變化比較大， 主要原因是海浪高度和海流流速共同作用引起的，兩種因素產生的載荷直接作用于塔筒底部； 而從 （b）塔頂載荷 Myz、 （c）輪轂中心載荷 Myz 和 （d）葉根載荷 （Mxy、 揮舞力矩、 擺振力矩）可得到海況條件對其他關鍵部件的載荷影響很小，說明海況載荷對機架、輪轂和葉片揮舞擺振的結構極限載荷設計影響不大。

圖5 關鍵部件極限載荷對比

2.3 疲勞載荷

從極限載荷分析結果可以看出，海況載荷對塔筒底部的影響大，所以對于疲勞載荷從塔筒底部的等效疲勞載荷進行分析，而葉片根部揮舞力矩進一步說明海況對其影響很小。為了說明海況條件的影響，分3種情況:風載與海況共同作用、風載單獨作用和海況單獨作用。疲勞載荷計算條件: 年平均風速 7.5 m/s 的瑞利 分布， 機 組設計壽命 25 年， 參考循環次數 1E+07。 針對每種情況，先根據 GL 2005 標準計算所有疲勞載荷工況， 然后根據載荷時間歷程進行雨流計數統計處理，最終根據 Miner理論計算各部件的等效疲勞載荷。

圖6 3種情況對比

圖 6 （a）給出了塔筒底部傾覆力矩 3 種情況的對比圖，在海平面附近塔筒截面位置處的等效疲勞載荷，僅受風載單獨作用時等效載荷最小，僅受海況載荷單獨作用時等效載荷最大，風載和海況載荷共同耦合作用時等效載荷處于中間。從圖中可以看出，波浪增加了塔筒底部疲勞載荷，但風載產生的氣動阻尼降低了兩者共同作用于塔筒上的疲勞載荷，小于兩者之間簡單的線性疊加，而遠大于僅風載作用下的等效疲勞載荷，說明如果水足夠深、浪高大，將對塔筒底部的等效疲勞載荷影響增大。

圖 6 （b）給出了葉片根部揮舞力矩在 3 種情況下的對比圖，可以看出風載荷占主導作用，受海況載荷影響較小，兩者共同作用時葉根揮舞力矩等效疲勞載荷與風載單獨作用時基本一致，說明葉片等效疲勞載荷受海況條件的影響很小。

3 結論

本文介紹了海況條件計算風機載荷的理論方法和海上機組支撐結構的建模方法，同時對海浪能量進行頻譜分析，判定海浪譜密度分布不會引起塔筒的共振。計算海上風力發電機組的特殊極限工況和所有疲勞載荷工況，針對兩種工況進行不同情況對比分析，結果表明海浪條件可明顯增加塔筒底部位置處的極限載荷和等效疲勞載荷，而對海上風力發電機組其他關鍵位置影響較小，可說明其他部件承受的極限疲勞載荷受海況條件的影響較小。通過這次深入分析海況條件對機組載荷的影響，為大型海上風力發電機組關鍵零部件選擇提供可靠依據，奠定了今后風力發電市場進軍海上的基礎。

[1]王彥紅.海上風力發電機支撐結構的疲勞分析[D]. 天津大學,2009

[2]李德源,劉勝祥, 張湘偉.海上風力機塔架在風波聯合作用下的動力響應數值分析[J].機械工程學報,2009,45(12): 46-52

[3]GL.Germanischer Lloyd W indEnergie GmbH,Rules and Guidelines,IV-Industrial Services,Guideline for the certification ofw ind turbines,Edition 2005

Influence of Ocean Condition for O ffshore W ind Turbine Load

Yin Jingxun， Song Juzhong
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The articlemainly describes the influence of ocean condition for offshore wind turbine load.For 5 MW offshore wind turbine,it introduces the theorymethod ofwave,current and tidal and themodeled method of support structure.And the support structure ismodel analyzed and the wave energy is spectrum analyzed.Then the extreme and fatigue load in according to some different cases based on GL2005 is calculated.So the results show that the load including extreme and fatigue of tower bottom will be larger in the ocean condition,but the load of other components are nearly keep constant.This will provide a basis for selecting the key parts of larger offshore wind turbine.

ocean condition,spectrum analysis,extreme load,equivalent fatigue load

TK83

： A

： 1674-9987(2014)02-0048-05

國家國際科技合 作專項資助： 5 MW海上風機聯合研發 （項目編號:2010 DFB70710）。

尹景勛 （1982-）， 男， 碩士研究生， 工程師， 2009 年畢業于華北電力大學流體機械及工程專業， 現主要從事風電機組系統仿真工作。