海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析
海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析
海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析张开华;张智伟;陈明亮;吴俊辉;宋丽丽;常璐【摘要】载荷计算是海上风电机组开发的关键性工作,准确的载荷仿真非常重要.在全面调研海上风电机组载荷仿真计算软件,尤其是浮式载荷仿真软件的基础上,简要介绍了主要计算软件的特点、新的改进及其发展趋势,以期对海上风电载荷计算工程师有所帮助.【期刊名称】《水电与新能源》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】6页(P63-68)【关键词】海上风力发电机组;载荷计算;计算软件;深海【作者】张开华;张智伟;陈明亮;吴俊辉;宋丽丽;常璐【作者单位】上海绿色环保能源有限公司,上海 200433;上海绿色环保能源有限公司,上海 200433;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872【正文语种】中文【中图分类】TM614我国海上风资源丰富，海上风电作为典型的清洁能源越来越受到重视。
与陆上风电场开发相比，海上风电具有不占用土地、风力更稳定、风速更高的优点。
此外，海上风电对人类生产、生活的环境影响较小，因此，海上风电易于大型化、规模化发展，必将成为未来全球风电开发的重要方向。
海上风电机组设计开发是一项比较复杂的工程，涉及到风浪流复杂恶劣的环境[1-2]，对技术的要求较高，如图1。
载荷计算是海上风电机组开发非常重要的阶段，准确的载荷仿真非常重要。
较早的专用风电机组载荷计算软件目前也有30多年的历史，但大部分软件的功能和精度是近十年才得到逐渐完善。
海上风电机组载荷计算软件有相当一部分是在陆上风电机组载荷计算软件的基础上升级而来，也有用来设计开发海上风电机组，但其准确性并没有经过第三方认证机构的认证检验。
目前海上风电组载荷计算软件正在改进和升级过程中。
目前海上风电机组载荷计算软件有很多款，功能也各不相同，但基本由4大功能模块组成，即气动模块、水动力模块、结构动力学模块和控制模块，如果是漂浮式，还要有锚链模块，如图2，其采用的算法多半相近[3-5]。
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。
Spar型海上浮式风机极端载荷预报
Spar型海上浮式风机极端载荷预报周帅;王迎光;李昕雪【摘要】在风机极限强度校核问题中,通常采用传统的直接积分法外推求解构件所受的极端载荷.由于传统算法本身的缺陷,在求解海上风机时所需仿真数量急剧增加,给外推造成了困难.为了减少所需的仿真数据,引入反向一阶可靠度方法求解风机极限载荷.将其二维形式环境等值线法与1维最优化方法二分法结合起来,形成一种新的搜索算法.以某Spar型海上浮式风机为例,对其长期载荷进行求解,获得了叶片根部面外弯矩和塔筒基底首尾弯矩分别在1年和20年重现周期下的极端载荷.为了验证计算的准确性,采用计算量更大的直接积分法获取了这2项载荷的长期分布.发现计算结果与超越概率曲线具有较好的吻合度,由此体现出该方法在求解风机特定极限载荷时,不仅具有计算成本的优势同时也有较高的可靠性,为快速求解风机极限载荷提供了一种参考.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)009【总页数】8页(P99-106)【关键词】海上风机;极端载荷;重现周期;超越概率;环境等值线法【作者】周帅;王迎光;李昕雪【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TM3150 引言为了保证海上风机的结构完整性，国际电工委员会在设计标准IEC 61400-3[1]中，对支撑结构和叶轮-机舱组合件的设计提出了极限强度分析的要求，其中设计载荷是分析中的必要参数，求解方法通常为IEC 61400-1[2]中介绍的基本方法，直接积分法。
虽然直接积分法便于理解与扩展，但是由于算法本身的缺陷，当考虑的环境变量中不止有风还有波浪等时，所需的仿真次数也急剧增加，因此给海上风机极限载荷的求解造成了困难。
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。
海上风电机组荷载分析及控制研究
向大功率、长叶片、高塔筒、轻量化发展。设计 时主要考虑的荷载源有空气动力荷载、惯性荷载、 重力荷载，以及因刹车、偏航、变桨等控制动作
导致的运行荷载。其中，空气动力荷载是最主要 的荷载源。
因为资源的有限性和技术的发展，风资源的 索取从陆地向大海、由近海向深远海域发展。在 此过程中，风电机组的基础结构形式依次变化为： 陆地基础、桩式或导管架基础、漂浮式基础，相 应的造价和技术难度越来越高，承受的荷载也越 来越复杂。基础是海上风电机组与陆上风电机组 在结构上的最大区别。
依据风电机组基础直径 D 与波长 L 的比值
进行分类。
1) 当比值小于 0.2 时，波浪荷载主要考虑粘滞
摩擦力和惯性荷载，可用莫里森公式进行计算：
1
du
Fm = 2 Cf ρwDmU|U|+Cm ρwSm dt
(5)
式中，Fm 为单位部件长度上的力；Cf 为摩 擦力系数；Cm 为惯性力系数；Dm 为部件的直径； Sm 为部件的截面面积；U 为部件相关流体的速 度；ddut 为部件相关流体的加速度。
关键词： 海上风电机组；荷载分析；控制算法；模拟仿真
0 引言 经过多年的快速发展，我国风电新增和累计
并网容量均已持续领先全球市场，但行业发展亦 面临陆上待开发的优良风资源正逐步枯竭和弃风 限电等困境。海上风电成为突破陆上风电发展困 境的关键点。海上风资源丰富、平均风速高、湍 流度小、风剪切小、主导风向稳定，风电场建设 不占用日益紧缺的土地资源、对环境影响较小、 适合大规模开发，且距离能源紧张的负荷中心近， 海上风电必定成为未来风电行业发展的趋势。当 今我国乃至全球已建成的海上风电场多为近海风 电场，相比近海，深远海域范围更广，风资源更 丰富，风速更稳定，因此，深远海域风电是海上 风电的未来。但由于海上风电机组面临复杂多变 的环境和大型化发展的趋势，对整机的荷载控制 策略提出了更高的要求。
大型海上风力发电机组的载荷分析及载荷优化控制方法研究 朱鑫
大型海上风力发电机组的载荷分析及载荷优化控制方法研究朱鑫发表时间：2019-11-21T11:09:46.283Z 来源：《电力设备》2019年第14期作者：朱鑫[导读] 摘要：本文首先从风动载荷与波浪载荷两种典型载荷类型的角度入手，对大型海上风力发电机组的载荷表现进行了分析；其后，围绕风机软切出、分段停机、塔架加阻三个方面，提出了大型海上风力发电机组的载荷优化控制方法。
（江苏金风科技有限公司江苏盐城 224100）摘要：本文首先从风动载荷与波浪载荷两种典型载荷类型的角度入手，对大型海上风力发电机组的载荷表现进行了分析；其后，围绕风机软切出、分段停机、塔架加阻三个方面，提出了大型海上风力发电机组的载荷优化控制方法。
关键词：海上风力发电机组；安全运行质量；载荷控制前言：近几年来，基于陆上风能资源风速弱、风量小、稳定性差等负面特点，我国风力发电行业逐渐将发展眼光落到了海洋领域当中。
与陆地环境相比，海洋环境中的自然风储量明显丰富，且质量稳定，具有良好的电能资源转化前景。
1.大型海上风力发电机组的载荷分析在实际的运行过程中，受到所处海洋环境的影响差异，海上风力发电机组会承载不同的负荷类型，与之相关的载荷结构设计方式也势必存在差异。
现阶段，大型海上风力发电机组主要涉及的负荷来源主要有风动、波浪、水流及其结构重力四类，其中又以风动载荷和波浪载荷的影响最大。
同时，基于运行环境的特殊性，大型海上风力发电机组的载荷状态具有较强的随机性和波动性特点，对相关人员在相关设计及应用中的安全控制提出了很高要求。
据此，为了进一步保证海上风电机组的安全运行质量，我们有必要对不同环境、不同来源下的风电机组载荷情况作出分析：结论：综上所述，海上风力发电机组在载荷方面具有负荷来源多、影响范围大等特点，对相关人员的载荷控制工作提出了挑战。
据此，通过对海洋环境中各影响因素进行科学分析，实施出分段停机、塔架加阻等手段措施，能有效降低单位时间内波浪、海风等对风力发电机组的载荷影响，保证风力发电机组的安全运行。
浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析
-MW 半潜式风机分析了 50 m 水深下包括悬链
性和波浪荷载具有显著影响。因此,研究浅水环境下
当浮式风电结构处于浅水环境时,波浪和结构水
浮式风电结构分析方法及运动特征,形成符合中国国
动力特性的非线性特征更为显著,导致其对结构动力
情的漂浮式风电基础结构设计的参考依据,对中国海
响应的影响机理更加复杂。其一,在浅水条件下,应用
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lma
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表2 风机基础几何参数
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几何参数
数值 /m
①
②
总吃水③
静水面以上主立柱高度
xjμ
xj
增强,传统的基于势流理论的分析方法无法考虑二阶
学
受海洋环境影响更为显著;其三,波浪荷载非线性特性
大
1
k ω
2
ρ 1-F1 σω ω x x 。
海上浮式风机的运动对结构载荷的影响
海上浮式风机的运动对结构载荷的影响摘要：为了优化海上浮式风机系统设计，本文展开海上浮式风机运动对结构载荷的影响研究，通过建立空气动力—水动力耦合动态分析理论模型，对风机系统在纵荡运动、升沉运动这两种运动方式下，叶片、塔柱结构载荷的具体影响。
发现风机运动响应幅度会很大程度增加风机结构载荷，所以在设计海上浮式风机，需要降低叶片、塔柱结构载荷作用力，为海上浮式风机设计提供理论指导，也为类似研究提供参考借鉴。
关键词：海上浮式风机；运动；结构载荷随着我国近几年海上风电建设事业的飞速发展，风机结构尺寸与发电效能得到不断增加，更大兆瓦级风机可以极大程度提升海上风电场经济效益。
以往设计海上浮式风机所受自身重力与转动作用下，叶片会受交变载荷作用力的影响，且浮式风机的基础运动和叶片桨距角也会发生变化，造成风机叶片根部载荷作用力增加[1]。
通过对海上浮式风机的深入研究，分析基础运动对于风机叶片和塔柱结构的载荷影响，顺应未来风机事业发展大型化趋势，对于优化设计海上浮式风机，成功降低风机结构载荷意义重大。
1模型理论基础运用叶素动量理论计算叶片风载荷，在叶片延展向可以划分为多个叶素，在风载荷叶片旋转时，这些叶素会形成圆环区域。
叶尖半径用R表示，浆距角用β表示，弦长用c表示，风机的β和c均会沿桨叶轴线发生变化。
在风通过叶片时所产生的升力用L表示，拖拽力用D表示，与转子平面转矩和转子轴向推力相平行，这就是海上浮式风机在设计中需要面对的主要载荷作用力。
在叶片上产生的推力作用，也会向塔柱结构传递，在理想非分离气流作用下，集中在与叶片前沿距离弦长处作为力与力矩作用，每一个叶片会在展向长度为dr，与相对速度方向升力相垂直，与相对速度拖拽力相平行，公式如下[2]：（1）（2）式中：升力系数用CL 表示，拖拽力系数用CD表示，经风洞试验可测系数，其中需要注意，由于叶片截面所处不同跨度位置，会形成不同形状，所以跨度r的函数为CL 和CD。
叶片根部所受摆振弯矩与挥舞弯矩，经截面载荷在展向可得公式如下[3]：（3）（4）在本次建立此数值模型中，在浮式风机所受波激载荷作用力用F(t)表示，相关于波面高度，公式如下[4]：（5）在时域范围内的F(t)公式如下：（6）2浮式风机运动影响结构载荷建模本次建模选用Hywind SPAR式海上风机系统设计，WADAM为水动力程序及Matlab仿真模块，建立空气动力—水动力耦合动态分析模型（见图1），采用FAST分析软件对本次海上风机的运动结构载荷影响进行分析，数值模型包含三叶片风机、变桨与变速控制系统、机舱、发动机、塔柱、锚泊等。
6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究
6 MW漂浮式风电机组极限载荷特性研究张智伟;李辉;李力森【摘要】As the offshore wind farm construction from offshore to the deep sea,floating wind turbine will be the best choice. According to East China Sea environment condition and IEC standard,this article selects the Sinovel 6 MW wind turbine, researches the load characteristics in different foundation type using aerodynamic - hydrodynamic coupled time domain analysis methods. The calculated results show that blade root and hub ultimate loads are not obviously increase for floating wind turbine compared with offshore fixed wind turbine,but the increasing amplitude of tower bottom ultimate loads can achieve 30%. In normal power generation condition,blade root and hub loads are mainly controlled by wind loads,but the effects by wind loads and wave loads for tower bottom and top ultimate loads are different in different conditions.%海上风电场建设由近海走向深远海,漂浮式风电机组将会是这一区域最适合的选择.选用华锐6 MW机组,结合东海某海域环境条件和IEC规范,利用气动-水动耦合时域分析方法,对不同基础型式下的风电机组载荷特性进行研究.计算结果表明:漂浮式风电机组叶片、轮毂极限载荷与海上固定式风电机组相比没有明显增加,塔筒底部极限载荷增加幅度可达30%;在正常发电工况和极端空转工况叶片和轮毂极限载荷主要受风载荷控制,而塔筒底部和顶部极限载荷在不同工况受风载荷和波浪载荷影响效果则有不同.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2017(035)008【总页数】7页(P1229-1235)【关键词】深远海;耦合时域分析;基础型式;极限载荷【作者】张智伟;李辉;李力森【作者单位】上海绿色环保能源有限公司,上海 200433;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872;华锐风电科技(集团)股份有限公司,北京 100872【正文语种】中文【中图分类】O352;TK81随着水深的增加，海上风电场建设采用固定式基础经济性不再明显，漂浮式风电机组既可以降低噪声和视觉方面的要求，又可以充分利用海洋资源，是深远海风电场建设有效的解决方案。
考虑二阶波浪荷载效应的海上TLP浮式风机分析
考虑二阶波浪荷载效应的海上TLP浮式风机分析金辉;王腾【摘要】基于多数专业风机数值模拟软件只可进行一阶波浪荷载计算这一缺点,文中将以AQWA为基础,利用其可进行二次开发的技术优势,通过实时调用风机气动荷载,实现海上TLP浮式风机分析。
分析中,浮式风机平台一阶、二阶波浪荷载由AQWA计算,实时调用的气动荷载由动态链接库提供。
该动态链接库主要包含了根据叶素动量定理自行编译的气动荷载计算程序。
经过与FAST比较,得知该方法能满足分析需求。
垂荡、纵摇力的二阶效应尤为明显。
仅计算浮式风机平台波浪荷载时,可以不考虑风荷载的影响,但必须考虑平台运动的影响,波浪荷载主要受纵荡、纵摇运动影响,几乎不受垂荡运动的影响;当研究浮式风机平台运动时,必须考虑风荷载和二阶波浪荷载的影响,二阶波浪荷载使得平台响应在整个频率范围内都明显增大。
张力筋腱张力受二阶波浪荷载的作用更明显。
【期刊名称】《海洋技术学报》【年(卷),期】2019(038)001【总页数】7页(P66-72)【关键词】气动荷载;波浪荷载;浮式风机;叶素动量理论;AQWA【作者】金辉;王腾【作者单位】[1]中国石油大学(华东)船舶与海洋工程系,山东青岛266580;[1]中国石油大学(华东)船舶与海洋工程系,山东青岛266580;【正文语种】中文【中图分类】TM315数值模拟作为评估风机各项性能的最经济方法，一直是人们研究的重点方向。
用数值模拟对风机响应的研究很多。
如马钰等[1]用FAST对风浪环境下浮式风机响应进行了研究，分析中需先用WAMIT计算出与频率有关的一阶水动力，经时域转化并导入到FAST后方可进行整体性能分析，该方法尚不能考虑二阶波浪荷载的作用。
HAWC2[2]分析海上浮式风机时，水动力荷载由莫里森方程计算[3]，若要详细地计算水动力荷载，需开发出可实时调用WAMIT或SIMO/RIFLEX等软件的动态链接库。
上述分析中，虽然保证了风荷载计算的精度，但要借助第三方水动力软件进行波浪荷载的计算，其缺点是频域荷载转化为时域荷载时存在误差且不能计算二阶波浪荷载，或者对于非软件开发人员，难以高效地实现多个进程之间数据的实时传递。
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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。