地震、风、浪作用下融合海水养殖的海上风力机耦合响应机理研究

为实现海洋空间立体化,最大化经济产出,提出一种单桩基础海上风电机组（OWT）融合海水养殖的新型增殖型海上风电机组结构（MOWTAC）。该研究提出基于时域耦合数值仿真工具FAST v8的新型增殖型海上风力机水动力计算模型,建立新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下的整体耦合计算模型。进一步,开展地震组合工况作用下新型增殖型海上风力机整体结构动力响应计算。由计算结果可知,地震荷载为新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下海上风力机结构响应的控制荷载。相比于风浪联合工况,新型增殖型风力机在地震荷载激励下2阶频率对于结构响应的影响显著增加。     

基于改进无模型自适应控制的漂浮式海上风机转矩-变桨协调控制策略研究

针对漂浮式海上风机建模困难、频繁变桨造成的严重疲劳损伤等问题,提出一种基于改进无模型自适应控制的转矩-变桨协调控制策略。该策略不依赖漂浮式海上风机的数学模型,通过集成迭代学习控制策略改进无模型自适应控制方法,设计发电机电磁转矩和桨距角作为控制变量的多输入多输出控制器进行协调控制,允许非零度桨距角下风机用做动能缓冲,在平滑输出功率的同时减少变桨动作量。为证明所提出控制策略的有效性,在多种风场景下,与增益调度PI控制等方法进行了对比实验。结果表明：所提出的控制策略使漂浮式海上风机在满足发电功率平稳性的同时减缓了漂浮平台的俯仰运动,可有效降低漂浮式海上风机的疲劳载荷。     

新型漂浮式海上风电基础概念设计和初步动力响应分析

提出适用于南海200 m水域的新型漂浮式风电基础概念设计,并基于NREL 5 MW风力涡轮机对新型基础进行性能分析。采用莫里森方程和势流理论计算水动力载荷,并利用ANSYS/AQWA软件建立风力机结构与水动力数值模型,探究其在频域范围内的水动力性能,计算分析漂浮式风力机在不同波况下的时域动力响应。结果显示,该基础的固有周期能较好地避开常见波浪的周期范围,避免引起共振,水动力性能良好,在南海某海域1年、20年和50年一遇的3种波况下基础的运动响应均满足规范要求,能保证漂浮式风力机在极端海况下的安全性和稳定性。     

二阶波浪力下超大型半潜浮式风力机动态响应分析

针对DTU(Technical University of Denmark)10 MW风力机,使用FAST软件对典型海况下不同水动力分量作用下的半潜浮式风力机系统进行全耦合分析,包括仅一阶波浪力作用、一阶波浪力和采用Newman近似计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域二次传递函数（quadratic transfer functions,QTFs）计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域QTFs计算的二阶和频波浪力作用以及一阶波浪力和全域QTFs计算的完整二阶波浪力作用,以对比分析二阶差频、和频波浪力对超大型半潜浮式风力机动态响应的影响;基于风力机结构疲劳计算理论,分析二阶差频和频波浪力对风力机结构疲劳破坏的影响。研究发现：在极端海况下,二阶差频波浪力对平台运动响应,二阶差频及和频波浪力对半潜浮式风力机结构荷载和疲劳破坏均产生显著影响。此外,Newman近似方法明显低估二阶差频波浪力对半潜浮式风力机动态响应的影响。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

漂浮式海上风力机三维尾流模型研究

针对漂浮式海上风电机组接地系统所处的深海环境及特殊的系泊系统,综合考虑纵荡运动对入流风速和尾流区域膨胀的影响,基于二维BP工程尾流模型,提出一种三维尾流模型（3Dksg_BP）,将该模型用于全尾流区域横向和垂向风速剖面的预测。预测结果与风洞实验数据对比发现,下游1.7D、2.3D、5.0D和10.0D（D为风轮直径）等位置的预测精度均不低于97.6%。基于3Dksg_BP,研究不同频率和振幅下的纵荡运动对尾流造成的影响,结果表明：纵荡运动对尾迹的影响随频率和振幅的增大而增大,且随着下游距离的增加,纵荡运动对尾迹的影响逐渐减小。     

近海深水区混凝土半潜型浮式风机一体化计算与耦合动力特性分析

 文章旨在探索10 MW级半潜型浮式风机的一体化计算方法并分析其在40～50 m近海深水区的耦合动力响应特性。  以10 MW混凝土半潜型浮式风机为例,构建一体化时域数值计算模型,统计分析其额定发电和极端工况下的平台动力响应和系泊张力特征。  平台水平运动主要受波浪荷载、风荷载和系泊刚度特性的影响,最大水平运动和系泊张力发生在生存工况,垂向运动主要受波浪荷载影响,摇摆运动的均值主要受风荷载影响,上述浮式风机动力响应均满足设计指标。  一体化数值计算方法较好地考虑浮式风机耦合动力特性,由于水深限制,近海深水区的海上漂浮式风机对水平运动约束和系泊非线性问题的优化更为重要,响应极值主要发生在极端工况,上述结论为此类漂浮式海上风机基础结构的研究与设计工作提供了一定的参考。     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

强非线性波作用下海上风机动力特性模型试验研究

  目的  单桩式基础是目前近海海上风电场应用最广泛的支撑结构。中国海洋环境多为浅水和中等水深,受到非线性波浪影响较为明显。与行进波相比,聚焦波可以在短时间内形成一个作用在桩柱上、比常规波浪力大的冲击力,从而影响海上风机的运行性能和疲劳寿命。文章旨在探究强非线性波浪作用下海上风机单桩基础荷载特性,掌握聚焦波与基础相互作用规律,为工程设计提供参考。  方法  文章采用水池模型试验的方法对NREL 5 MW单桩海上风机开展研究,缩尺比例为1∶80。结合我国东部沿海风电场的海洋环境条件,选取了三种典型聚焦波模型,通过浪高仪器和测力天平分别记录了不同工况下单桩周围波浪爬高和底部受力变化情况。  结果  结果表明:桩基所受的水平波浪力具有很强的瞬态性;单桩基础所受水平波浪力在聚焦波的作用下会突然增大,在波谷会受到反向冲击力。  结论  文章揭示了聚焦波引起的海上风机单桩基础荷载变化规律,证实了非线性波浪对于风机基础动力特性的重要影响,相关成果具有较高的理论和工程应用价值。     

局部冲刷作用下海上风电机组支撑结构响应

海上风电机组支撑结构在局部冲刷作用下会形成冲刷坑,从而降低基础埋深,导致基础水平承载力的下降,影响机组正常工作运行。以某5 MW单桩式海上风电机组为模型,考虑土壤结构相互作用,应用耦合弹簧模型建立基础模型,仿真局部冲刷作用下机组结构响应。结果表明:相比仅考虑柔性基础模型,考虑局部冲刷的柔性基础模型在机组泥面处最大倾覆力矩与转角增加3.6%和37.9%,且波动性较大,支撑结构一阶前后与侧向固有频率分别降低4.1%和6.0%。     

极端海况下附配重系泊漂浮式风力机响应分析

为提高风波作用下平台稳定性并降低系泊拔锚风险,提出对Barge平台系泊添加配重的新型系泊系统。基于辐射/绕射理论和有限元方法,对比系泊添加配重前后Barge平台动态响应、系泊受力及躺地长度变化,并研究配重位置的影响。结果表明：在保证系泊安全的前提下,添加配重可有效降低平台纵荡、垂荡及纵摇响应并增加系泊躺地长度;当配重距锚点约160 m时,平台纵荡响应最小且躺地长度最大,纵荡、垂荡及纵摇响应幅值分别减小41.9%、20.4%及11.8%。此外,1~4号系泊躺地长度为未加配重时的12.9、2.0、1.9及0.9倍,张力略有增大,但仍在安全范围内;1号系泊（迎风浪侧）躺地长度最小,拔锚风险最高,4号系泊（背风浪侧）添加配重后其躺地长度缩短,拔锚风险增加。     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

新型海上风力发电及其关键技术研究

回顾国外海上风力发电场的发展,针对随着海水深度增加导致海上风力机成本急剧上升的矛盾,引入海上漂浮式风力机概念,并详细介绍其结构和特点,通过系统介绍海上漂浮式风力机组成部分和设计制造中的关键技术,最后得出海上漂浮式风机是一种潜力巨大的新型风力发电技术,值得进一步深入研究。同时,针对我国陆、海资源的具体情况,较为系统地提出了海上漂浮式风力机研究的需要关注的关键问题,指出了该研究所具有的巨大社会经济价值。     

深水海上风电三筒导管架基础受力及浮运分析

以中国福建某较深海域风电场为背景,提出一种海上风电宽浅型三筒导管架基础结构,继而通过建立考虑分层土体的基础整体有限元模型,对分层土中宽浅型三筒导管架基础静动力特性及浮运稳性展开研究。研究结果表明,正常荷载作用下此基础结构法兰倾斜率为3.98‰,满足规范要求：极限荷载作用下,基础结构各部位应力满足要求;基础-塔筒-机组整体共振校核满足要求：基础可在4级风浪以内的海况下进行自浮远距离拖航浮运;等效疲劳荷载作用下,基础结构疲劳损伤满足要求。