漂浮式海上风电机组基础竖直向水动力载荷研究

黄宇同，蔡继峰，符鹏程，王丹丹

（北京鉴衡认证中心，北京 100013）

漂浮式海上风电机组基础竖直向水动力载荷研究

黄宇同，蔡继峰，符鹏程，王丹丹

（北京鉴衡认证中心，北京 100013）

本文基于OC4项目的第二阶段研究，利用Bladed for Windows 4.3建立了三支柱半潜式浮动平台的风电机组模型，并采用Morison方程建立水动力载荷。对比分析了平台在4种不同的初始状态下，竖直方向的水动力载荷对半潜式浮动平台自由振动的影响。

Morison方程；半潜式浮动平台；水动力载荷

0 引言

相比陆地，风资源在海面上更为丰富、稳定性更高，而且湍流度更小，可减少风电机组的疲劳载荷。加之海上风电所受空间限制少，负荷中心大多沿海分布等优势，近年来许多国家将目光投向了海上风电。截至2012年年底，中国已建成的海上风电项目共计389.6MW，是除英国、丹麦以外海上风电机组装机最多的国家[1]。据估计，截至2015年，中国的海上风电项目将达到总装机量5GW[2]。支撑结构是海上风电和陆上风电最大的区别，它关系到海上风电机组的安全性和稳定性，是海上风电最重要的结构之一。目前主要的支撑结构为固定支撑结构，主要应用于近海区域，受到水深和海床土壤条件的影响很大。

为了使风电场的选址不受水深和海床条件的限制，从而使风电场的建立能够更好地利用风资源，漂浮式基础的概念和设计获得了越来越多的关注。IEA（International Energy Agency） 的OC3（Offshore Code Comparison Collaboration）项目中的Hywind风电机组系统采用了类似于倒立摆的spar-buoy的漂浮式平台概念[3]；在后续的项目中，OC4①（Offshore Code Comparison Collaboration Continuation, IEA TASK30）第二阶段采用了三支柱半潜式的浮动平台，目前只进行到仿真结果对比的阶段。总体来说，目前针对漂浮式基础的海上风电机组的设计和研究还十分有限。对于传统的采用固定支撑结构的风电机组，平台运动不受竖直方向水动力载荷影响，而对于漂浮式基础，其竖直方向上的水动力载荷对风电机组运动的影响不可忽略。本文基于OC4项目的第二阶段研究，对比分析了竖直方向的水动力载荷对半潜式浮动平台自由振动的影响。

1 浮动平台建模

OC4项目中的浮动平台主要由三根半潜式支柱和一根主柱组成，风电机组搭载在位于中心的主柱上，为NREL（National Renewable Energy Laboratory）5MW的风电机组，原点位于海平面和平台中心交点，x轴指向南，z轴沿塔架中心指向上，x－y－z成右手坐标系，如图1所示。

侧面支柱高出水平面12m，吃水深度为20m，塔底与中心主柱相连，高出水平面10m，塔架净高度为77.6m。为保持平台的稳定性，侧面3根支柱均注水。整个平台通过固定在海底的3条缆绳系泊，水深为200m。

图1 半潜式海上风电机组结构图

表1 半潜式浮动平台几何尺寸

本文采用Bladed 4.3版本对该海上风电机组进行建模，梁单元结构模型示意图如图2所示。

Morison方程在水动力载荷建模中有广泛的应用，本文采用Morison方程对平台的水平方向和竖直方向加载水动力载荷。根据Morison方程，对于一个处于横向来流中的圆柱体，其单位长度上所受载荷可以表示为

其中，D是圆柱体直径，u和 分别为波浪和圆柱体的速度，Ca和Cb分别为附加质量系数和阻力系数。Cb的确定可以通过求解势流问题得到，平台所受外力可以表达为[4]：

图2 半潜式浮动平台模型

表2 半潜式浮动平台阻力系数

Morison公式广泛应用于固定支撑结构的海上风电机组受力分析，但是对于漂浮式支撑结构，垂荡方向上的水动力载荷不能忽略。对于本文研究的半潜式浮动平台，为了保持整个机组的稳定性，侧面三个支柱的底部直径被设计得很大，水动力载荷的作用对其垂荡运动行为的影响尤为重要，在建模时必须考虑。与处于横向来流的圆柱体受力相比，在竖直方向上Morison公式的表示是类似的，而附加质量系数和阻力系数的选取则需重新计算。IEA TASK30小组给出了竖直方向的Morison公式：

2 结果对比和分析

相比固定支撑结构的海上风电机组，漂浮式海上风电机组在竖直方向上所受水动力载荷会对整个风电机组的稳定性造成更大的影响。因此，本文针对平台处于不同的初始位置，对比分析了竖直方向上水动力载荷对平台运动的影响。仿真结果的计算均设定为无风，风轮锁定的park状态。

2.1 浮动平台偏离平衡位置x=22m

以下结果中蓝线和红线分别代表未加载竖直方向水动力载荷和加载竖直方向水动力载荷的平台运动行为，(a)－(f)分别为平台的纵荡（surge）、横荡（sway）、垂荡（heave）、横摇（roll）、纵摇（pitch）和偏荡（yaw）。

从图4（a）结果可以看到，对于平台的纵荡，两种情况的模拟结果是一致的，这是因为都是以相同方式加载的水动力载荷。而对于平台的垂荡和纵摇运动，图4（c）和图4（e）表明水动力载荷主要起到阻碍作用，使得平台的振动快速衰减，而且振动频率变缓。其余方向上两种情况下的振动幅度都很小，不做考虑。

图3 竖直方向的水动力载荷加载

图4 浮动平台偏离平衡位置x=22m

图5 浮动平台偏离平衡位置z=6m

2.2浮动平台偏离平衡位置z=6m

从图5(c)中可以看出，在平台做垂荡自由振动时，在竖直方向水动力载荷作用下，平台振动的振幅衰减速度大幅增加，而且振动频率变缓。其余方向上两种情况下的振动幅度都很小，不做考虑。

2.3 浮动平台偏离平衡位置pitch=8°

从图6（a）可以看出平台的纵荡在两种情况下的模拟结果相似。平台的纵摇运动对整个风电机组的载荷会产生很大影响，图6（e）的结果表明考虑竖直方向的水动力载荷可以使这种倾覆运动迅速衰减。其余方向上两种情况下的振动幅度都很小，不做考虑。

2.4 浮动平台偏离平衡位置yaw=8°

对于绕竖直轴的自由振动，从图7的结果可以看出两种情况下，平台的运动行为差异不大。

图6 浮动平台偏离平衡位置pitch=8°

3 总结

①OC4项目介绍：IEA TASK 30∶ OC4是Offshore Code Comparison Collaboration Continuation的简称，是OC3(Offshore Code Comparison Collaboration, IEA TASK 23)的延续，目前有18个国家的47个机构参与（中方机构有中国风能协会和金风科技有限公司），其目的主要是检验海上风力发电机组支撑结构的软件建模和相关标准的制定。

本文基于OC4项目的第二阶段研究，对比了大直径立柱加载竖直方向的水动力载荷对半潜式浮动平台自由振动的影响。发现在考虑了竖直方向的水动力载荷后，在横摇、纵摇和偏荡运动上，起到阻尼作用，使这三个方向的运动得以迅速衰减，从而降低基础以及风电机组的载荷。随着海上风电机组的日趋规模化，在进行海上风电机组设计时，漂浮式的基础将逐步得以应用。而对于这种基础，特别是含有大直径立柱的基础平台，竖直方向的水动力载荷在很大程度上降低了基础和机组的载荷，因此在设计时需对该影响尤为重视，可大大减少风电机组的建造成本。

图7 浮动平台偏离平衡位置yaw=8°

[1] 中国可再生能源学会风能专业委员会. 2012年中国风电装机容量统计[R], 2013.

[2] Choong, Y. S. The Current Status and Prospects of Offshore Wind Power in Asia [J] ,WWEA Quarterly Bulletin, 2012( 2): 40-46.

[3] Jonkman, J. M. Definition of the Floating System for Phase IV of OC3[R]. Technical Report NERL/TP-500-47535, 2010.

[4] J. M.Jonkman. Dynamics Modeling and Loads Analysis of an Offshore Floating Wind Turbine[M].National Renewable Energy Laboratory of the US,2007.

[5] Catalano, P., Wang, M., Iaccarino, G., Moin. Numerical simulation of the flow around a circular cylinder at high Reynolds numbers[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2003(24):463-469.

Hydrodynamic Analysis for A Semisubmersible Floating Platform in Heave Motion

Huang Yutong, Cai Jifeng, Fu Pengcheng, Wang Dandan
(China General Certification Center, Beijing 100013, China)

This paper modeled a semisubmersible floating offshore wind system based on the research of OC4 project phaseⅡ by Bladed for Windows 4.3, and used Morison equation to simulate the hydrodynamic load on the semisubmersible. Then a comparison and analysis of the effect of hydrodynamic load in the heave direction of the semisubmersible were given for 4 different initial states of the platform.

Morison equation; semisubmersible; hydrodynamic load

TM614

A

1674-9219(2013)08-0088-07

2013-07-10。

黄宇同（1985-），男，硕士，主要从事风电机组载荷评估工作。