基于多場耦合的深海型風電機組動力學建模

牛小東，謝曉斌，謝曉玲，臧奮強

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018，2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅天水741018）

基于多場耦合的深海型風電機組動力學建模

牛小東1，2，謝曉斌1，2，謝曉玲1，2，臧奮強1，2

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018，2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅天水741018）

目前，深海的漂浮式風電已成為研究的熱點，對海上浮式風力發電機而言，浮式結構比較重要。將研究重點放在深海型風機的浮漂平臺及系泊系統上，基于深海型風力發電機組基礎系統原理，研究設計了深海型風機整機建模，包括各主要部件坐標系的建立、主要部件建模的要求以及整機的拓撲結構圖等。同時對漂浮平臺進行了物理建模，采用四懸鏈系泊系統作用于方形漂浮平臺的模型，分別對水平波浪力、豎直波浪力和斜向波浪力作用下的漂浮平臺進行分析，得到同側懸鏈與不同側懸鏈的鏈端張力變化規律。

深海型風電機組；動力學；漂浮平臺；建模

1 引言

能源是人類賴以生存的物質基礎，為保證國民經濟的發展，必須有可持續的能源供應。隨著經濟社會的發展，能源的缺乏成為人們不得不擔憂的問題。化石能源的消耗，使得能源危機越加緊迫，對可再生清潔能源的開發勢在必行。同時，化石能源使用過程中帶來的環境污染問題，更加大了可再生清潔能源的開發必要。

作為可再生清潔能源的風能，資源極其豐富。隨著風電發展的規模化，人們對風電機組的可靠性和安全性提出了較高的要求。隨著風電機組功率的不斷提高，風電機組的大型化、復雜化，風電機組維修成本越來越高。為提高經濟效益，人們對風電機組的效率和可靠性的要求也越來越高。2015年，我國海上風電的新增裝機容量為39MW，截至2015年年底，我國海上風電的累積裝機容量達到428.6MW。相較于陸上風力發電裝機容量，海上風力發電還處于起步階段。海上風能是不會枯竭的能源，隨著海上風力發電機組技術和制造技術的提高，以及風力發電開發成本的下降，海上風電場的開發將成為世界風電產業的一個重要發展方向。

2海上風電機組類型

根據適用海域水深的不同，海上風電機組主要分為基礎固定式和基礎漂浮式兩大類。圖1所示反應了隨著海域水深的變化，風機類型的變化。

圖1從淺水到深水自然連續的底部結構圖

2.1基礎固定式機組

主要適用于水深小于60m的淺水海域的風場，其基礎類型主要包括重力式、單柱式和三角架式。

重力式:主要適用于水深在0m-10m的海域；

單樁式:應用最為普遍，其主要適用于水深在0m-30m的海域；

三角架:適用于水深在30m-60m的海上風電場。

隨著海上風力機逐步走向深水區域，固定式基礎將難以滿足超高的承載要求，而且隨水深增加，特別當水深大于60m后，固定式基礎的造價也將大幅增加，海上風力機的基礎形式正在逐步由固定式結構向漂浮式結構發展。

2.2基礎漂浮式機組

目前，在大型漂浮式風電機組概念設計中主要采用的漂浮式基礎形式如圖2所示，根據使系統達到靜態穩定的方式可以將平臺大致分為三類。

（1）系泊穩式，如圖2（a）中的張力腿式結構。該類結構通過使系泊纜的張力超過浮力來實現浮筒的穩定。

（2）重載壓倉穩式，如圖 2（b）中的柱狀浮標式。該類浮體的重心被設計為低于浮心位置，以確保平臺在傾斜時產生較大的復原力臂和慣性阻力，減小縱搖和橫搖運動，保證平臺的穩定性。

（3）靜水浮力穩式，如圖2（c）中所示的浮箱式結構。該類浮式平臺以其較大的水線面面積提供復原力矩維持結構的穩定。

圖2海上漂浮式風電機組的3種主要形式

3深海型風電機組性能分析模型

海上風力發電機分析模型包括空氣動力模型、波浪模型、風輪／塔架／機艙結構動力學模型和控制模型。當風速一定時，空氣動力模型和波浪模型計算出風力機氣動性能和氣動載荷及波浪載荷，計算出的氣動載荷和波浪載荷作為輸入作用在結構動力學模型上，由于氣動載荷和波浪載荷的變化，引起結構的變形，計算出的變形又作為輸入作用在空氣動力學模型和波浪模型上，計算出相應的氣動載荷和波浪載荷。各子系統關系如圖3所示，該分析模型主要考慮風輪結構塔架結構耦合關系、風載荷波浪載荷彈性結構的耦合關系、外界載荷傳動鏈系統電控系統的耦合關系。因此研究中采用多柔體動力學進行風輪結構和塔架結構建模，考慮風輪塔架的結構耦合關系；采用多柔體動力學和載荷分析理論結合考慮風載荷波浪載荷彈性結構的耦合關系；采用多柔體動力學、載荷分析理論、傳動鏈系統分析動力學和風力發電機組的功率控制策略結合研究外界載荷傳動鏈系統電控系統的耦合關系。

圖3深海型風機子系統關系圖

4深海型風機整機建模

4.1深海型風機整機坐標系建立

德國GL規范對風力發電機模型中主要部件的建模坐標系都有要求，包括葉片坐標系、輪轂坐標系、葉輪坐標系、偏航軸承坐標系、塔基坐標系以及懸鏈坐標系，如圖4所示。

圖4建模坐標系

4.2深海型風機各部件建模

對深海型風機的主要部件建立坐標系后，應對風機的各個部件分別建模，最后才通過組裝后得到風機的整機模型。表1列舉出了深海型風電機組部件多體系統建模的要求，包括主要部件的部件建模類型要求和部件建模的自由度要求。

表1深海型風電機組部件建模要求

4.3深海型風機整機拓撲結構

深海型風電機組整機拓撲如圖5所示。主要部件有懸鏈、漂浮平臺、塔架、機架、風輪（含葉片和風輪輪轂）、主軸、齒輪箱、聯軸器和發電機等部件，其中懸鏈、塔架、葉片、主軸和齒輪軸為柔性體。

4.4深海型風機整機模型

根據GL規范規定的各主要零部件的坐標系，建立各部件的模型，然后通過裝配和設置相互約束及作用的關系，完成風電機組整機的建模。深海型風機的整機建模如圖6所示。

圖5深海型風力發電機組的拓撲結構

圖6深海型風機整機模型

5結束語

本文通過對深海型風電機組進行介紹分析，重點研究了對漂浮平臺和系泊系統的建模。主要重點是風電機組整機系統建模。首先論述了深海型風機各主要部件坐標系的建立；然后列出了深海型風機各部件分別建模的要求，其對風機部件分別建模具有指導重要的意義；接下來提出了深海型風機整機的拓撲結構，最后得到風機的整機模型。

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Based on multi-field coupling type deep sea wind turbines dynamics modeling

NIU Xiao-dong1，2，XIE Xiao-bin1，2，XIE Xiao-ling1，2，ZANG Fen-qiang1，2
（1.Gansu Electric Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China；2.Key Laboratory of High-low Voltage Electrical Apparatus Inspection Technology，Tianshui 741018，China）

At present，the deep sea floating type wind power has become the hot researching field，for offshore floating wind turbines，the floating structure is more important.Thus，the focus of this paper is to study the deep sea type fan floating platform and the mooring system.Based on the principle of the deep sea wind turbine foundation system，the design for the modeling of the deep water fan type machine is given，which includes the establishment of the main components of the coordinate system，the main components modeling and topology structure of the machine.The physical modeling for the floating platform is established.By using the four catenary mooring systems on the square model of the floating platform，it is analyzed respectively that the floating platform under the different actions of the horizontal，the vertical and the diagonal wave forces，and the change rules for the chains tension of the ipsilateral catenary with the different lateral catenary are also given.

wind turbines of deep sea；dynamics；floating platform；modeling

TM614

A

牛小東（1985-），男，研究生，電氣工程師，主要從事電工電氣結構設計和檢驗檢測技術研究。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0018—04

謝曉斌（1990-），男，本科，主要從事機械自動化設計和檢測技術研究。