海上风力发电平台概念设计及系泊系统特性研究

袁培银，赵 宇，王平义，谭 波

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2. 重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074；3. 重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074)

海上风力发电平台概念设计及系泊系统特性研究

袁培银1,2，赵 宇1,3，王平义1，谭 波2

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2. 重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074；3. 重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074)

为实现海上风力发电平台工作状态的准确预报，本文采用有限元软件建立浮式风力发电平台三维模型，完全时域耦合分析在不规则波作用下，浮式风力发电平台动力响应特性。通过时域结果对比分析可知，在风浪流同向作用下，浮式风力发电平台的运动响应幅值及系泊缆索顶端张力最大。通过运动响应时间历程曲线可知，横荡运动和横摇运动表现为低频特性，垂荡运动表现为波频特性，以上研究成果可为浮式风力发电机的优化设计提供一定的指导，并可为将来的相关试验提供一定参考。

海上风力发电平台；运动响应幅值；顶端张力

0 引 言

南海拥有丰富的自然资源，海上风力平台的合理应用可以满足岛上居民的生活用电需求，相比于其他发电形式，海上风力发电具有绿色、清洁、风速高、风情稳定，可减轻用电压力，减少二氧化碳排放，推动国民经济可持续发展，将起到重要作用。

对于海上风力发电平台在波浪中的运动响应分析，国内外的专家做过相应研究。邹早建等[1]对浮式风机平台在规则波作用下的动力响应分析指出，系泊平台的运动是由风机的风力和波浪参数大小共同决定的。Lee[2]提出 TLP 型和 Spar 型 2 种浮式风机系统的概念设计，对其在风浪中的运动响应进行有效、合理的评估。Denis Matha 等[3]在美国研发的 TLP 平台基础上对张力腿模型进行了系统分析，Denis Matha 等根据海上风机的设计准则验证了改良之后的浮式风机 TLP平台，结果表明张力腿式风机平台运动特性较好。Jason M.Jonkman and Marshall L.Buhl Jr.[4]通过全耦合进行分析模拟，对 5 MW 的浮式风力发电机的初步载荷进行了分析，确定了经济和技术的可行性、动力响应、潜在的载荷以及不稳定性。叶小嵘等[5]将浮式平台的运动响应结果对风机气动性能产生的影响考虑在内，并研究在风、浪、流联合作用下风机气动性能。李溢涵[6]以 5 MW 风机为研究对象，考虑粘性阻尼矩阵和系泊系统回复刚度矩阵，考虑系泊系统与基础之间的耦合作用，对风机的整体模型进行时域分析。邓慧静[7]根据三维势流理论和 Morison 方程求解三浮筒半潜平台波浪载荷和浮体在波浪中的运动响应。J.M. Jonkman 等[8]对海上浮式风力发电结构的动力响应分析所采取的耦合方法进行了系统总结，并提出了动力响应的全耦合模拟分析方法；该方法不仅解决了频域和时域各自的局限性，而且可以考虑影响系统的所有可能载荷，同时也验证模型实验方法的可行性。

1 浮式风力发电平台及系泊定位系统设计

浮式风力发电平台是由三立柱共同作用承载风力发电机组的重量，三立柱的特殊布置形式可以使浮式基础的稳性高度在 360° 内所有方向均相等。通过在三立柱下方各设置一压水板，一方面可以减小风力发电机组整体共振的不利影响，另一方面还可以增加浮式基础垂荡的粘性阻尼。同时，浮式风力发电平台设置若干横撑和斜撑，以更好的保持结构的连续性及防止局部区域应力集中。表 1 为浮式风力发电平台的主尺度要素，图 1 为浮式风力发电平台系泊系统布置示意图。

2 浮式风力发电平台及系泊系统运动方程

对于浮式风力发电平台来说，耦合分析是需要考虑海洋结构物及其系泊系统的相互影响，建立整个系统的运动方程和动力方程进行求解，是一类复杂的非线性问题，需要考虑系泊系统的回复力、阻尼力及惯性力对结构物的平均位置及其动力响应所产生的影响[9]。

表1 浮式风力发电平台主要要素Tab. 1 Main parameter of floating wind platform

当完全时域耦合分析浮式风力发电平台运动时，需要将风力机、支撑平台和系泊系统的耦合效应考虑在内，平台的结构可以近似看成具有 6 个自由度的简单刚体。

浮式风力发电平台整体结构体系的运动方程为：

式中：M为结构质量矩阵；A为附加质量矩阵；

Bw和Bm分别为波阻尼矩阵和系泊系统阻尼矩阵；

Kw为水动力恢复刚度矩阵；

Kt和Km分别为张力腿筋腱部分的刚度矩阵和锚缆部分的刚度矩阵；

Fhvs和Fwinds分别为静水力和风荷载力；

FwaveI和FwaveD分别为入射波浪力和绕射波浪力。

当计入不规则波以及海流的作用时，此运动方程为：

式中：Fwavedift为波浪慢漂力；Fcurrents为海流作用力。

3 数值算例

3.1 系泊缆索主要参数

浮式风力发电平台在开阔的海洋环境中，会受到复杂的环境载荷，根据初步的风载荷、海流载荷和波浪载荷的计算，选取 6 根锚链形式的悬链线进行系泊定位，分析认为流体是无粘性、不可压缩的理想流体，考虑系泊缆索与浮式风力发电平台的相互耦合作用，系泊缆索的具体参数如表 2 所示。

表2 系泊缆索主要参数Tab. 2 Main parameter of the mooring lines

3.2 频域分析结果

浮式风力发电平台的工作水深为 1 000 m，不考虑风速的影响，只考虑粘性阻尼力和系泊系统回复力的作用，主要研究浮式风力发电平台六自由度幅值响应算子随浪向角的变化规律，定义浪向角增量步长为30°，分析平台在 0°，30°，60°，90°，120°，150°和 180°浪向角下的运动响应幅值算子的变化规律，如图 2～图 7所示。

由图 2 纵荡 RAO 随浪向角变化曲线可知，纵荡RAO 从 0°～180° 呈现先减小后增大的趋势；由图 3可知，横荡 RAO 随浪向角变化可知，横荡 RAO 从0°～180° 呈现先增大后减小的趋势，无论在任何浪向作用下，都是在 0.3 rad/s 处出现极值；由图 4 可知，垂荡 RAO 随浪向角变化可知，无论在任何浪向作用下，垂荡 RAO 基本不发生变化，且在 0.3 rad/s 处出现极值，同时也表明垂荡 RAO 与波浪入射方向基本无关。由图 5 横摇 RAO 随浪向变化可知，随着浪向角的增加，横摇 RAO 表现出先增大，后减小的趋势，且在0.3 rad/s 处出现极值；由图 6 纵摇 RAO 随浪向变化可知，随着浪向角的增加，横摇 RAO 表现出先减小，后增大的趋势，在浪向角是 90° 时为单峰值，在其他角度为双峰值。

3.3 时域分析结果

本文以风、浪、流组合环境为例，通过对本模型10 800 s 的数值模拟结果可知，风、浪、流 3 种载荷在同一方向时，系泊缆索的顶端张力出现最大值，浮式风力发电平台的运动响应幅值出现最大值，由于结构的特殊稳定形式，纵荡运动幅值的最大为 0.2 m，纵摇运动幅值最大为 0.65°，首摇运动幅值最大 0.65°，在浮式风力发电平台的六自由度中，横荡、垂荡和横摇为主要的运动模态，运动响应时间历程曲线如图 8～图 10所示。

从图 8 风力发电平台横荡时间历程曲线可看出，由于风浪流同向 90° 入射，风力发电平台的运动幅值会不断增大，并且呈现出大周期、不规则的运动形式，系泊系统提供水平回复力，使风力发电平台围绕相对平衡位置做往复运动。从图 9 风力发电平台横荡响应谱可看出，横荡表现为明显的低频特性，能量主要集中在 0.75 rad/s 附近处，在 0.1 rad/s 处出现峰值。

从图 10 风力发电平台垂荡时间历程曲线可看出，由于风浪流同向 90° 入射，浮式风力发电平台在平衡位置处往复运动，风力发电平台的运动受到系泊系统回复力、重力和浮力等外力共同作用，使其运动幅值逐渐减小。从图 11 风力发电平台垂荡响应谱分析出，垂荡表现为明显的波频特性，能量在 0.08 rad/s 处略微有变化，但是能量主要集中 0.30 rad/s 附近处，且在0.3 rad/s 处出现峰值。

从图 12 风力发电平台横摇时间历程曲线可看出，由于风浪流同向 90° 入射，浮式风力发电平台的横摇角有很大的幅值变化，风力发电平台的运动受到系泊系统提供水平回复力，使其运动幅值逐渐减小。从图 13风力发电平台横摇响应谱分析出，横摇表现为明显的低频特性，能量主要集中 0.09 rad/s 附近处，且在 0.09 rad/s 处出现峰值。

4 结 语

通过完全时域耦合的分析方法，对作业水深 1 000 m的风力发电平台及其系泊系统的响应进行求解，得出风力发电平台及其系泊系统的动力响应特性。同时，本文描述风力发电平台概念设计的基本流程及其系泊系统设计的参数，考察风力发电平台幅值响应算子随浪向角的变化及求解风力发电平台在系泊系统的作用下，主要运动模态的运动响应幅值及运动响应谱，为实际工程的应用、系泊系统的设计提供一定的参考价值，具体结论如下：

1）从纵荡和纵摇 RAO 随浪向角变化曲线可知，纵荡和纵摇 RAO 从 0°～180° 变化过程中呈现出先减小后增大的变化趋势，且纵摇在 0.3 rad/s 和 0.55 rad/s处出现双峰值；

2）浪向任意角度入射，垂荡 RAO 各曲线基本重合，幅值基本不发生变化；横荡和横摇的幅值响应算子从0°～ 180° 变化过程中呈现出先增大后减小的变化趋势，且横摇也在 0.3 rad/s 和 0.55 rad/s 处出现双峰值；

3）对于海上风力发电平台作业海况下，风浪流同向作用，横荡、横摇和垂荡运动响应十分显著，横荡的最大幅值为 43 m，垂荡运动最大幅值为 1.5 m，横摇运动最大幅值为 1.5°，满足响应规范的要求；

4）从海上风力发电平台主要运动模态响应谱可知，横荡运动具有显著的低频运动特性；而垂荡的谱峰集中在 0.3 rad/s 附近，主要呈现波频运动的特性；横摇运动的谱峰能量集中在 0.09 rad/s 附近，主要呈现低频运动的特性。

总之，风力发电平台是深海能源开发最主要的形式之一，也为新型能源风力发电机的主要载体，合理的平台型式设计及系泊系统的优化，可以有效避开波浪能量集中的频率，使得风力发电平台的主要运动模态幅值明显改善，大大增强平台的适用范围、舒适度和安全性。

[1]唐耀, 范菊, 邹早建, 等. 浮式风机平台在规则波和定常风作用下的动力响应分析[J]. 中国海洋平台, 2014, 29(1): 50-56. TANG Yao, FAN Ju, ZOU Zao-jian, et al. The response analysis of floating wind platform in regular wave and steady wind[J]. China Offshore Platform, 2014, 29(1): 50-56.

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[4]JONKMAN, J. M, a BUHL M L, Jr., ‘Loads analysis of a floating offshore wind turbine using fully coupled simulation.’NREL/CP-500-41714, Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, June3-6, 2007: 6-10.

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[6]李溢涵. 海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究[D], 天津:天津大学, 2011.

[7]邓慧静. 海上浮式风机平台稳性及锚泊系统性能研究[D], 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012.

[8]JONKMAN J M, BUHL JR M L. Development and verification of a fully coupled simulator for offshore wind turbines[A]. The 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Wind Energy Symposium. Nevada, 2007: NREL/CP-500-40979.

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The concept design of floating wind platform and the research on hydrodynamic characteristics of its mooring system

YUAN Pei-yin1,2, ZHAO Yu1,3, WANG Ping-yi1, TAN Bo2
(1. College of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. College of Shipping and Marine Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 3. College of Architecture and Urban Planning, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To achieve the precise research of operative mode of floating wind platform, this paper create the three-dimensional model, give the analysis of dynamic response characteristics of floating wind platform in irregular waves by fully time domain coupled analysis. The motion of floating wind platform and the top tension of mooring lines are the maximum in the same direction of current and wave by the time domain results of comparative analysis. The results show that the motion of sway and roll put up the characteristics of low frequency, the motion of heave show the characteristics of low frequency, the above results can provide some guidance for the optimized design of floating wind turbines and supply the reference for related tests in the future.

floating wind platform；response amplitude；the top tension

U674.03+1

A

1672 - 7619(2017)04 - 0079 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.016

2016 - 08 - 02

重庆市社会民生科技创新专项资助项目(CSTC2015shmszx30011)

袁培银(1987 - )，男，博士，研究方向为船舶与海洋结构物设计与制造、航道整治理论与技术。