海上風力發電平臺概念設計及系泊系統特性研究

袁培銀，趙 宇，王平義，譚 波

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2. 重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074；3. 重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074)

海上風力發電平臺概念設計及系泊系統特性研究

袁培銀1,2，趙 宇1,3，王平義1，譚 波2

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2. 重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074；3. 重慶交通大學 建筑與城市規劃學院，重慶 400074)

為實現海上風力發電平臺工作狀態的準確預報，本文采用有限元軟件建立浮式風力發電平臺三維模型，完全時域耦合分析在不規則波作用下，浮式風力發電平臺動力響應特性。通過時域結果對比分析可知，在風浪流同向作用下，浮式風力發電平臺的運動響應幅值及系泊纜索頂端張力最大。通過運動響應時間歷程曲線可知，橫蕩運動和橫搖運動表現為低頻特性，垂蕩運動表現為波頻特性，以上研究成果可為浮式風力發電機的優化設計提供一定的指導，并可為將來的相關試驗提供一定參考。

海上風力發電平臺；運動響應幅值；頂端張力

0 引 言

南海擁有豐富的自然資源，海上風力平臺的合理應用可以滿足島上居民的生活用電需求，相比于其他發電形式，海上風力發電具有綠色、清潔、風速高、風情穩定，可減輕用電壓力，減少二氧化碳排放，推動國民經濟可持續發展，將起到重要作用。

對于海上風力發電平臺在波浪中的運動響應分析，國內外的專家做過相應研究。鄒早建等[1]對浮式風機平臺在規則波作用下的動力響應分析指出，系泊平臺的運動是由風機的風力和波浪參數大小共同決定的。Lee[2]提出 TLP 型和 Spar 型 2 種浮式風機系統的概念設計，對其在風浪中的運動響應進行有效、合理的評估。Denis Matha 等[3]在美國研發的 TLP 平臺基礎上對張力腿模型進行了系統分析，Denis Matha 等根據海上風機的設計準則驗證了改良之后的浮式風機 TLP平臺，結果表明張力腿式風機平臺運動特性較好。Jason M.Jonkman and Marshall L.Buhl Jr.[4]通過全耦合進行分析模擬，對 5 MW 的浮式風力發電機的初步載荷進行了分析，確定了經濟和技術的可行性、動力響應、潛在的載荷以及不穩定性。葉小嶸等[5]將浮式平臺的運動響應結果對風機氣動性能產生的影響考慮在內，并研究在風、浪、流聯合作用下風機氣動性能。李溢涵[6]以 5 MW 風機為研究對象，考慮粘性阻尼矩陣和系泊系統回復剛度矩陣，考慮系泊系統與基礎之間的耦合作用，對風機的整體模型進行時域分析。鄧慧靜[7]根據三維勢流理論和 Morison 方程求解三浮筒半潛平臺波浪載荷和浮體在波浪中的運動響應。J.M. Jonkman 等[8]對海上浮式風力發電結構的動力響應分析所采取的耦合方法進行了系統總結，并提出了動力響應的全耦合模擬分析方法；該方法不僅解決了頻域和時域各自的局限性，而且可以考慮影響系統的所有可能載荷，同時也驗證模型實驗方法的可行性。

1 浮式風力發電平臺及系泊定位系統設計

浮式風力發電平臺是由三立柱共同作用承載風力發電機組的重量，三立柱的特殊布置形式可以使浮式基礎的穩性高度在 360° 內所有方向均相等。通過在三立柱下方各設置一壓水板，一方面可以減小風力發電機組整體共振的不利影響，另一方面還可以增加浮式基礎垂蕩的粘性阻尼。同時，浮式風力發電平臺設置若干橫撐和斜撐，以更好的保持結構的連續性及防止局部區域應力集中。表 1 為浮式風力發電平臺的主尺度要素，圖 1 為浮式風力發電平臺系泊系統布置示意圖。

2 浮式風力發電平臺及系泊系統運動方程

對于浮式風力發電平臺來說，耦合分析是需要考慮海洋結構物及其系泊系統的相互影響，建立整個系統的運動方程和動力方程進行求解，是一類復雜的非線性問題，需要考慮系泊系統的回復力、阻尼力及慣性力對結構物的平均位置及其動力響應所產生的影響[9]。

表1 浮式風力發電平臺主要要素Tab. 1 Main parameter of floating wind platform

當完全時域耦合分析浮式風力發電平臺運動時，需要將風力機、支撐平臺和系泊系統的耦合效應考慮在內，平臺的結構可以近似看成具有 6 個自由度的簡單剛體。

浮式風力發電平臺整體結構體系的運動方程為：

式中：M為結構質量矩陣；A為附加質量矩陣；

Bw和Bm分別為波阻尼矩陣和系泊系統阻尼矩陣；

Kw為水動力恢復剛度矩陣；

Kt和Km分別為張力腿筋腱部分的剛度矩陣和錨纜部分的剛度矩陣；

Fhvs和Fwinds分別為靜水力和風荷載力；

FwaveI和FwaveD分別為入射波浪力和繞射波浪力。

當計入不規則波以及海流的作用時，此運動方程為：

式中：Fwavedift為波浪慢漂力；Fcurrents為海流作用力。

3 數值算例

3.1 系泊纜索主要參數

浮式風力發電平臺在開闊的海洋環境中，會受到復雜的環境載荷，根據初步的風載荷、海流載荷和波浪載荷的計算，選取 6 根錨鏈形式的懸鏈線進行系泊定位，分析認為流體是無粘性、不可壓縮的理想流體，考慮系泊纜索與浮式風力發電平臺的相互耦合作用，系泊纜索的具體參數如表 2 所示。

表2 系泊纜索主要參數Tab. 2 Main parameter of the mooring lines

3.2 頻域分析結果

浮式風力發電平臺的工作水深為 1 000 m，不考慮風速的影響，只考慮粘性阻尼力和系泊系統回復力的作用，主要研究浮式風力發電平臺六自由度幅值響應算子隨浪向角的變化規律，定義浪向角增量步長為30°，分析平臺在 0°，30°，60°，90°，120°，150°和 180°浪向角下的運動響應幅值算子的變化規律，如圖 2～圖 7所示。

由圖 2 縱蕩 RAO 隨浪向角變化曲線可知，縱蕩RAO 從 0°～180° 呈現先減小后增大的趨勢；由圖 3可知，橫蕩 RAO 隨浪向角變化可知，橫蕩 RAO 從0°～180° 呈現先增大后減小的趨勢，無論在任何浪向作用下，都是在 0.3 rad/s 處出現極值；由圖 4 可知，垂蕩 RAO 隨浪向角變化可知，無論在任何浪向作用下，垂蕩 RAO 基本不發生變化，且在 0.3 rad/s 處出現極值，同時也表明垂蕩 RAO 與波浪入射方向基本無關。由圖 5 橫搖 RAO 隨浪向變化可知，隨著浪向角的增加，橫搖 RAO 表現出先增大，后減小的趨勢，且在0.3 rad/s 處出現極值；由圖 6 縱搖 RAO 隨浪向變化可知，隨著浪向角的增加，橫搖 RAO 表現出先減小，后增大的趨勢，在浪向角是 90° 時為單峰值，在其他角度為雙峰值。

3.3 時域分析結果

本文以風、浪、流組合環境為例，通過對本模型10 800 s 的數值模擬結果可知，風、浪、流 3 種載荷在同一方向時，系泊纜索的頂端張力出現最大值，浮式風力發電平臺的運動響應幅值出現最大值，由于結構的特殊穩定形式，縱蕩運動幅值的最大為 0.2 m，縱搖運動幅值最大為 0.65°，首搖運動幅值最大 0.65°，在浮式風力發電平臺的六自由度中，橫蕩、垂蕩和橫搖為主要的運動模態，運動響應時間歷程曲線如圖 8～圖 10所示。

從圖 8 風力發電平臺橫蕩時間歷程曲線可看出，由于風浪流同向 90° 入射，風力發電平臺的運動幅值會不斷增大，并且呈現出大周期、不規則的運動形式，系泊系統提供水平回復力，使風力發電平臺圍繞相對平衡位置做往復運動。從圖 9 風力發電平臺橫蕩響應譜可看出，橫蕩表現為明顯的低頻特性，能量主要集中在 0.75 rad/s 附近處，在 0.1 rad/s 處出現峰值。

從圖 10 風力發電平臺垂蕩時間歷程曲線可看出，由于風浪流同向 90° 入射，浮式風力發電平臺在平衡位置處往復運動，風力發電平臺的運動受到系泊系統回復力、重力和浮力等外力共同作用，使其運動幅值逐漸減小。從圖 11 風力發電平臺垂蕩響應譜分析出，垂蕩表現為明顯的波頻特性，能量在 0.08 rad/s 處略微有變化，但是能量主要集中 0.30 rad/s 附近處，且在0.3 rad/s 處出現峰值。

從圖 12 風力發電平臺橫搖時間歷程曲線可看出，由于風浪流同向 90° 入射，浮式風力發電平臺的橫搖角有很大的幅值變化，風力發電平臺的運動受到系泊系統提供水平回復力，使其運動幅值逐漸減小。從圖 13風力發電平臺橫搖響應譜分析出，橫搖表現為明顯的低頻特性，能量主要集中 0.09 rad/s 附近處，且在 0.09 rad/s 處出現峰值。

4 結 語

通過完全時域耦合的分析方法，對作業水深 1 000 m的風力發電平臺及其系泊系統的響應進行求解，得出風力發電平臺及其系泊系統的動力響應特性。同時，本文描述風力發電平臺概念設計的基本流程及其系泊系統設計的參數，考察風力發電平臺幅值響應算子隨浪向角的變化及求解風力發電平臺在系泊系統的作用下，主要運動模態的運動響應幅值及運動響應譜，為實際工程的應用、系泊系統的設計提供一定的參考價值，具體結論如下：

1）從縱蕩和縱搖 RAO 隨浪向角變化曲線可知，縱蕩和縱搖 RAO 從 0°～180° 變化過程中呈現出先減小后增大的變化趨勢，且縱搖在 0.3 rad/s 和 0.55 rad/s處出現雙峰值；

2）浪向任意角度入射，垂蕩 RAO 各曲線基本重合，幅值基本不發生變化；橫蕩和橫搖的幅值響應算子從0°～ 180° 變化過程中呈現出先增大后減小的變化趨勢，且橫搖也在 0.3 rad/s 和 0.55 rad/s 處出現雙峰值；

3）對于海上風力發電平臺作業海況下，風浪流同向作用，橫蕩、橫搖和垂蕩運動響應十分顯著，橫蕩的最大幅值為 43 m，垂蕩運動最大幅值為 1.5 m，橫搖運動最大幅值為 1.5°，滿足響應規范的要求；

4）從海上風力發電平臺主要運動模態響應譜可知，橫蕩運動具有顯著的低頻運動特性；而垂蕩的譜峰集中在 0.3 rad/s 附近，主要呈現波頻運動的特性；橫搖運動的譜峰能量集中在 0.09 rad/s 附近，主要呈現低頻運動的特性。

總之，風力發電平臺是深海能源開發最主要的形式之一，也為新型能源風力發電機的主要載體，合理的平臺型式設計及系泊系統的優化，可以有效避開波浪能量集中的頻率，使得風力發電平臺的主要運動模態幅值明顯改善，大大增強平臺的適用范圍、舒適度和安全性。

[1]唐耀, 范菊, 鄒早建, 等. 浮式風機平臺在規則波和定常風作用下的動力響應分析[J]. 中國海洋平臺, 2014, 29(1): 50-56. TANG Yao, FAN Ju, ZOU Zao-jian, et al. The response analysis of floating wind platform in regular wave and steady wind[J]. China Offshore Platform, 2014, 29(1): 50-56.

[2]LEE K H. Responses of floating wind turbines to wind and wave excitation[D]. Massachusetts, USA: Massachu-setts Institute of Technoloqy, 2005.

[3]MATHA D, FISCHER T, KUHN M. Model development and loads analysis of a windturbine on a floating offshore tension leg platform. NREL/CP-500-46725. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, 2010: 22-25.

[4]JONKMAN, J. M, a BUHL M L, Jr., ‘Loads analysis of a floating offshore wind turbine using fully coupled simulation.’NREL/CP-500-41714, Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, June3-6, 2007: 6-10.

[5]葉小嶸, 張亮, 吳海濤, 等. 平臺運動對海上浮式風機的氣動性能影響研究[J]. 華中科技大學學報, 2012, 40(3): 123-126. YE XIAO-rong, ZHANG LIANG, WU HAI-tao, et al. Influence of platform motion response on aerodynamic performance of floating offshore wind turbine[J]. J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Natural Science Edition), 2012, 40(3): 123-126.

[6]李溢涵. 海上風機Spar型浮式基礎的運動特性研究[D], 天津:天津大學, 2011.

[7]鄧慧靜. 海上浮式風機平臺穩性及錨泊系統性能研究[D], 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012.

[8]JONKMAN J M, BUHL JR M L. Development and verification of a fully coupled simulator for offshore wind turbines[A]. The 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Wind Energy Symposium. Nevada, 2007: NREL/CP-500-40979.

[9]黃祥鹿, 陸鑫森. 海洋工程流體力學及結構動力響應[M]. 上海: 上海交通人學出版社, 1992. HUANG XIANG-lu, LU XIN-sen. Hydromechanics of marine engineering and dynamic response of structure[M]. Shanghai: SHANGHAI Jiao Tong University Press, 1992.

The concept design of floating wind platform and the research on hydrodynamic characteristics of its mooring system

YUAN Pei-yin1,2, ZHAO Yu1,3, WANG Ping-yi1, TAN Bo2
(1. College of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. College of Shipping and Marine Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 3. College of Architecture and Urban Planning, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To achieve the precise research of operative mode of floating wind platform, this paper create the three-dimensional model, give the analysis of dynamic response characteristics of floating wind platform in irregular waves by fully time domain coupled analysis. The motion of floating wind platform and the top tension of mooring lines are the maximum in the same direction of current and wave by the time domain results of comparative analysis. The results show that the motion of sway and roll put up the characteristics of low frequency, the motion of heave show the characteristics of low frequency, the above results can provide some guidance for the optimized design of floating wind turbines and supply the reference for related tests in the future.

floating wind platform；response amplitude；the top tension

U674.03+1

A

1672 - 7619(2017)04 - 0079 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.016

2016 - 08 - 02

重慶市社會民生科技創新專項資助項目(CSTC2015shmszx30011)

袁培銀(1987 - )，男，博士，研究方向為船舶與海洋結構物設計與制造、航道整治理論與技術。