漂浮式海上风电机组研究与设计
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析近年来，海上漂浮式风力发电技术的发展迅速，其具有位置灵活性、资源充足等优点，快速发展成为海洋可再生能源发电的重要方式。
但是，由于海上漂浮式风力发电机组是一种特殊的结构，它面临着海上恶劣的环境条件，特别是大幅度海浪和风场变化带来的预期外力给机组带来了一定的风波载荷，不仅会给机组的安全性和可靠性带来威胁，同时也会影响机组的发电效率和运行可靠性。
因此，如何准确的计算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷，对于保障其安全、可靠运行至关重要。
首先，为了准确计算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷，必须理解其规律性和特点。
根据海洋力学理论，风浪载荷主要有水平力矩、水平拉力和垂直水平力三种，其中水平力矩和水平拉力载荷是海上机组移动、活动和偏斜等运动带来的，垂直水平力是机组在海浪作用下抵抗力的体现，而它们彼此相互作用、相互影响，才构成了海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
其次，一般采用数值模拟的方式来分析风波载荷的影响。
模拟的主要流程是：确定所需的模型参数（如：机组几何特征、海浪特征），然后采用非线性有限元方法在运动的海浪场下分析机组的力学响应，并由此获得内力应力分布，最后得到相应的风波载荷能够得到准确估算。
另外，目前有一些模型或方法被用于计算风波载荷。
采用经典风波理论剖面法时，可以根据浪高、周期、频率等参数，计算出机组上的风波载荷信息。
此外，由于大型海洋计算流体力学（CFD）的发展，也可以采用CFD模拟来估算风波载荷。
CFD模拟首先要建立风波流动场的模型，然后将机组模型放入模拟场中，最后分析机组受力情况，从而得到相应的风波载荷数据。
最后，可以采用改进型模型来估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
例如，首先计算出某一点的风浪水平力矩，然后计算该点处海浪作用下的抵抗力，从而估算出海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
综上所述，准确估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷对于保障机组的安全性和可靠运行至关重要，计算海上机组受力情况必须从理解载荷规律特点和数值模拟进行，并可以采用已有的模型或方法，也可以采用改进模型来分析和估算海上漂浮式风力发电机组的风波载荷。
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则以漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则为标题随着对可再生能源的需求不断增加，风能作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
而在海洋中，海上风电机组成为了一种重要的风能利用形式。
相较于陆上风电机组，海上风电机组具有更稳定的风能资源、更大的发电潜力和更少的环境影响。
在海上风电机组中，漂浮式风电机组由于其灵活性和适应性而备受瞩目。
本文将就漂浮式海上风电机组的基础及系泊系统设计进行探讨。
1. 漂浮式海上风电机组基础设计导则漂浮式海上风电机组的基础设计是确保机组稳定性和安全性的关键。
首先，基础设计要充分考虑海洋环境的复杂性，包括海浪、风力和潮流等因素。
基础结构需要具备足够的刚度和稳定性，以抵抗海浪和风力的冲击。
同时，基础结构还需要具备良好的防腐性能，以应对海水的腐蚀。
基础设计还需要考虑到机组的安装和维护便利性。
基础结构应该能够支持机组的安装和维护，同时提供足够的空间和设施供人员操作。
基础设计还应考虑到环境保护因素。
在设计过程中要充分考虑到海洋生态环境的保护，避免对海洋生物和海洋生态系统造成过大的影响。
2. 漂浮式海上风电机组系泊系统设计导则漂浮式海上风电机组的系泊系统是确保机组稳定性和位置控制的核心。
首先，系泊系统设计要充分考虑到风力和海流对机组的影响。
系泊系统需要具备足够的刚性和强度，以抵抗外力的作用。
同时，系泊系统还需要具备一定的伸缩性，以应对海浪和风力的变化。
系泊系统设计还需要考虑到机组的位置控制。
通过合理的系泊设计，可以实现对机组位置的控制和调整，以确保机组始终处于最佳的发电位置。
系泊系统设计还应考虑到安全性和可靠性。
系泊系统需要具备足够的安全保障措施，以应对异常情况的发生。
同时，系泊系统还需要具备一定的可靠性，以确保机组的长期稳定运行。
漂浮式海上风电机组的基础及系泊系统设计是确保机组稳定性和安全性的关键。
基础设计需要考虑到海洋环境的复杂性和机组的安装维护便利性，系泊系统设计需要考虑到风力和海流的影响以及机组的位置控制和安全可靠性。
浮动式海上风力发电机荷载及振动控制研究进展
浮动式海上风力发电机荷载及振动控制研究进展本文通过浮动式海上风力发电机所受风荷载及其振动控制研究进行了分析总结，分析了目前荷载计算方法及振动控制方法的有效性及合理性，对今后风荷载模拟方法选用及振动控制方面的研究奠定基础。
标签：海上风力发电机;风荷载研究;振动控制分析;发展展望1 引言目前海上风力发电的开发主要集中在欧洲。
近年来，北美、亚洲各国也加入到海上风电的开发行列，使得海上风电的研究更加深入。
虽然我国拥有丰富的海上风能资源，但海上风电进展迟缓，技术尚不完备。
由于海上风电相比于陆上风电，所处环境更为复杂，面临大风、海浪、潮汐、海啸以及地震等灾害的侵扰，海上风力发电技术朝着单机容量大型化、发电机组设备技术化、风场区域深海化的趋势发展。
面对新的发展趋势，浅海域风力发电场的发展已经不能满足风能发展的要求，海上风电场将进军深海领域，因此浮动式海上风力发电机的发展前景愈加广阔。
本文结合国内外研究成果，总结了浮动式海上风力发电机的作用荷载及在其振动控制方面的研究现状，并根据研究现状对海上风力发电机的未来研究问题进行了展望。
2 浮动式海上风力发电机风荷载研究空气流动变产生风，风的强弱用风速表示。
通常认为瞬时风速由平均风和脉动风两部分组成。
受海面粗糙度的影响，平均风速沿高度存在变化，该变化规律称为平均风速梯度或者风剖面。
一般用指数率或对数率描述平均风速沿高度的变化规律。
脉动风则具有随时间和空间变化的随机性，通常假定其为具有零均值的平稳高斯随机过程时间序列。
其性能可用功率谱密度函数和相干函数来描述。
功率谱密度函数可以反映脉动风中不同频率风速对应的能量分布规律，水平脉动风速谱主要有Davenport谱、Kaimal谱和Harris谱等，竖向脉动风速谱有Panofsky-McCormick谱、Lumley-Panofsky谱等。
在时域中脉动风的相关性一般用相关函数来表示，相关函数分为自相关函数和互相关函数。
频域中脉动风的相关性一般用相干函数来表示，风洞实验和实测表明，相干函数是一条指数衰减曲线。
漂浮式海上风电机组工作原理
漂浮式海上风电机组工作原理漂浮式海上风电机组是一种将风力发电机悬挂在水面上的浮动结构上的海上风电技术。
其主要工作原理涉及浮动结构、支撑结构以及风力发电机的协同工作。
以下是漂浮式海上风电机组的基本工作原理：
1. 浮动结构：
•漂浮式海上风电机组采用浮动结构，通常是一种能够在海洋表面上漂浮的平台。
这个浮动结构允许整个风电机组随着海浪的起伏而浮动。
2. 支撑结构：
•浮动式风电机组的浮动结构通过支撑结构与海底连接，可以采用柱状支撑、悬挂式支撑等形式。
支撑结构的设计旨在提供足够的稳定性，以应对海上波浪和风力条件。
3. 风力发电机：
•在浮动结构上安装有风力发电机组，通常是垂直轴风力机或水平轴风力机。
这些发电机通过风力转动，产生机械能。
4. 电力传输：
•风力发电机产生的机械能被转换成电能，通过电缆或其他电力传输系统将电能传输到岸上电网。
5. 浮动控制系统：
•为了维持风电机组的平衡，漂浮式海上风电机组通常配备有浮动控制系统。
这个系统可以通过感知海浪和风力状况，调整浮动结构的姿态，保持风电机组的稳定性。
漂浮式海上风电机组的优势在于可以在深海等水域进行布局，不受水深限制，同时减轻了对海底基础设施的依赖。
这种技术的发展有望进一步推动海上风电的应用，提高风电的可持续性和经济性。
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则
漂浮式海上风电机组基础及系泊系统设计导则漂浮式海上风电机组是一种利用风能发电的装置，它可以在海上进行安装和运行。
为了确保机组的稳定性和安全性，需要设计合适的基础和系泊系统。
本文将介绍漂浮式海上风电机组基础及系泊系统的设计导则。
一、基础设计导则1. 基础类型选择：根据海洋环境条件和机组规模，选择合适的基础类型，常见的有浮式基础、半浮式基础和沉管基础等。
浮式基础适用于较浅的海域，半浮式基础适用于中等深度的海域，沉管基础适用于深海。
2. 基础材料选择：考虑到海水的腐蚀性和机组的重量，基础材料需要具备良好的耐腐蚀性和强度。
常见的基础材料有混凝土、钢材和复合材料等，选择合适的材料可以提高基础的稳定性和耐久性。
3. 基础形状设计：基础的形状设计应考虑到机组的重心和风力对基础的影响。
合理的基础形状可以减小基础的倾斜和摇晃，提高机组的稳定性。
常见的基础形状有圆形、方形和多边形等。
4. 基础固定方式设计：基础的固定方式有锚链固定、钢缆固定和锚桩固定等。
选择合适的固定方式可以提高基础的稳定性和抗风性能。
同时，还需要考虑到基础的安装和维护便捷性。
二、系泊系统设计导则1. 系泊系统类型选择：根据基础类型和海洋环境条件，选择合适的系泊系统类型。
常见的系泊系统类型有单点系泊、多点系泊和主动控制系泊等。
单点系泊适用于浅海区域，多点系泊适用于中等深度的海域，主动控制系泊适用于深海。
2. 系泊系统材料选择：系泊系统的材料需要具备良好的耐腐蚀性和强度。
常见的系泊系统材料有钢材和合成材料等，选择合适的材料可以提高系统的耐久性和可靠性。
3. 系泊系统布置设计：系泊系统的布置设计应考虑到基础的形状和机组的重心。
合理的布置设计可以减小系泊系统的摆动和张力，提高机组的稳定性。
同时，还需要考虑到系统的安装和维护便捷性。
4. 系泊系统参数计算：根据机组的重量、风力和海洋环境条件，计算系泊系统的参数，包括锚链长度、钢缆长度和系泊点位置等。
合理的参数计算可以确保系统的稳定性和抗风性能。
深海漂浮式风力机研究及最新进展
软件参与 Ｉ Ｅ Ａ Ｗｉ ｎ ｄ Ａ ｎ ｎ ｅ ｘ Ｘ Ｘ ｌ Ｉ Ｉ （ 国际能源署风能 第２ ３ 任务组 ） 第二子任务组的海上风力机设计程序
比较 （ ｏｃ ３ ， Ｏ ｆ ｆ ｓ ｈ ｏ ｒ ｅ Ｃ ｏ ｄ ｅ Ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ） 项 目， 研究 了 基 准 的 ５ ＭＷ Ｓ ｐ ａ ｒ 平 台漂 浮式 风 力 机
来很多研究者延续这个概念设计 ， 或者采用偏 心式 布置风力机 ， 直接将风力的塔架作为平 台支架 的一 部分 ， 或采用更 多浮柱增加平 台稳定性 ， 如Ｂ ｌ ｕ ｅ — Ｈ
漂 浮 式 风 力 机 就是 采 用 ６ 个 柱 子 的 漂 浮 式平 台ｎ 。
行 整机 动 力 学研 究 ， 其中Ｓ Ｉ ＭＯ为水 动力计算模 块， Ｒ Ｉ Ｆ Ｌ Ｅ Ｘ为结构计算模块 ， Ｈ Ａ ＷＣ ２ 为风力机气 动 计算 模 块 ” ， 后 续 研 究 证 实 以上 软 件 包 的计 算 结
力性能 ， 而且可以降低建造成本 。
２ ０ ０ ９ 年， 德 国斯 图加 特 大学 的 Ｍａ ｔ ｈ ａ 在Ｎ Ｒ Ｅ Ｌ
化 而 变化 ； 风力 机所受 的气动力 与理论计 算值相
和 国际能源署的资助下利用美 国风能技术 中心 的 Ａ ｅ ｒ ｏ Ｄ ｙ ｎ ／ Ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ Ｄ ｙ ｎ ／ Ｆ Ａ Ｓ Ｔ全耦 合分 析软 件研究 了 麻省 理工 学 院 （ ＭＩ Ｔ） ／ Ｎ Ｉ Ｌ张力 腿式 漂 浮式 风力 机 动力学特性 ， 并与一般 Ｔ Ｌ Ｐ 、 Ｉ Ｔ Ｉ 驳船 、 Ｓ ｐ ａ ｒ 平台风力
动 轴 的摩擦 力偏 大造成 。在 此项研 究基 础上 ， Ｒ ａ ｍ ａ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｒ ａ ｎ等进一步研究 Ｔ Ｌ Ｐ 平 台耦合风浪载
深海漂浮式风力机的概念设计与气动—水动力耦合特性评述
深海漂浮式风 力机 的概念设 计 与气 动一 水 动 力耦合特性评述
高 伟，李 春，刘 全
（ 上海理工大学 能源与动力工程学 院，上海 ２ ０ ９ ） ０ ０ ３ 摘 要： 海上风 电场建设是风力发 电技术的重要方 向之一 ，随着近海风场深入开发 ，风场建
设从近 海到远 海是 其未来必然发展趋 势 。但海水深度增加将导致 深海风 电场建设成本 急剧上 升 ，漂浮 式风力机 （ 电） 术是 解决这一 问题 的有效途径 。较为 系统地介绍 了工作在 深海的 发 技 漂浮式风力机 的各种概 念设计 ，并依据水动力 学特性对其进行评价 ，指 出漂浮式的设计计算 核 心是 气动一 水动力学耦合 问题 ，同时探讨 了现有漂浮 式风力机 气动一 水动耦 合理论模 型和
后来很多研究者延续这个思路，或者采用偏心式布置风力机 ，直接将风力的塔架作为平 台支架的一部分ｌ ２ Ｊ ，或者在三个柱子顶部各布置一台风力机［，或者采用四个柱子或者六个柱 ３ ３
子构成的张力腿平台，如 Ｂｕ ． ｌ Ｈ漂浮式风力机就是采用六个柱子的漂浮式平台［。 ｅ ４ ］
收稿 日期 ：２ １－ ５２ ０ １０ — １ 作者简 介：高 伟 （９ ８） １７ 一 ，男 （ ，博士研 究生，Ｇａ ｉ Ｇ Ｏ＠ｈ ｔ ｉｃｒ 汉） ｗａ ｎ Ａ ｏ ｌｏ ｍａ ． ｎ
已经 于 ２ ０ ０９年 １ ０月投 入商 业运 行实 验 的挪威 国家 石油 海德 罗公 司 （ｔｏｌ“ ｗｉｄ Ｓａ ｉ Ｈｙ ｎ ”漂 ｔ ）
浮式风力机项 目其实是介于概念 ３与概念 ６ 之间的一种设计 ，属于半 Ｓ ａ 平台半张力腿平 台 ｐ ｒ 型。除了 “ ｙ ｉ ”风力机项 目，美 国 Ｂｕ． Ｈ ｗｎ ｄ ｌ Ｈ漂浮式风力机概念设计项 目原预计 ２０ 年也 ｅ ０９ 将投入商用运行， 后因种种原因推迟 ， 其他的深海漂浮式风力机多数 目前仍处在概念设计和理
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析海上漂浮式风电机组对海上环境要求较高，因此需要充分了解和计算海浪载荷，以确保安全运行。
海浪是海洋中的一种涡流，其频率、幅值和振幅周期不断变化，是海上风电机组的主要载荷。
本文的目的是计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷，以确保其安全性。
海浪载荷的计算可以分为三个步骤：海浪谱计算、海面通量的计算和海浪载荷的实际计算。
首先，海浪谱可以通过实验和模型计算获得。
实验可以在平坦水上进行测量，得到不同频率的海浪能量密度信息，从而提供海浪能量分布。
实验研究表明，海浪谱可以用一般的双曲线拟合得到。
其次，可以计算海面通量。
海面形态的改变可以用张量积分计算方法来进行，以获得海面通量信息，从而获得不同频率的海浪能量转化率。
最后，可以计算海浪载荷。
根据海浪谱和海面通量信息，可以计算出每种频率海浪载荷的总和，从而得到海浪载荷总和。
接下来，为了更好地分析海浪载荷，可以采用统计分析方法。
首先，可以分析海浪谱的分布，以及给定频率的海浪能量。
其次，可以分析不同频率的海浪载荷的分布特征，以及每个频率的海浪载荷的大小。
最后，可以统计分析总载荷的分布特征以及最大载荷大小。
在计算和分析海浪载荷过程中，可以按照不同的方向进行分析，比如按照不同的时间段，或者按照不同的地域来进行分析。
例如，可以针对具有特定时间段的海浪谱，计算特定时间段内的海浪载荷，或者针对特定区域的海浪谱，计算特定区域内的海浪载荷。
在计算过程中，还可以根据设计浮子尺寸和形状对海浪载荷进行修正，以更精确地计算海浪载荷。
通过计算和分析海浪载荷，可以有效地确保海上漂浮式风电机组的安全性。
首先，可以计算出海浪载荷，以便评估机组的设计合理性。
其次，可以计算出悬浮式风电机组在某一地区、某一时间段的海浪载荷，以更准确地评估风电机组的性能。
最后，可以采取安全措施，以防止海浪载荷超过机组的承载能力，从而确保其安全性。
总之，计算和分析海上悬浮式风电机组的海浪载荷是评估机组性能和安全操作的重要手段，可以帮助有效地提升海上悬浮式风电机组的安全性。
漂浮式海上风电技术推广方案(一)
漂浮式海上风电技术推广方案一、实施背景：随着全球能源需求的不断增长和对环境保护的要求，可再生能源的开发和利用成为了各国政府的重要议题。
海上风电作为一种具有巨大潜力的可再生能源形式，已经在一些国家取得了较大的发展。
然而，由于海上风电的基础设施建设成本高、施工复杂、维护困难等问题，限制了其进一步推广和应用。
因此，需要通过产业结构改革，推动漂浮式海上风电技术的发展和推广。
二、工作原理：漂浮式海上风电技术是一种将风力发电机组安装在漂浮式平台上，通过海浪、潮流和风力的作用实现风能的转化。
这种技术相比于传统的固定式海上风电技术具有更大的灵活性和适应性，可以在深海等复杂环境中进行安装和运营。
三、实施计划步骤：1. 技术研发阶段：通过加大研发投入，提高漂浮式海上风电技术的成熟度和可靠性，包括平台结构设计、风力发电机组适应性研究等。
2. 示范项目阶段：选择适宜的海域进行漂浮式海上风电示范项目建设，验证技术的可行性和经济性。
3. 推广应用阶段：根据示范项目的实施效果，制定推广计划，推动漂浮式海上风电技术在更多海域的应用。
四、适用范围：漂浮式海上风电技术适用于深海、远离陆地的海域，尤其是那些水深超过50米的地区。
这些地区通常具有更强的风能资源，但传统的固定式海上风电技术难以在这些深海区域进行建设。
五、创新要点：1. 平台结构创新：通过采用新型材料和结构设计，提高平台的稳定性和抗风能力。
2. 智能控制系统：引入先进的智能控制系统，实现对漂浮式海上风电系统的自动化管理和运维。
3. 多能源融合：将漂浮式海上风电技术与其他可再生能源技术结合，如潮汐能、海洋热能等，实现多能源的综合利用。
六、预期效果：1. 提高可再生能源的利用率：漂浮式海上风电技术可以在深海等复杂环境中进行建设，开辟了更多的风能资源利用空间，提高了可再生能源的利用效率。
2. 降低能源成本：漂浮式海上风电技术的推广可以降低风电的建设和运维成本，提高能源的经济性。
219467643_海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究
海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究①曲晓奇,李红涛,唐广银,杜海越,杨林林(中国船级社海洋工程技术中心,天津 300457)摘要 随着海上浮式风电技术的发展,我国大功率漂浮式海上风力机组开始走向工程示范应用㊂由于风机厂商对上部风机结构参数保密,针对实际工程项目中的漂浮式风力机进行数值仿真分析具有诸多挑战和难度㊂本文以实际工程项目为例,研究漂浮式海上风力机在数值仿真过程中的关键技术㊂通过建立等效推力模型等手段,实现工程样机的数值建模并进行典型工况的动力响应分析㊂本文的研究成果可以有效解决实际工程项目中浮式风力机数值模型建立的难点,对促进我国风电产业技术发展,加速我国海上风电商业化进程具有重要意义㊂关键词 海上浮式风力机;数值仿真;等效推力模型;动力响应㊂中图分类号:P 752;T M 614 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)007207d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.12R e s e a r c h o n K e y T e c h n o l o g i e s o f D y n a m i c A n a l y s i s a n d N u m e r i c a l S i m u l a t i o n f o r t h e F l o a t i n g Of f s h o r e W i n d T u r b i n e Q U X i a o q i ,L I H o ng t a o ,T A N G G u a n g y i n ,D U H a i yu e ,Y A N G L i n l i n (O c e a n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e t e c h n o l o g y ,t h e e n g i n e e r i n g p r o j e c t s o f l a r ge -s c a l ef l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e h a s s t a r t e d .B e c a u s e t h e m a n u f a c t u r e r s k e e p th e p a r a m e t e r s o f t h e w i n d t u r b i n e c o n f i d e n t i a l ,t h e r e a r e m a n y c h a l l e n g e s i n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s i n p r a c t i c a l e ng i n e e r i n g p r o j e c t s .I n thi s p a p e r ,t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n t h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t w a s i n v e s t i g a t e d .T h r o u g h t h e e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ,a n u m e r i c a l m o d e l o f r e a l f l o a t i n g w i n d t u r b i n e w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e d y n a m i c s r e s p o n s e s u n d e r a t y p i c a l l o a d c a s e w a s a n a l yz e d .B a s e d o n t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h i s s t u d y ,t h e d i f f i c u l t i e s i n e s t a b l i s h i n g t h e n u m e r i c a l m o d e l o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s c a n b e w e l l s o l v e d .I t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e i n p r o m o t i n g t h e t e c h n i c a l d e v e l o pm e n t a n d a c c e l e r a t i n g t h e c o m m e r c i a l i s a t i o n o f C h i n a s f l o a t i n g w i n d t u r b i n e i n d u s t r y.K e y wo r d s f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ;d y n a m i c r e s p o n s e 0 引 言欧洲的海上风电产业起步较早,随着浮式风力机技术趋于成熟,现已逐步在全世界范围内得到广泛研究和应用㊂我国浮式风力机的研究约起步于十年之前,相对较晚,尚未得到商业化应用㊂目前,常用的海上浮式风力机数值仿真软件大多由欧美国家的研究机构开发㊂表1列举了海上浮式风电领域常用的数值仿真软件及其所采用的分析理论㊂①作者简介:曲晓奇(1992 ),女,博士研究生,工程师,主要从事海上浮式风力机动力响应分析方面的研究㊂E -m a i l :x q qu @c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃73 ㊃表1 各研究机构开发的海上浮式风力机耦合计算程序T a b .1 P r o g r a m s f o r f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e c o u p l e d c a l c u l a t i o n d e v e l o p e d b y va r i o u s r e s e a r c h i n s t i t u t i o n s 程序研究机构气动力模块水动力模块结构动力学模块系泊模块F A S T[1]N R E L(B E M 或G D W )+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S/F E M G S M 或Q S M或F E M G H .B L A D E D [2]G HB E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S G S M 或Q S M 或F E M A D A M S [3]M S C +N R E L +L U HB E M /G D W+D S T D M E 或T D P F +M DM B S Q S /U DS I M A [4]M A R I N T E K B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM B S /F E MG S M 或Q S M或F E MH A W C 2[5]R I S O D T U B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M D M B S /F E M G S M 或Q S M或F E MO r c a F l e x[6]O r c i n aC o u pl e d t o F A S T T D M E 或T D P F +M D C o u pl e d t o F A S T G S M 或Q S M 或F E MB E M :B l a d e E l e m e n t M o m e n t u m ,叶素动量理论D I :D yn a m i c I n f l o w ,动态入流C F D :C o m p u t a t i o n a l F l u i d D yn a m i c s ,计算流体动力学M B S :M u l t i b o d y S ys t e m ,多体系统G S M :G l o b a l S t i f f n e s s M o d e l,总体刚度模型T D :T i m e D o m a i n ,时域U D :U s e r D e f i n e d,用户自定义G D W :G e n e r a l i z e d D yn a m i c W a k e ,广义动态尾涡D S :D yn a m i c S t a l l ,动态失速F V M :F r e e V o r t e x M o d e l,自由尾涡模型F E M :F i n i t e E l e m e n t M e t h o d ,有限元方法Q S M :Q u a s i -s t a t i c M o d e l,准静态模型M E :M o r i s o n,方程M D :M o r i s o n D r a g,莫里森拖曳项P F :P o t e n t i a l F l o w ,势流理论 尽管目前针对浮式风力机数值仿真软件的开发已经相对成熟,但是,由于我国海上浮式风电工程项目还处于起步阶段,实际工程样机数量较少,对于实际风力机的数值仿真仍存在一定的问题㊂如何在实际工程项目中,建立浮式风力机的数值模型,使其可以准确反映工程样机的真实动力响应特性,仍然需要深入的研究㊂本文首先介绍了浮式风力机数值仿真的基本理论和方法;然后,结合某实际工程项目,详细描述了浮式风力机数值模型的建立过程以及涉及的关键技术;最后,基于本文建立的浮式风力机数值模型进行动力响应分析,验证本文建模方法的可靠性㊂1 浮式风力机数值模型建立方法目前,对于风力机气动载荷的计算大多采用叶素动量理论[7],尽管该方法无法给出叶片翼型附近的流场信息,但是,其计算简便效率高,广泛应用于浮式风力机工程计算㊂水动力载荷的分析则主要基于三维势流理论,采用海洋工程领域常用的水动力分析软件求解浮体水动力系数,进而进行时域水动力分析㊂由于三维势流理论无法考虑浮体的黏性效应,软件采用M o r i s o n 方程的拖曳项模拟浮式风力机的黏性阻尼㊂浮式风力机系统结构形式复杂,既包括了叶片㊁塔柱和传动轴等柔性构件,又包括了机舱和浮式基础等刚性结构㊂因此,不同数值仿真软件对于浮式风力机系统结构动力学模型的建立区别较大㊂目前,对于浮式风力机整体结构采用的建模方法主要有多体方法和有限元方法,对于叶片和塔柱等弹性体动力响应的求解则主要采用模态法和有限元方法㊂浮式风力机系泊系统的模拟则以准静态悬链线方法和有限元方法为主㊂其中,准静态方法基于悬链线方程求解系泊锚链张力,无法考虑锚链的动态效应㊂而有限元方法则可以考虑锚链自身动态效应的影响,精度相对更高㊂2 海上浮式风力机数值仿真模型的建立2.1 浮式风力机简介本文以某浮式风力机工程项目为例,针对海上浮式风力机工程样机在数值仿真过程中的关键技术进行研究㊂浮式风力机系统的结构形式如图1所示,整个系统上部设置7.25MW 风力发电机,底部采用四立柱半潜型浮式基础㊂系泊系统的布置情况如图2所示,在每个边立柱的底部设置3根系泊锚链,采用3ˑ3的悬链线式系泊㊂㊃74㊃海洋工程装备与技术第10卷图1 浮式风力机结构示意图F i g .1 F l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s t r u c t u re 图2 浮式风力机系泊系统布置图F i g .2 F l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e m o o r i n g s ys t e m a r r a n ge m e n t 2.2 风力机结构模型的建立本文采用美国可再生能源实验室开发的O pe n F A S T 软件,对浮式风力机系统进行数值仿真㊂该软件基于K a n e 方程建立风力机系统刚柔耦合动力学模型㊂对于叶片和塔柱等弹性结构,通过模态法求解其结构变形和动态响应㊂对于塔柱,基于模态叠加方法㊂任意时刻t ,塔柱上到塔底距离为x 的某一点的横向位移u (x ,t )可以表示为[8]u (x ,t )=ðna =1ϕa (x )q a (t )(1)其中,ϕa (x )代表模态a 的固有振型函数,它仅是x 的函数,与时间无关;q a (t )代表模态a 的广义坐标,与时间t 有关;n 代表选取的模态个数,即自由度数;每一个固有振型对应一个固有频率ωa 和相位ψa ㊂当已知塔柱的各阶固有振型函数时,还需要n 个参数来定义塔柱的变形情况㊂除了塔柱的固有振型函数外,还可以选择n 个其他函数φb 来表示塔柱的变形:u (x ,t )=ðn +p -1b =pφb (x )c b (t )(2)其中,φb (x )代表形函数;c b (t )是与之对应的广义坐标;参数p 按计算方便选取㊂根据R a y l e i gh -R i t z 法,塔柱的各阶固有振型函数ϕa (x )也可以表示成形函数φb (x )的线性组合:ϕa (x )=ðn +p -1b =pC a ,b φb (x )(3)其中,C a ,b 代表b 阶形函数对a 阶固有振型的比例常数㊂对于风力机塔柱,可以选择指数函数作为形函数,于是b 阶形函数表示为φb (x )=xRb(4)其中,R 表示塔柱的高度㊂由于风力机塔柱在底部固支,即塔柱底部位移和转角均为零,因此参数p 必须大于等于2,本文计算中取p =2㊂根据塔柱的相关设计参数,利用B M o d e s 软件基于广义H a m i l t o n 原理,求解塔柱前后和侧向前两阶模态,再拟合成幂指函数,输入O p e n F A S T 中㊂2.3 等效推力模型的建立由于缺少风力机叶片翼型参数的详细设计资料,以及控制系统的相关设计参数,因此,无法准确模拟风力机系统的气动性能㊂本文建立风力机的等效推力模型来计算风轮的气动载荷㊂图3所示为叶片上某一叶素位置处的速度和气动载荷示意图㊂根据叶素动量理论,叶片上某一叶素d r 处的推力和转矩可以表示为d T =B 12ρV 2t o t a l (C l c o s ϕ+C d s i n ϕ)c d r (5)d Q =B 12ρV 2t o t a l (C l s i n ϕ-C d c o s ϕ)c r d r (6)其中,d T 和d Q 分别表示叶素的推力和转矩;B 表示叶片数量;ρ表示空气密度;V t o t a l 表示入流速度;C l 和C d 分别表示升力系数和阻力系数;ϕ表示入流速度与叶素旋转平面的夹角;c 表示叶素的弦长㊂第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃75 ㊃(a)叶素速度图(a )L e a f v e g e t a t i o n v e l o c i t y ch a rt (b)叶素气动载荷图(b )L e a f e l e m e n t pn e u m a t i c l o a d c h a r t 图3 叶素翼型示意图[9]F i g.3 B l a d e e l e m e n t a i r f o i l [9]根据公式(5)和(6)叶片上某一叶素位置处的风轮推力主要与升力系数C l ㊁阻力系数C d ㊁来流与弦线的夹角ϕ以及叶片的弦长c 有关㊂以N R E L5MW 风力机叶片气动参数为基础,通过调整叶片的弦长和扭转角以及控制系统的相关参数改变风轮推力,直至与风机厂商提供的风轮推力相一致㊂采用上述方法建立风力机的等效推力模型,图4所图4 不同风速下风轮推力对比结果F i g .4 C o m pa r i s o n o f r o t o r t h r u s t f o r c e u n d e r d i f f e r e n t w i n d s pe e d 示是采用等效推力模型计算的不同风速下风轮推力与风机厂商提供的数据对比结果㊂相较于直接将风轮推力施加到塔柱顶部,采用这种方式的优点是可以考虑叶片旋转效应的影响㊂2.4 水动力模型的建立在A QW A 中建立浮式基础的水动力模型如图5所示㊂基于三维势流理论计算浮式基础的水动力系数,包括静水恢复力系数㊁附加质量和阻尼系数以及一阶和二阶波浪载荷传递函数,其中0ʎ入射方向下一阶波浪载荷传递函数的计算结果如图6所示㊂图5 浮式基础水动力模型F i g .5 H y d r o d y n a m i c m o d e l o f f l o a t i n g pl a t f o rm (a)纵荡方向一阶波浪载荷传递函数(a )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n gi t u d i n a l d i r e c t i o n (b)垂荡方向一阶波浪载荷传递函数(b )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e p e n d u l u m d i r e c t i o n㊃76㊃海洋工程装备与技术第10卷(c)纵摇方向一阶波浪载荷传递函数(c)F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n g i t u d i n a l r o c k i n g d i r e c t i o n图6波浪入射方向为0ʎ时的一阶波浪载荷传递函数F i g.6F i r s-o r d e r w a v e f o r c e t r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e d i r e c t i o no f0d e g r e e按照公式(7)~(9)计算浮式基础受到的波浪载荷㊂由于势流理论无法考虑浮式基础的阻尼效应,因此在O p e n F A S T软件中建立M o r i s o n模型,通过M o r i s o n方程中的拖曳力模拟浮式基础的阻尼效应㊂F w a v e_1(t)=R eðM i=1ηi H1(ωi)=R eðM i=1a i e x p i(ωi t+φi)H1(ωi)(7) F w a v e_2s(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiηj H2s(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi+ωj)t+φi+φj)]H2s(ωi,ωj)(8)F w a v e_2d(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiη*j H2d(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi-ωj)t+φi-φj)]H2d(ωi,ωj)(9)其中,F w a v e_1(t)表示一阶波频载荷;F w a v e_2s(t)和F w a v e_2d(t)分别表示二阶和频㊁差频波浪载荷;ηi表示波面升高;a i㊁ωi和φi分别表示波幅㊁频率和相位;H1(ωi)表示一阶波浪载荷传递函数;H2s(ωi,ωj)和H2d(ωi,ωj)分别表示二阶和频与差频波浪载荷传递函数㊂2.5系泊系统分析模型的建立系泊系统的模拟采用集中质量模型,将锚链离散成多个质量点,不同质量点之间通过弹簧阻尼结构连接,如图7所示㊂某一质量点i的运动控制方程如下[10]:图7系泊锚链数值模型[10]F i g.7 N u m e r i c a l m o d e l o f m o o r i n g l i n e s[10] (m i+a i)r㊃㊃=T i+(1/2)-T i-(1/2)+C i+(1/2)-C i-(1/2)+W i+B i+D p i+D q i(10)其中,(m i+a i)r㊃㊃代表惯性项,m i和a i分别表示节点i的质量和附加质量;(T+C)i+(1/2)和(T+ C)i-(1/2)分别表示r i与r i+1以及r i与r i-1之间的内部刚度和阻尼;W i表示重力;B i表示浮力;D p i和D q i分别表示节点i受到的轴向和切向波浪力,采用M o r i s o n方程计算:D p i=12ρw C d n d l(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(11)D q i=12ρw C d tπd l(-r㊃i㊃q^i)q^i-(r㊃i㊃q^i)q^i(12)第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃77 ㊃在数值模拟过程中,由于系泊锚链结构形式复杂连接构件过多,对于连接构件无法直接进行模拟㊂将连接构件转化成等质量的杆单元,设置较小的时间步长,进行数值仿真,以保证计算的收敛性㊂图8所示是在不同浮体位移下计算的系泊张力,即浮式风力机系泊系统刚度曲线㊂图8 系泊系统刚度曲线F i g .8 M o o r i n g s ys t e m t e n s i o n 3 动力响应分析采用本文第2节介绍的相关理论和方法,建立海上浮式风力机数值仿真模型,计算极端停机工况下浮式风力机的运动响应㊂环境载荷方向的定义如图9所示㊂环境参数具体数值为:50年一遇风速60m /s ;有义波高12m ,谱峰周期14.4s,谱峰因子2.2;表面流速2.18m /s ㊂风浪方向均为0ʎ,表面流向为-180ʎ,模拟时间为3600s ㊂计算结果如图10所示㊂图9 环境载荷方向定义坐标系F i g .9 C o o r d i n a t e s ys t e m o f e n v i r o n m e n t a l l o a d s d i r e c t i o n d e f i n i t i on(a)纵荡(b)横荡(c)垂荡(d)横摇㊃78㊃海洋工程装备与技术第10卷(e)纵摇(f)艏摇图10 极端停机工况下浮式风力机运动响应F i g .10 D y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e u n d e r e x t r e m e p a r k e d l o a d c o n d i t i o n从图10中可以看出,在50年一遇极端停机工况下,浮式基础具有较大的动态响应,这是由波浪载荷引起的㊂此时风机处于停机状态,叶片变桨,风轮受到的气动载荷相对较小,垂荡和纵摇的均值都处于一个较小的值㊂从计算结果来看,在极端停机工况下,浮式风力机的摇摆角度在10ʎ范围内,符合设计要求,具有足够的安全性4 结 论本文主要介绍了在实际工程项目中建立海上浮式风力机数值仿真模型的关键技术,包括结构模型㊁等效推力模型㊁水动力模型以及系泊系统模型的相关理论和方法㊂本文提出的数值模型建立方法,可以有效解决风力机叶片翼型参数缺失带来的建模问题㊂最后,通过模拟50年一遇极端工况下浮式风力机的动态响应,验证本文建模方法的可靠性㊂参考文献[1]J o n k m a n J M ,B u h l J R M L .F A S T U s e r s G u i d e [R ].G o l d e n ,C O :N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y,2005.[2]D N V G L .B l a d e d [E B /O L ].h t t p s ://w w w .d n v g l .c o m /s e r v i c e s /b l a d e d -3775.[3]E l l i o t A .S .,W r i gh t A .D .A D A M S /W T U s e r s G u i d e [E B /O L ].h t t p ://w i n d .n r e l .g o v /d e s i gn c o d e s /s i m u l a t o r s /a d a m s w t /d o c s _v 2.0/i n d e x .h t m l .L a s t m o d i f i e d D e c e m b e r,1998;a c c e s s e d J u n e 13,2003.[4]F y l l i n gI ,L a r s e n C ,S ød a h l N ,e t a l .R i f l e x U s e r s M a n u a l 3.6[R ].M A R I N T E K ,T r o n d h e i m ,N o r w a y,2008.[5]L a r s e n T J ,H a n s e n A M.H o w 2H A W C 2,t h e U s e r sM a n u a l [R ].R i s øN a t i o n a l L a b o r a t o r y,2007.[6]O R C I N A .O r c a F l e x [E B /O L ].h t t p://w w w .o r c i n a .c o m /.[7]H a n s e n s M O .A e r o d y n a m i c s o f W i n d T u r b i n e s [M ].E n g l a n d :R o u t l e d g e ,2015.[8]J o n k m a n J M.M o d e l i n g of t h e U A E W i n d T u r b i n e f o r R e f i n e m e n t o f F A S T _A D [R ].C o l o r a d o :N a t i o n a l R e n e w a b l eE n e r g y L a b o r a t o r y,2003.[9]M o r i a r t y P J ,H a 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毕业设计（论文）中文摘要毕业设计（论文）外文摘要目录第一章绪论 (3)1.1 海上风电的发展史 (3)1.2 海上风电的发展现状和趋势 (4)1.3 课题背景 (5)第二章海上风电机组的漂浮式结构的选取 (6)第三章永磁无刷双风轮风力发电机组的结构及工作原理 (8)3.1 当前主流风力发电机型的相关介绍 (8)3.2 永磁无刷双转子电机的结构及工作原理 (10)第四章海上风力发电的输电方案 (16)4.1 传统高压交流输电 (16)4．2 高压直流输电技术 (17)4.3 交流输电技术和直流输电技术优缺点总结 (18)4.4 分频交流输电 (18)4.5 分频输电技术的同频并网方法 (19)4.6 分频输电技术的机组并网控制策略的研究 (20)参考文献 (21)结论 (24)致谢 (25)第一章绪论1.1 海上风电的发展史早在20世纪80年代，欧洲就开始着手海上风力资源的评估工作及相关风力发电技术的研究，随后，在世界范围内相继建成了一大批不同规模的海上风电示范试验项目。
自此，海上风电开始蓬勃发展起来。
世界海上风电的开发过程大致可以分成两个阶段：(1)90年代小规模海上风电项目的研究及示范实验期。
截止至20世纪，全球共建成8个小型海上风电示范试验项目，装机容量最高达10.5MW，风电机组的装机容量为220kW～2MW。
(2)20世纪初开始商业化示范性项目期。
2002~2003年MW级风力发电机组的应用体现了海上风力发电机组向大型化发展的方向，这种趋势在德国市场上表现得尤为明显。
世界上超过90%的海上风电分布在了北欧沿岸，如北海、波罗的海、爱尔兰海以及英吉利海峡。
还有两个试验项目分布在了中国的东海沿岸。
2352001，总容量截止至9电个风电场实现了并网发台风电机组在年，全球共有达866KW，为欧洲累计输送了3813KW的海上风电。
其中，英国海域提供了大约87%的新增容量，德国安装了108KW，随后是丹麦3.6KW以及葡萄牙2KW的实体漂浮式海上风电机组原型。
另有两个低端漂浮式风电机组在挪威和瑞典进行了试验。
英国（2094KW）和丹麦（857KW）仍然是欧洲最大的两个海上风电市场，紧随其后的是荷兰（247KW）、德国（200KW）、比利时（195KW）、瑞典（164KW）、芬兰（26KW）和爱尔兰（25KW）。
挪威和葡萄牙则各自拥有一个实体漂浮式海上风力发电机组。
图 1-1 2011年全球海上风电及累计装机容量1.2 海上风电的发展现状和趋势1.2.1 海上风电的发展现状随着新能源发电技术的不断发展，风力发电在电网系统所占比例越来越大，陆上风机稳定可靠地运行已经有了20多年的经验，技术比较成熟，这些都为海上风电的发展提供了坚实的技术基础。
设备供应商经过近10年的开发和研究，充分考虑了海上风电的特殊要求，参照海上石油和天然气的运行经验，对设备运行和维护提出了相应的技术要求和维护方案，经过多年的研究和实验及海上风电设备示范试验化运行的经验总结，海上风电大规模建设指日可待。
但是，目前海上风电还存在许多技术和经济性问题，投资成本高昂和回收效益的长期性成为制约海上风电开发的主要因素。
发电成本是目前海上风电发展的瓶颈，这是由于风场建设初期的投资成本较高，其中漂浮式基础结构和并网输电装置的建造成本所占的份额比较大，一般要占50%以上。
目前在海上风电场建设的总投资中，基础结构占15%~25%，而陆上风场仅为5%~10%。
海上风电成本也与单机容量和风场安装机组台数有关，同一漂浮式基础安装的风电机组容量越大经济性越高。
此外，由于海上风电场的运行和维护费用高昂，为获取最大的投资效益，大容量单机的成本及可靠性还有待进一步提高。
因此，发展高效率大容量海上风电机组是降低海上风电成本、提高经济效益的一个主要途径。
目前，世界各国在海上风电方面还没有任何具体的规划，很多项目只是处于示范试验阶段，对基础建设和配套建设方面的投入还远远不够，技术也还不成熟。
除此之外，海上实用型风机在技术上也还没有实质性的突破，大规模海上风电场发出的巨大电能也没有找到合适的消纳途径，就连海上风电率先发展的欧洲在这方面也承受着巨大的困扰，因此大规模海上风电的发展还需要进一步的开发和研究。
1.2.2 海上风电的发展趋势虽然深海风电场的建设成本较高，技术难，但海上风电场优良的风资源，不占用陆地资源等显著优点使其经济和社会价值正在得到越来越多的认可。
欧盟在其委托欧洲风能协会制定的风机发展标准和认证体系中强调，各风电设备供应商在注重技术创新的基础上，还需要提高海上风机的可靠性，延长使用寿命，提高免维护时间，降低维护和维修成本，降低造价，减少开发初期投入，降低发电成本。
目前，越来越多的海上示范试验项目相继在世界各国建立，并网运行后的风电机组及电网的各项监测指标和机组运维人员积累的宝贵经验为海上风力发电技术的发展奠定了坚实的基础。
同时，海上风电场装机容量的增加、大功率风机的研制开发、接入电网和安装运输技术的成熟，使风电走向深海开始更深入、更大规模的开发和利用成为可能，深海风电的发展将成为世界可再生能源开发的重要组成部分。
1.3 课题背景如今，陆上风资源优良的风场已经接近饱和，由于近海水域的规划很难涉及到风电建设，主要用于港口和水产养殖业的发展，所以海上风场主要分布在深海区域。
深海区域风场与陆地风场建设最大的区别就是基础建设，基于深海海床和风况的特殊性，需要采取漂浮式结构作为风机的基础。
因此研究安全、经济、实用、耐久的漂浮式基础结构具有重要意义。
大容量、高可靠性运转的风电机组能够有效降低风电场初期投资、维护和维修费用、提高投资效益，因此如何提高风能利用系数成为海上风机设计的一个重要因素，传统风电机组叶轮靠近叶根的部分一般具有较低的叶尖速比，使得叶片获得的转矩较小，形成了一个风能转换死区，降低了风能的利用率。
在并网技术方面，由于传统并网方式受风的波动、风电机组和电网的相互影响使得风电机组出力波动较大，发电效率较低。
同时海上变电站的配置也增加了风电场的建设成本，机组并网时还会用到变流器等大量电力电子器件，增加了输电系统的故障率，降低了电网系统的稳定性。
本课题正是在这种背景下提出的，旨在研究一款适合于海上漂浮式风电站的双风轮励磁机/发电机组合、可自由偏航、分频输电的超大型（10MW）风电机组概念设计，以实现低成本、高可靠性地将海上风力资源高效率、高质量地转化成电能的目标。
第二章海上风电机组的漂浮式结构的选取深海风场的建设首先要解决的问题就是基础的选取，因此漂浮式基础平台的研究和实验为深海风资源的开发具有重要意义，能够有效地增加大型风电机组布局的灵活性，尤其适用于深海风资源丰富水域，减少了视觉影响，缓解了用地矛盾，简化了海上安装步骤，整合了机身与塔架，去除了针对具体项目的特定过度连接段，同时，批量生产还可以降低安装成本。
目前开发技术比较成熟的海上漂浮式结构主要有三种形式，分别是：（a）单柱式（spar）平台（b）张力腿平台（c）驳船式平台。
（a）单柱式（spar）平台（b）张力腿平台（c）驳船式平台图2-1 各种海上漂浮式平台（1）Spar平台(单柱式平台)利用固定在浮箱中心底部的压载物的重力来获得恢复力矩从而实现平台的稳定性，是一种特别适用于深海的漂浮式平台形式，适用水深范围达550~3000m，目前最大工作水深为1710m。
这类平台一般会产生较大的吃水，它的主体是一个具有大直径、规则形状的浮式结构，主体上部是一种硬舱，用来提供平台的浮力，中部是储存仓，在漂浮式基础建造时底部为平衡稳定舱，安装机组时转换为固定压载舱，控制整套装置的吃水。
主体中部用铰链固定于海底。
基于其稳定的设计，在漂浮式结构当中，单柱式平台的安全系数较高，风险较小，但是在实际安装过程中，需要分几个阶段进行，需要特殊的安装船进行安装，工程量较大，成本相对较高。
（2）张力腿平台张力腿平台利用系缆张紧力实现平台的稳定性，是目前技术比较成熟的漂浮式平台。
传统张力腿平台主体结构一般都呈矩形或三角形，平台主体的上半部分位于水面以上，通过3~4根立柱连接下部，主要作用是提供给平台必要的结构刚度。
平台的浮力由位于水面以下的浮箱提供，张力腿由1～4根张力铰链组成，浮箱上端固定在平台本体上，下端与海底基座相连或直接连接在桩基顶部。
海底基础将平台固定在预设计的位置，主要形式有桩基式和吸力式两种。
波浪的冲击使得张力腿绷紧，而整个平台则依靠张力腿的张紧力与浮箱的浮力来保持整体的平衡。
在一些情况下，还会安装斜线系泊索系统作为垂直张力腿系统的辅助结构，以增加平台的侧向刚度。
张力腿平台虽然是目前海上漂浮式结构应用技术中最为稳定的一种形式，但是它对海床的地质条件和海上风况的要求非常严格。
一般不适用于海床地质松软和含有过多坚硬岩石的风场。
对于经常发生热带气旋和寒潮大风的海域也具有很大局限性。
（3）驳船式平台驳船式平台结构相对比较简单，它的工作原理主要是通过利用大平面的重力扶正力矩来保证整个平台的平稳性，类似于一般船舶。
理想化的驳船一般被看做是没有重量的浮箱，主要特点是具有较大的着水面积，能够为平台提供足够的扶正力矩以保证整个平台在各种风况和海浪冲击下都保持平衡。
水面以下的系泊系统能够可靠地固定在海底，防止平台随波漂流。
就经济性而言，驳船式平台结构简单而且生产工艺成熟，单位吃水成本较低，容易进行批量生产。
安装过程可以在海岸进行，并且不需要专用安装船，经济性较好。
针对本文10MW大容量风力发电机组的设计需要采用驳船式平台。
从经济性而言，驳船式平台的建设成本要低于其他两种平台形式，从结构而言，驳船式平台结构最为简单，同时由于在海上天然气和石油的开采过程中成熟的应用经验也保证了该技术的稳定性，尤其是考虑到沿海风场很有可能遭遇的热带气旋和暴风雨等极端风况，稳定性和可靠性要求更加严格，因为只有在保证基础结构坚固、高可靠性的前提下海上风电场才能健全、稳定地运行。
所以本方案采取驳船式平台结构。
第三章永磁无刷双风轮风力发电机组的结构及工作原理3.1 当前主流风力发电机型的相关介绍由于深海风场投资成本高昂，投资商后期的效益回收主要依靠风机的发电情况，因此，如何实现将海上不稳定的风能高效率、高质量地转化成电能是海上风电发展的一个关键性难题。
目前，世界范围内还没有开发出完全针对海上风资源特性的海上专用机型，现有的传统风机类型主要适用于陆上风场，并且存在许多问题，突出表现在以下三个方面：（1）风机工作风速范围窄，只能在额定的切入和切出风速范围内工作。
低质风能的利用不理想，造成了风资源的浪费。
（2）风能利用系数不会超过40%，风轮靠近叶根部30%的部分由于具有较低的尖速比，所获得的转矩较小，因此由风能转化为机械能的效率较低，形成转换死区，相当大一部分风资源未能得到合理的利用。