海上漂浮式風機動態響應敏感性參數分析

李 輝，張 凱，董曄弘

(中國船舶集團海裝風電股份有限公司研究院，北京 100097)

隨著海上風電開發的推進，風電場將由近海走向遠海，但水深的增加對風機基礎提出了更高的要求。如果深遠海依然采用固定式風機，整個風電場的成本將隨著水深的增加急劇上升，這使得深海風電場建設在經濟上變得不可行，而將風電機組安裝在漂浮式平臺上則可以很好地解決這一問題。

全球已經有Hywind Scotland與WindFloat Atlantic項目完成了漂浮式風電場建設，并有多種型式海上浮式風電研究項目在研發和測試中，證明了漂浮式風機技術可行性[1-2]。近年來不少學者對漂浮式風機涉及的關鍵技術展開了諸多研究[3-4]，但在設計參數對漂浮式風機動態響應影響規律上少有分析。漂浮式風機承受載荷復雜，設計參數很多，相同的設計方案在不同的設計參數下動態響應差別很大，這將影響整個裝備的安全性與經濟性，因此研究漂浮式風機對哪些設計參數變化比較敏感十分具有意義。

本文以中國海裝6.2 MW漂浮式風機參數，針對風浪流載荷單獨作用、風浪夾角、仿真時間和種子數量以及極端空轉偏航誤差角幾個參數進行了敏感性分析，研究各參數對整體動態響應的影響程度，從而為漂浮式風機設計提供參考。

1 分析方法

漂浮式風機同時遭受風浪流載荷，氣動載荷與水動載荷非線性耦合十分明顯，加上控制系統，整個結構動力特性十分復雜，因此必須進行一體化仿真分析結果才相對準確。而影響漂浮式風機動態響應的參數很多，選擇哪些參數進行敏感性分析十分關鍵。

1.1 一體化仿真方法

Deeplines Wind軟件中氣動載荷計算為AeroDeep模塊，其核心計算原理為葉素動量理論[5]。但為保證非定常湍流風作用下載荷計算精確性同時，需增加葉尖損失修正、動態尾流與失速修正以及塔影效應修正。由于浮式風電平臺屬于大尺度構件，頻域水動力分析需采用三維輻射/繞射方法。由于勢流理論沒有考慮粘性，所以粘性部分通過調用單獨的Morison模型進行。

系泊系統動力學模型是準確預報漂浮式風機動態響應的關鍵。目前，系泊模型的求解包括靜力和動力求解，其中靜力求解一般采用準靜態方法，動力求解包括集中質量法和細長桿等方法，Deeplines Wind軟件采用的方法為集中質量法。塔架風載荷和平臺風載荷的計算相對簡單，主要采用經驗公式方法進行計算，但要考慮風速剖面和海流剖面。

通過上述各部分求解，即可以得到初始狀態的風浪流載荷，然后在Deeplines Wind中進行時域耦合計算。在時域計算中需嵌入風電機組控制系統，基本控制策略為額定風速以下，保持槳距角不變，調整葉輪轉速和轉矩，使機組達到最大發電功率；達到額定風速以上時，調整槳距角，使機組發電功率保持在額定功率附近。時域分析中漂浮式風機運動方程[6]可以描述為：

(1)

式中：M為結構物廣義質量矩陣；m為結構物的附加質量矩陣；K(t-τ)為系統的延遲函數；C為系統的靜水恢復力矩陣；F(t)為作用于結構物的廣義力矩陣。

Deeplines Wind一體化仿真分析流程如圖1所示，由于同時考慮氣動載荷、水動載荷、系泊載荷與控制系統的耦合，軟件計算時間較長。

圖1 一體化仿真分析流程

1.2 敏感性分析方法

對于已經確定總體設計方案的漂浮式風機，機組參數、基礎與系泊參數將不會輕易變化，而最容易變化的參數就是環境條件和分析參數。

漂浮式風機屬于海洋工程結構和風電機組的組合結構，按照規范要求，傳統海洋工程結構物時域分析為3 h，隨機種子數量一般為3個，而風電機組載荷時域計算常規時間為10 min，隨機種子數量為6個[7]。二者差別較大，不同的仿真時間和種子數將會對仿真結果產生較大影響。在極端空轉工況，由于風機脫網，偏航系統會出現斷電不能實時對風的狀態，此時機組風載荷將會變大。規范建議在仿真中設置不同的偏航誤差角度，而不同的誤差角對整體響應的影響會有不同。

漂浮式風機同時遭受風浪流載荷，不同機組狀態和工況時，風浪流單獨作用對整體產生的影響會有所不同，分析不同工況載荷的主要貢獻，將會對整個風機的安全和設計優化具有重要意義。實際風浪并不一定總是同向，不同的風浪夾角時，漂浮式風機動態響應將會有所不同，按照規范的建議和設計經驗，風浪夾角一般取0-90deg。因此本文選擇不同仿真時間和種子數、風浪流單獨作用、風浪夾角以及極端偏航誤差角四個參數進行敏感性分析。

漂浮式風機動態響應分析結果很多，本文根據結果的重要性和代表性，選擇了整體六自由度運動響應、錨鏈有效張力、塔底載荷、輪轂載荷以及機艙加速度進行敏感性分析。漂浮式風機一體化仿真分析的工況非常多，動態響應結果與機組發電狀態、初始受力狀態以及環境條件組合方式等直接相關，本文根據漂浮式風機自身的特點和規范建議的典型狀態[8]，挑選了代表性工況進行敏感性參數分析。綜上所述，本文進行漂浮式風機動態響應敏感性參數分析的流程如圖2所示。

圖2 敏感性分析流程

2 算例參數

本文基于海裝漂浮式風機項目參數，建立整個漂浮式風機一體化仿真模型，下面分別給出各部分基本參數[9]。

2.1 機組參數

本漂浮式風電機組主要參數見表1。

表1 風電機組主要參數

2.2 平臺參數

本漂浮式風機平臺主要參數見表2。

表2 半潛型漂浮式平臺主要參數

2.3 系泊參數

根據項目總體方案，本漂浮式風機系泊系統為懸鏈線式，主要參數見表3，錨鏈布置如圖3所示。

表3 系泊系統參數

圖3 錨鏈布置

2.4 工況參數

根據設計參數，本文選擇的代表性工況參數見表4，基于上述參數建立的一體化仿真模型如圖4所示。

表4 敏感性分析工況參數

圖4 一體化仿真模型

3 敏感性參數分析

根據目標海域環境條件和總體設計方案，分析不同仿真時間和種子數量、風浪流載荷單獨作用、風浪夾角、極端偏航誤差角對漂浮式風機動態響應的影響，有利于判別整個裝備的危險狀態、尋找設計優化的方向以及載荷變化的規律。

3.1 仿真時間和種子數

根據以往設計經驗和規范推薦，一體化仿真總時間分別選擇10 min、1 h和3 h，根據各工況仿真時間換算出來10 min仿真種子數量分別為1/6/12/18，1 h仿真種子數量分別為1/3/6，3 h仿真種子數量分別為1/2。后處理中選擇可以反應各部分動態響應的計算結果來研究變化規律，主要包括平臺6自由度運動、錨鏈張力、塔底載荷、輪轂載荷以及機艙加速度，具體計算結果如表5所示。

表5 不同仿真時間和種子數量計算結果

根據計算結果，分別以1 h仿真時間結果和6個種子數量結果為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布分別如圖5和圖6所示。可以看出，發電工況仿真時間主要影響機組載荷結果，最大相對誤差接近20%，其中1 h和3 h載荷結果更為接近。空轉工況由于風機順槳，浪流載荷變大，整體動態響應受仿真時間影響明顯增大，其中1 h和3 h仿真結果相差不大，因此漂浮式風機采用1 h的仿真時間可以滿足基本設計要求。而10 min仿真時間采用不同種子數量的影響最大，最大誤差超過30%，整體動態響應結果當種子數量達到12個時結果相對準確。1 h仿真時間，種子數量達到3個時結果相對準確，3 h仿真時間單個種子結果可以包絡10 min和1 h多種子數量的結果。

圖5 不同仿真時間最大相對誤差分布

圖6 不同種子數最大相對誤差分布

綜合來看，漂浮式風機受仿真時間和種子數影響比較明顯，極端發電工況和極端空轉工況環境條件惡劣，采用1 h仿真時間和3個種子數量會比較可靠。而正常發電工況，單工況可以采用10 min仿真時間，但種子數量至少要12個，仿真結果會相對可靠。

3.2 風浪流載荷單獨作用

為了評估風浪流載荷對整個風電裝備作用效果，分別使用單純風、單純浪、單純流以及風浪流工況進行一體化仿真分析，代表計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 運動響應分析結果

圖8 塔底載荷分析結果

根據計算結果，以風浪流組合工況為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布如圖9所示。可以看出運動響應和錨鏈張力受風載荷的影響較小，主要以浪流作用為主，最大偏差接近90%，波浪主要影響幅值，海流影響均值。發電工況塔底載荷和機艙加速度主要以風載荷為主，浪流載荷響應次之。極端空轉工況塔底載荷和機艙加速度同時受風浪流載荷影響，最大相對誤差接近80%。無論是發電工況還是極端空轉工況，輪轂載荷都是以風載荷作用為主，波浪和海流對輪轂載荷影響不大。

圖9 風浪流組合工況最大相對誤差分布

3.3 風浪夾角

為了分析不同的風浪夾角對整體動態響應影響，選擇風浪夾角分別為0/15/30/60/90 deg進行仿真分析，代表計算結果如圖10、圖11所示。

圖10 運動響應分析結果

圖11 機艙加速度分析結果

根據計算結果，以風浪流同向為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布如圖12所示。可以看出發電工況風浪夾角對機組極值載荷影響不大，但對運動響應和錨鏈張力影響較大，最大誤差可以達到40%。空轉工況風浪夾角對整個裝備動態響應均有較大影響，最大機組載荷可以達到90%。隨著風浪夾角增大，極值載荷有所減小，說明風浪有夾角時產生的載荷有所抵消。但不管是發電工況還是空轉工況，風浪流同向時漂浮式風機動態響應最大。

圖12 風浪流同向最大相對誤差分布

3.4 極端偏航誤差角

極端空轉狀態，偏航系統斷電時會產生較大偏航誤差角，從而影響整個漂浮式風機受力狀態。根據以往經驗和規范要求，選擇代表性0/90/180/270 deg誤差角進行一體化仿真分析，主要結果如圖13、圖14所示。

圖13 塔底載荷分析結果

圖14 輪轂載荷分析結果

根據計算結果，以0 deg誤差角結果為參考基準值進行相對誤差分析，最大相對誤差值分布如圖15所示。可以看出，極端偏航角誤差對整體運動響應和錨鏈最大張力的影響較小，誤差值都在10%以內。但隨著偏航誤差角的變化，塔底載荷、機艙加速度和輪轂載荷變化較多，尤其是90 deg和270 deg偏航誤差角，載荷最大相對誤差達到200%，說明偏航角誤差對機組載荷影響很大，因此在極端空轉工況保證機組能實時對風是必要的。

圖15 最大相對誤差分布

4 結 語

本文針對不同仿真時間和種子數量、風浪流載荷單獨作用、風浪夾角以及極端偏航誤差角幾個變量進行了敏感性參數分析，得到以下結論：

1)仿真時間和種子數量對漂浮式風機動態響應影響較大，正常發電工況可以使用10 min仿真，但種子數要至少12個；極端發電和極端空轉工況，環境條件惡劣，采用1h仿真和3個種子數結果會更準確。表明漂浮式風機非線性耦合更強，需要結合整個裝備方案選擇合理的仿真時間和種子數量，才能保證仿真結果的準確性。

2)運動響應和錨鏈張力幅值主要受浪流作用，發電工況塔底載荷和機艙加速度主要以風載荷為主，極端空轉工況塔底載荷和機艙加速度同時受風浪流載荷影響。因此在已知環境條件時，可根據風浪流作用效果，對基礎性能進行比較。

3)發電工況風浪夾角主要影響運動響應和錨鏈張力，最大相對誤差可以達到40%。空轉工況風浪夾角對整個裝備動態響應均有較大影響，隨著風浪夾角增大，極值載荷有所減小，說明風浪有夾角時產生的載荷有所抵消。因此根據已知環境條件分布，合理布置浮式風機位置，結合控制策略，對降低整體響應，提高使用壽命十分有用。

4)極端偏航誤差角對平臺運動和錨鏈張力影響不大，但對機組載荷影響明顯，尤其是90°和270°誤差角，因此漂浮式風機須配置備用柴油發電機給偏航系統供電，以保證在風機脫網時機組仍能實時對風。

本文計算結果只是針對海裝6.2 MW機組和半潛型漂浮式風電平臺以及懸鏈線式系泊的計算結果，但對其它浮式風電項目設計具有一定的參考意義。當采用不同的機組型式、平臺類型和系泊系統時，在批量仿真之前建議進行敏感性參數分析，這對仿真工況定義、風電裝備安全性評估、方案選型和優化十分必要。