浮式風機動力響應分析關鍵技術綜述

胡志強

（1. 紐卡斯爾大學工程學院，英國 紐卡斯爾 NE1 7RU；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

為減緩全球氣候變暖，降低CO2排放量，海洋可再生能源的開發與利用正受世界各國的廣泛關注，其中海洋風能開發的前景最為廣闊。海洋風能開發用到的主要裝備是風機，雖然固定式風機是當前的主力裝備，但隨著近海空間資源日益減少，海洋風電開發必然會從近海走向遠海，主力裝備必然會由固定式風機變為浮式風機。相比固定式風機，浮式風機距離海岸線更遠，水深更深，會帶來成本控制方面的挑戰。但是，浮式風機的商業化優勢也十分明顯，主要體現在風速常年穩定、優質風能比例高、風機功率更大、風電場開發空間局限性小和視覺污染少等方面。圖1為風機基礎成本隨水深的變化[1]，解釋了為控制成本，隨水深增加而使用浮式風機的必然性。近幾年，歐洲浮式風機的發展十分迅速，例如：2017年9月，世界上第一個商用浮式風電場Hywind Pilot Park在英國Peterhead建成投產[2]，標志著海洋風電正式邁入浮式風電時代；目前歐洲正在建設Hywind Tampen風電場，預計2022年建成。我國的海洋可再生能源儲量豐富，當前正在積極發展可再生能源，以減少對化石能源的依賴，履行《巴黎協定》的有關要求。海洋風能開發合作是近年來國際合作的熱點之一。例如，2019年英國政府設立“繁榮中國”基金，旨在推動中英兩國在海洋可再生能源領域的科研和工程合作[3]。但是，我國目前的海洋風電開發仍主要采用固定式風機產品，尚未深入研究浮式風機示范產品，技術方面有進一步發展的空間。本文主要對浮式風機動力響應分析和預報技術的發展情況和存在的問題進行總結，為浮式風機開發設計中的關鍵技術研究提供參考。

圖1 風機基礎成本隨水深的變化

浮式風機相比固定式風機，無作用在固定邊界上的支反力條件，取而代之的是慣性力與外界載荷的動態平衡。該動態平衡特征決定了浮式風機動力響應與固定式風機動力響應的顯著區別，主要包括：

1) 支撐平臺六自由度運動。不同的支撐平臺具有不同的水動力特性，例如Hywind采用單柱式平臺，設計人員主要關心其縱蕩、垂蕩、縱搖和艏搖運動。平臺的運動特性決定了系泊系統承受的載荷，平臺運動對長柔性葉片的結構動力響應有一定的影響。平臺運動幅度對機艙內部機械設備的工作狀態有一定的影響。例如，Hywind風機在大部分工作狀態下呈7°～10°的傾角，影響機械設備潤滑油的均勻流動。

2) 系泊系統載荷響應。系泊系統載荷響應是指其在各種海況下承受的張力載荷。與傳統海洋平臺系泊系統設計不同，浮式風機的系泊系統設計不能追求過高的安全系數，這是因為浮式風機數量多，安全系數設計過高會導致系泊系統成本顯著上升。系泊系統成本控制是浮式風機工程設計的最大挑戰之一，該問題已在英國Hywind風電場實際運營中得到證實[4]。因此，在設計階段需準確預報和分析系泊系統在不同海況下承受的張力載荷，從而選擇合理的系泊系統主尺度參數。此外，如何對浮式風機系泊系統進行實時監測及如何清理錨鏈上的海生物也是Hywind風電場運營商Equinor公司提出的問題[4]。

3) 塔架和葉片結構響應。由于支撐平臺六自由運動的影響，浮式風機塔架和葉片的結構應力水平與固定式風機有所不同。但是，對于風力機來說，支撐平臺運動和系泊系統起到了一定的緩沖作用，能降低惡劣海況條件下的結構應力水平，體現出“以柔克剛”的特點。在當前的技術條件下，大部分葉片結構強度分析計算和校核都忽略了平臺運動的影響，而當葉片的尺寸很大時，平臺運動引起的慣性載荷會對長柔葉片的結構響應產生一定的影響，這是未來浮式風機動力響應分析技術發展需關注的問題。

4) 葉片槳距角控制方法。通過對葉片的槳距角進行控制，保證風機滿功率發電。固定式風機通常采用的葉輪推力恒定原則不能直接應用到浮式風機槳距角控制中，取而代之的是葉輪轉矩恒定原則，這是因為浮式風機存在負阻尼問題[5]，會影響風機整體的動力特性[6]。

除了動力響應自身的特點之外，浮式風機動力響應的分析方法也與傳統固定式風機和海洋浮式結構物的分析方法有所不同。浮式風機動力響應分析方法的特點如下。

1) 多學科優化技術。海洋浮式風機是綜合空氣動力學、水動力學、結構動力學、機械力學和自動控制等多學科技術的新型海上能源裝備，其承受的各種環境載荷、部件運動、結構振動響應和相應的控制系統執行響應都高度耦合，相互影響。雖然當前浮式風機的耦合動力特性仍未完全清楚，但可確定浮式風機系統設計是一個多學科優化過程，其動力響應分析需采用非線性時歷分析方法。

2) 剛柔耦合多體動力學和解析計算方法。海洋浮式風機是一個復雜的剛柔耦合多體系統。風機結構中變形很小或有變形但不影響其整體運動特性的部分可簡化為剛體，包括支撐平臺、輪轂和機艙，以簡化計算模型；風機葉片和錨鏈等細長結構可模擬為柔性體；風機塔架可模擬為彈性體。適用于剛體、彈性體和柔性體動力響應分析的理論和計算方法有所不同，這對數學模型的建立和數學計算工具的選擇提出了很高的要求。

3) 傳統水池模型試驗技術不能完全適用。在海洋工程領域，水池模型試驗是準確預報浮式結構物動力響應情況的可靠技術之一，但存在諸多技術挑戰，其中尺度效應是最大的挑戰之一，因為傳統的試驗技術無法將模型尺度的試驗結果直接轉換成實型尺度結果（這是由于雷諾數相似與弗勞德數相似無法同時滿足）。此外，開放水池條件下的穩定風場制造技術、模型葉片的空氣動力性能模擬設計技術、測試儀器質量控制技術、槳距角控制機構的模擬技術等，都是采用水池模型試驗技術開展浮式風機動力響應分析研究中亟待解決的問題。

4) 計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）數值仿真的可靠性和可行性問題。CFD數值仿真技術在水動力領域取得了長足的進展，逐步應用到了海洋浮式風機動力響應分析領域中。OC6項目的主要目的之一是通過與水池模型試驗數據相對比，驗證將CFD數值仿真技術應用到浮式風機動力響應分析中的可靠性。CFD數值仿真技術具有適用范圍廣、直觀性強和能獲取豐富的數值結果等優點，但也存在計算成本高、結果的準確性依賴于使用者的經驗等不足。

1 浮式風機動力響應

浮式風機在復雜海洋環境條件下作業時會受到風載荷、波浪載荷、海流載荷、作業載荷和重力載荷等載荷的聯合作用，其中：風載荷采用經典葉素動量理論計算；波浪載荷采用勢流理論和Morison公式計算；海流載荷采用船級社經驗公式計算。從動力響應分析的角度看，這些計算方法已能提供精度較高的計算結果，且計算速度較快。高精度的載荷計算方法會顯著增加計算成本，本文不予討論。

下面主要從剛柔耦合多體動力學方法、支撐平臺六自由度運動和系泊系統結構動力響應等3個方面闡述浮式風機動力響應的分析技術和工程設計人員關注的關鍵問題。

1.1 剛柔耦合多體動力學方法

浮式風機系統動力性能分析屬于典型的剛柔耦合多體動力學研究。海上浮式風機的槳葉結構不僅細長、通常工作于高速狀態，而且易受漂浮式支撐平臺大范圍運動的影響。在浮式風機系統中，基礎平臺的剛體運動和塔架、葉片結構的柔性變形同時出現，且相互耦合、相互作用，其強非線性、高耦合性、坐標系統定義和數學計算方法都是浮式風機動力性能分析的挑戰。CHEN等[7]、陳嘉豪[8]和劉格梁[9]對浮式風機剛柔耦合多體動力學模型進行研究，給出了適用于浮式風機的旋轉懸臂梁模型和多體動力學運動傳遞模型（見圖2[7]），這些模型是在卡爾丹角坐標系定義基礎上建立的。圖3為浮式風機剛柔耦合多體模型示意。LEMMER等[10]在介紹SLOW程序時闡述了該機理。

圖2 浮式風機剛柔耦合多體動力學模型示意

圖3 浮式風機剛柔耦合多體模型示意

剛柔耦合多體動力學模型的數學求解方法也是浮式風機動力性能分析的一項關鍵技術。凱恩方程[11]是一個比較好的數學求解方法，具有邊界約束小、計算速度快和適于編程求解的特點。LIKINS[12]提出的“混合坐標動力學模型”也可描述剛柔耦合多體系統的動力學行為。目前，浮式風機領域應用較廣泛的FAST和HAWC2等軟件都是在剛柔耦合多體動力學模型的基礎上建立的。

1.2 支撐平臺六自由度運動

與固定式風機相比，浮式風機最大的不同是其支撐平臺的六自由度運動影響。與傳統的海洋平臺相比，浮式風機支撐平臺六自由度運動主要有2個特點：

1) 巨大的葉輪轉動面承受風載荷，使得平臺六自由度運動表現出明顯的低頻運動特性；

2) 六自由度運動之間的相互影響比傳統浮式平臺運動復雜，表現出較多的運動耦合性能。

MA等[13]針對Hywind單柱式風機六自由度運動特性的研究充分體現了以上2個特點。Hywind浮式風機運動表現出明顯的低頻特性和縱搖/垂蕩/縱蕩運動之間的耦合特性。以Hywind平臺垂蕩運動響應譜曲線（見圖4）為例，當只有波浪作用時，平臺垂蕩運動響應譜曲線只表現出波頻峰值，這與傳統海洋平臺垂蕩運動性能一致；但是，當風、浪聯合作用時，除了波頻峰值以外，平臺垂蕩運動響應譜曲線增加了2個低頻峰值，這是平臺縱搖運動與縱蕩運動耦合響應引起的。

最初的浮式風機動力性能研究集中在Hywind單柱式浮式風機上。WAYMAN等[14]與美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）合作，較早開展了浮式風機運動耦合特性的研究，提出了MIT/NREL TLP和MIT/NREL SDB 2種浮式風機支撐平臺概念（2006年）。Hywind支撐平臺是細長型單柱結構，最初其水動力分析采用Morison公式（FAST 6.0軟件），以簡化數值計算。隨著更多的支撐平臺形式出現，例如Principle Power公司設計的半潛式海上浮式風機WindFloat[15-17]，NREL的DeepCWind半潛式浮式風機概念[18]，Ideol公司提出的Floatgen駁船式浮式風機，在這些概念方案中，波浪二階力非線性波浪載荷影響不能被忽略，因此波浪二階力逐步被加入后續程序開發中。LI等[19]利用SESAM軟件開展了波浪二階差頻力對浮式風機的影響。與傳統海洋平臺載荷分析不同，風載荷是浮式風機運動性能分析中的主導載荷。DUAN等[20]在Hywind浮式風機的渦激運動特性試驗研究中觀察到風載荷能明顯抑制支撐平臺的渦激運動幅度。TANG等[21]研究發現，半潛式浮式風機的縱蕩運動主要是風載荷主導，而垂蕩運動是波浪載荷主導的。LI等[22]在Hywind渦激運動研究中分析了各自由度運動與風浪流之間的耦合對應關系。此外，張力腿平臺浮式風機動力性能分析多采用模型試驗方法開展[23-24]，TLP浮式風機解析計算方法的挑戰性較高， VIJAY等[25]和SHEN等[26]通過建立數學模型研究了該類型浮式風機的運動特性。

圖4 Hywind單柱式平臺六自由度運動響應譜曲線

在浮式風機動力性能研究中，OC3項目[27]是體現國際合作的一個具有里程碑意義的項目。NREL提供了一個良好的浮式風機研究對象——Hywind概念，即單柱式浮式風機。通過OC3項目，NREL分享了5MW浮式風機設計資料[28]和葉片設計資料[29]，這是NREL在浮式風機研究領域的突出貢獻之一。OC4項目[30]和OC5項目[31-32]著眼于水池模型試驗技術和數值分析技術在平臺運動預報上的可靠性研究；OC6項目則將研究重點轉移到了CFD技術應用上。

負阻尼現象是浮式風機的一個獨特運動特性。由于風速的變化，風機葉片槳距角根據一定的策略調整，以保證額定輸出功率。但是，若將應用在固定式風機上的恒功率策略直接應用在浮式風機上，會產生負阻尼現象，導致風機搖擺運動產生共振，幅度增大，損傷風機結構。JONKMAN[6]詳細闡述了負阻尼產生的要素；LARSEN等[5]提出了浮式風機負阻尼抑制機制和方法。目前，浮式風機采用的槳距角控制策略采取的優化措施有2個，即：

1) 降低控制器的操作響應頻率，使其低于系統運動一階固有頻率，保證變槳動作不產生負阻尼；

2) 在額定功率處將轉速扭矩控制策略由適用于固定式風機的恒功率策略變成恒扭矩策略，這樣可保證變槳距角操作時不出現負阻尼現象。

1.3 系泊系統結構動力響應

浮式風機的系泊系統設計具有很大的挑戰，與海洋平臺系泊系統設計以安全性為首要目標不同，浮式風機系泊系統設計必須重點考慮如何降低成本。因此，浮式風機系泊系統必須兼顧安全性和經濟性，而兩者之間的矛盾使得準確預報動力響應顯得尤為重要。此外，風機葉輪旋轉產生的附加陀螺力矩也是由系泊系統承擔的。Hywind風機的系泊系統采用Delta line方式[33]的一個重要目的就是提高艏搖運動剛度。此外，浮式風機其他結構安全性問題，包括葉片和塔架結構的疲勞安全性能及分析方法，與固定式風機結構強度分析方法類似。

KARIMIRAD等[33-34]對懸鏈線式和張緊式系泊系統等Hywind系泊系統在作業海況和極端海況下的隨機動力特性進行了系統研究；同時，利用HAWC2軟件和USFOS軟件分析了塔架承受彎矩載荷特性，指出Hywind風機塔架彎矩載荷受到縱搖運動耦合效應、波頻載荷效應和塔架結構自振頻率的共同影響（見圖5）。

圖5 風浪聯合作用下Hywind風機塔架彎矩譜

GUEYDON等[35]給出了在時域場景下分析浮式風機結構疲勞強度的具體方法和流程。PROSKOVICS等[36]提出了浮式風機結構安全性的風險分析方法。鄧露等[37]采用FAST-Orcaflex軟件建立了海上浮式風機耦合動力模型，對系泊系統進行了分析，并提出了一套系泊系統設計方法。LI等[38]研究了Hywind在系泊系統部分失效場景下的動力性能，并指出了風機停機的必要性。

2 浮式風機動力響應分析技術

2.1 解析計算程序

解析計算具有速度快、成本低和計算精度高等特點，滿足工程應用的要求。海上浮式風機動力性能計算以氣動-水動-伺服-彈性耦合動力學模型為基礎，具有強非線性和耦合性，因此解析計算必須在時域范圍內開展。上述浮式風機動力響應分析技術和數學模型是編制解析計算程序的基礎。目前應用較為廣泛的軟件包括NREL的FAST[39]和OpenFAST程序[40]、丹麥RisoDTU的HAWC2程序[41]和Bladed程序[42]。此外，許多科研團隊都提出了數值計算程序，例如挪威NTNU大學的AeroDyn/SIMO/RIFLEX程序[43]、德國斯圖加特大學的SLOW程序[44]和本文提出的DARwind程序[7]等。在這些軟件中，FAST軟件應用最為廣泛。表1為浮式風機動力性能分析軟件匯總。

表1 浮式風機動力性能分析軟件匯總

表1中：BEM指葉素動量理論（Blade Element Momentum）；DS指動態失速（Dynamic Stall）；Airy指線微幅波理論（Airy波）；ME指莫里森公式（Morison’s Equation）；PF 指考慮輻射和繞射效應的勢流理論（Potential Flow）；QSCE 指準靜態懸鏈線方程（Quasi-Static Catenary Equations）；UDFD指用戶自定義的力-位移關系（User-Defined Force-Displacement Relationships）；FEM指有限元模型（Finite Element Method）。

2.2 水池模型試驗技術

2.2.1 研究進展

水池模型試驗技術是船舶與海洋工程領域常用的研究手段，可靠性較高，已應用到浮式風機動力響應研究中。例如：NIELSEN等[21]在挪威SintefOcean水池針對5MW 單柱式浮式風機進行了水池模型試驗研究；Principle Power公司對半潛式WindFloat浮式風機的第一階段設計方案進行了模型試驗[45]。隨著OC3項目的開展，從2011年開始，美國緬因州大學委托荷蘭MARIN水池開展了一系列水池模型試驗研究[46]。在浮式風機水池模型試驗研究領域，荷蘭MARIN水池開展了一些與單柱式和半潛式 5MW風機相關的水池試驗研究，并公開了一些重要的設計參數和試驗結果[47-48]，為相關研究的開展提供了很大的幫助。國內較早完整開展浮式風機水池模型試驗研究的是上海交通大學深水試驗池[49]。表2為具有代表性的浮式風機水池模型試驗研究總結。

表2 具有代表性的浮式風機模型試驗研究總結

2.2.2 面臨的技術挑戰

利用水池模型試驗技術開展浮式風機動力響應分析和研究，面臨著許多技術挑戰：

2.2.2.1 尺度效應問題

以弗勞德數相似為理論基礎，將水池試驗模型尺度結果換算成實型值，作為工程結構物在實際海況條件下的動力響應，這種轉換方法已被業界熟知和認可。該方法假設：與波浪載荷相比，風載荷被視為次要因素，因此忽略風載荷遵循的雷諾數相似準則。但是，對于浮式風機而言，風載荷是主導動力因素，因此雷諾數相似原則不能被忽略。在利用水池模型試驗技術進行研究和數據轉換過程中，不得不同時考慮弗勞德數相似和雷諾數相似。然而，根據雷諾數和弗勞德數的定義，從基本原理的角度出發，兩者是無法同時滿足的，滿足弗勞徳縮尺之后，模型雷諾數會比實型雷諾數小很多，即

式(1)中：Re為雷諾數；ρ為流體密度；v為流體速度；L為特征長度；μ為流體動力黏性系數；下標m為模型值；下標p為原型值；λ為縮尺比。這個矛盾帶來一個嚴峻的問題：利用傳統水池模型試驗技術獲得的浮式風機試驗結果無法直接換算成實型值。這是當前國際海洋浮式風電領域亟待解決的工程科學問題。

目前已有學者嘗試解決該問題。例如：MARTIN等[46]提出利用風洞精確測量風力載荷，同時用六自由度運動生成器模擬支撐平臺運動的方法；GOUPEE等[48]、NIELSEN等[50]和MATTHEW等[57-58]采用混合模型試驗方法，以圓盤取代葉輪轉動[53]，通過程序計算作用在葉片旋轉面上的風載荷，同時以水平纜繩組和張力輸出裝置實時模擬風載荷，以期解決雷諾數相似問題（見圖6）。但是，這些方法忽略了空氣動力性能與水動力性能的耦合效應，而該耦合效應對浮式風機動力響應的影響很大，忽略該因素有明顯不足。因此，在目前的技術條件下，研究人員不得不忽略一部分動力響應結果的精確性，以保證大部分試驗數據的可靠性。

圖6 挪威科技大學的STC浮式風機模型試驗

2.2.2.2 開放空間條件下的穩定風場制造技術

標準風洞雖然能準確模擬風，但通常不具備海洋工程模型試驗條件；循環水槽雖然同時具備風、浪、流的模擬條件，但通常設施尺度小，無法開展縮尺比為1:50～1:80的可靠工程試驗。因此，具有復雜造波功能、可調節水深、便于大范圍布置系泊系統的海洋工程水池，以及具有較大寬度的拖曳水池，是開展浮式風機模型試驗研究比較有利的設施。但是，海洋工程水池和拖曳水池通常不配備大尺度風洞，因此在開放空間條件下制造穩定的風場是十分重要的。DUAN等[49]強調了試驗風場在空間和時間上都呈現均勻性的重要性，并給出了測量方法和湍流度測量結果（見圖7）。

圖7 上海交通大學深水試驗池中的造風系統和風場湍流度測試結果

2.2.2.3 葉片模型設計與加工制作技術

與其他模型構件不同，浮式風機葉片模型的設計和制作并不完全符合幾何相似原則。若完全符合幾何相似原則，試驗條件下的空氣動力參數會顯著下降（見圖8中模型值的對應走勢）。葉片模型的截面形狀設計需根據翼型庫參數和氣動載荷相似原則進行試驗設計。圖8為FOWLER等[59]根據AG24葉片剖面形狀庫參數，依照“推力相似原則”設計的模型尺度葉片空氣動力特性對比。DUAN等[60]對葉片在“幾何相似原則”和“推力相似原則”下的空氣動力特性進行了對比分析。葉片模型的加工成本一般比較高，為符合質量相似原則，葉片模型可采用碳纖維材料制作加工。CHEN等[61]對不同葉片模型設計方案在模型試驗條件下體現的系統動力性能進行了對比研究。

圖8 根據“推力相似原則”設計的模型尺度葉片空氣動力特性對比

對于只在風洞內開展的試驗研究，BELLOLI[62]和BAYATU[63]提出試驗設計方法，將空氣動力學性能與結構動力性能相結合，通過迭代設計得到既滿足空氣動力推力性能，又滿足結構剛度性能的葉片模型，從而達到在風洞內進行試驗的目的。但是，該方法無法考慮空氣動力與水動力的耦合效應。

2.2.2.4 浮式風機系統慣量調節技術

受水池模型試驗測量儀器精度的限制，工業界普遍認可的可靠試驗縮尺比為1:80～1:50。在該范圍內，與船舶與海洋工程結構物相比，浮式風機系統的模型質量較小，這就對慣量調節技術提出了較高的精度要求。首先是支撐平臺模型慣量調節要求高，單柱式Spar支撐平臺（見圖9a）相比半潛式平臺（見圖9b），在質量慣性調節上的技術挑戰更大。這是因為單柱式平臺要求底部質量較大，而普通壓鐵體積大，不便操作。其次是葉片質量控制要求高，若沒有精確質量模擬，試驗中快速轉動的葉片結構必然影響系統動力響應的準備模擬。接著是測量儀器質量控制，尤其是布置在機艙范圍內的六分力儀、加速度儀和非接觸式燈球等，都要盡可能地選擇質量較小的。最后是線纜布置的合理性要求：

1) 線纜質量要作為模型質量考慮在內；

2) 線纜離開模型的位置要保證線纜不能對模型運動有約束影響（見圖9c）。

圖9 浮式風機質量慣性調節技術

此外，還有一些其他亟待解決的關鍵技術。例如：塔架彈性振動特性模擬技術，一般要求至少模擬塔架的一階振動特性，并忽略塔架的幾何相似特性；槳距角調節的水池模擬技術。嚴格的機艙質量限制條件使得只有輕質量的精密機械才能滿足條件，KOO等[47]和YU等[64]在丹麥DHI水池和荷蘭MARIN[39]水池中都對此進行了研究。

2.3 數值仿真技術

基于CFD的數值仿真技術已廣泛應用在流體動力學領域，但在浮式風機動力性能分析方面還有很多工作有待開展，例如CFD數值仿真的成本較高、周期長及計算結果的不確定性較大等問題有待解決。OC6項目旨在探索CFD技術在浮式風機動力性能研究中的可靠性和準確性；BARAKOS[65]介紹了利用CFD技術開展浮式風機耦合動力的研究成果；WAN等[66-67]基于CFD開源工具OpenFOAM和重疊網格技術開發了CFD數值求解器naoe-FOAM-SJTU，并利用該求解器對半潛式海上浮式風機進行了一系列研究，包括不同葉尖速比下的浮式風機耦合動力特性、風波聯合作用下的海上浮式風機平臺運動特性和海上浮式風機塔架對風機氣動性能影響等；HU等[68-69]開發了RIAM-CMEN數值仿真程序，利用CIP（Constrained Interpolation Profile）技術對九州大學提出的半潛式浮式風機方案（見圖10）進行了數值仿真研究，并與模型試驗相對比，驗證了其水動力性能。

圖10 九州大學半潛式浮式風機方案

2.4 浮式風機實測技術

海上浮式風機實測技術是重要的研究手段之一，在海上浮式風機商業化應用之前，通常需經過長期的實測試驗。2009年，挪威國家石油公司率先開展了實尺度的海上浮式風機樣機Hywind實測項目[70]，單機發電功率2.3MW，作業水深200m。2011年，Principal Power在葡萄牙開展了Windfloat半潛式浮式風機實測項目（見圖11）。其他的實測項目包括Blue H公司開展的張力腿式浮式風機中型尺度實測項目[71]、挪威Sway風機項目、法國Ideol公司的Floatgen海上浮式風機項目[24]和日本“Fukushima FORWARD”福島海上浮式風電場測試項目等。

但是，浮式風機實測研究成本高、風險大，實測數據價值很高。受一些商業因素限制，目前歐洲開展的浮式風機實測數據公開的內容十分有限。我國的浮式風電技術主要依靠自主研發。

圖11 Windfloat半潛式浮式風機實測項目

3 結 語

隨著浮式風機從近海走向遠海，發電功率提升和結構尺度大型化是必然的趨勢。“以柔克剛”是浮式風機未來高大化發展的基本設計理念，且浮式風機的剛柔耦合多體系統特性會越來越明顯。復雜的海洋工程結構承受著復雜的海洋環境載荷，其動力響應水平必然更加復雜。準確預報浮式風機的動力性能是其安全性和商業化的重要保障技術。

本文對近年來浮式風機動力響應預報的關鍵技術進行了總結，重點對解析計算方法和模型試驗技術進行了分析。隨著信息技術的迅猛發展，人工智能技術在風電領域的應用研究越來越多，目前主要集中在海洋風電場運維領域。可以預測，未來人工智能技術在風電其他領域會有較好的發展。