浮動式海上風力發電機荷載及振動控制研究進展

蓋霞

摘 要：本文通過浮動式海上風力發電機所受風荷載及其振動控制研究進行了分析總結，分析了目前荷載計算方法及振動控制方法的有效性及合理性，對今后風荷載模擬方法選用及振動控制方面的研究奠定基礎。

關鍵詞：海上風力發電機;風荷載研究;振動控制分析;發展展望

1 引言

目前海上風力發電的開發主要集中在歐洲。近年來，北美、亞洲各國也加入到海上風電的開發行列，使得海上風電的研究更加深入。雖然我國擁有豐富的海上風能資源，但海上風電進展遲緩，技術尚不完備。由于海上風電相比于陸上風電，所處環境更為復雜，面臨大風、海浪、潮汐、海嘯以及地震等災害的侵擾，海上風力發電技術朝著單機容量大型化、發電機組設備技術化、風場區域深海化的趨勢發展。面對新的發展趨勢，淺海域風力發電場的發展已經不能滿足風能發展的要求，海上風電場將進軍深海領域，因此浮動式海上風力發電機的發展前景愈加廣闊。

本文結合國內外研究成果，總結了浮動式海上風力發電機的作用荷載及在其振動控制方面的研究現狀，并根據研究現狀對海上風力發電機的未來研究問題進行了展望。

2 浮動式海上風力發電機風荷載研究

空氣流動變產生風，風的強弱用風速表示。通常認為瞬時風速由平均風和脈動風兩部分組成。受海面粗糙度的影響，平均風速沿高度存在變化，該變化規律稱為平均風速梯度或者風剖面。一般用指數率或對數率描述平均風速沿高度的變化規律。脈動風則具有隨時間和空間變化的隨機性，通常假定其為具有零均值的平穩高斯隨機過程時間序列。其性能可用功率譜密度函數和相干函數來描述。功率譜密度函數可以反映脈動風中不同頻率風速對應的能量分布規律，水平脈動風速譜主要有Davenport譜、Kaimal譜和Harris譜等，豎向脈動風速譜有Panofsky-McCormick譜、Lumley-Panofsky譜等。在時域中脈動風的相關性一般用相關函數來表示，相關函數分為自相關函數和互相關函數。頻域中脈動風的相關性一般用相干函數來表示，風洞實驗和實測表明，相干函數是一條指數衰減曲線。

風荷載是海上風力發電機最主要的荷載，主要包括塔體風荷載和葉輪風機荷載。塔體風荷載計算較為簡單，其表達式為：

式中 為空氣密度，為有效迎風面積，為塔身阻力系數，為瞬時風速。

目前，葉輪風機荷載的理論計算方法主要有葉素-動量（BEM）理論、渦流理論和計算流體力學（CFD）理論。

Ingram等[1]運用葉素動量理論對風力渦輪葉片進行了分析，并指出理論不僅用于分析，同樣適用于設計。Lanzafame等[2]建立并改進了基于葉素動量理論的風機數值模型，并將數值模擬結果與文獻中的實驗數據進行對比，數據吻合較好。Duan等基于葉素動量理論，分析和計算正常運行時作用在葉片上的載荷，并利用有限元軟件ANSYS對葉片進行應力分析，得到其應力分布。Sebastian等開發了一個自由渦流模型代碼，并進行分析和實驗驗證，可用于海上浮動風力發電機空氣動力學研究。

目前，浮動式海上風力發電機風荷載作用下的動力響應主要通過有限元軟件進行模擬，由于理論計算方法選擇各有差異，模擬的精確度也是各不相同，浮動式海上風力發電機作用荷載理論有待于深入研究，具體的荷載計算公式，耦合方法，載荷模擬程序等都需要精細化研究。

3 浮動式海上風力發電機振動控制研究

海上風力發電機在各種頻譜特性不同的環境激勵以及本身發電機偏置等因素作用下，風力發電機支撐系統有發生共振的可能，使得支撐系統與風機產生疲勞，縮短壽命。因此風機能否處于正常工作狀態，主要由支撐系統在各種動荷載作用下的剛度與穩定性決定，盡管調節發電機的參數和機艙質量能夠調整各自剛度避開共振作用，但是由于復雜的激勵作用風機頂部的振動仍需用過耗能減振措施來控制。

Enevoldsen等[3]通過引入質量阻尼器來降低風力發電機塔架的動態響應和解決疲勞載荷的問題。Hirayama等[4]提出了一種用于減少波浪運動的氣動式主動控制裝置，適用于大型浮動式結構（VLFS），通過控制空氣罐內的氣壓來實現對結構運動和偏轉的主動控制。邱錦英[5]針對1.5MW和2.0MW風力發電機組進行分析，提出采用了在轉矩控制中增加阻尼頻率的方法來抑制傳動鏈的扭曲振動，并在槳距角控制中引入一微擾阻尼來減小塔架前后的振動。

從目前研究情況來看，振動控制的形式十分單調，以傳統的TMD與TLCD為主，而振動控制又是比較重要的一個方面，也是未來海上風力發電機研究的大趨勢。目前SMA彈簧已經初步實現，考慮結合TMD提出新的振動控制裝置，并將其應用到輸電塔結構中，利用有限元軟件ANSYS實現輸電塔在SMA-TMD下的振動控制。結構形式不同，原理相同，SMA-TMD的研究思路以及研究方法同樣可以應用到海上風力發電機結構中。

4 總結與展望

浮動式海上風電機逐漸進軍深海領域，作為一種清潔能源，也是未來海上風電的大趨勢。目前國內僅有少數幾個團隊在海上風力發電機的研究方面有所涉及，很多有關海上風電的研究領域幾乎空白，總結國內外研究成果，認為在以下幾個方面值得關注：

1）關于各種海洋環境荷載的作用形式、組合方式、頻譜模型以及相應的參數取值，耦合荷載的實現方式（編程實現）也是研究重點，提出合理的模擬方法與理論模型，作為有限元模型的激勵荷載。

2）目前，關于浮動式海上風力發電機振動控制方面的研究鮮有涉及，提出合理的控制策略，研發新型減振裝置。振動控制同樣可以結合浮動式海上風力發電機試驗，將減振裝置應用于試驗模型，有控與無控結果作對比，驗證減振裝置的有效性與合理性。

參考文獻

[1]Ingram G.Wind turbine blade analysis using the blade element momentum method.version 1.0[J].School of Engineering，Durham University，UK，2005.

[2]Lanzafame R，Messina M.Fluid dynamics wind turbine design：Critical analysis，optimization and application of BEM theory[J].Renewable energy，2007，32（14）：2291-2305.

[3]Enevoldsen I，M?rk K J.Effects of a vibration mass damper in a wind turbine tower[J].Journal of Structural Mechanics，1996，24（2）：155-187.

[4]Hirayama T，Ma N.Dynamic response of a very large floating structure with active pneumatic control[C].The Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference.International Society of Offshore and Polar Engineers，1997.

[5]邱錦英.風力發電機組振動分析及加阻控制研究[D].哈爾濱工業大學，2010.