Spar风机非稳态动力响应分析

俞玉莲,苟洪顺,邢启险,孟 珣

(中国海洋大学 工程学院，青岛266100)

目前海上风电技术相对成熟，但是海上风电多采用固定式基础。然而有研究表明，当水深超过50 m，浮式基础更有经济性和结构可靠性[1]，浮式基础将会是深水区的最佳选择。现在海上风电的浮式支撑结构主要包括4种：驳船式、半潜式、单柱式和张力腿式。浮式支撑结构水动力特性和运动响应是海上风机设计的重要组成部分，是风机安全运行的基础保障。海上风机基础受到波浪、海流以及风载荷的共同作用，处于相对恶劣的环境中。为此，很多学者对浮式基础开展相关的研究[2-6]，但是以往很多学者在研究浮式风机平台的运动响应中会把风机上部气动载荷简化为质量点加载在结构上模拟，这种方式不能很好地反应平台较真实的运动响应情况。因此，发展风机的整体耦合运动响应很有必要[7]。FAST软件结合模态方程和多体动力学，适用于中等规模风力机的气动仿真。FAST可以对浮式风机进行风机叶片-控制系统-塔架-浮式平台-系泊为一体的全耦合时域动力响应分析。FAST通过调用ElastoDyn模块计算弹性力学、AeroDyn程序计算风机的空气动力学、ServoDyn伺服控制风机发电模块、HydroDyn模块计算水动力、MAP++模块计算系泊系统进行仿真模拟。

目前已有一些学者基于风机整体模型开展了研究。Li[8]等基于气动-水动力-涡激-系泊耦合模型，研究了自由度之间的非线性耦合效应和涡激载荷对浮式海上风力机运动的影响。基于风机整体系统，学者[9-11]研究指出风机上部气动载荷对系泊疲劳寿命的影响显著，MA[12]研究表明风载荷对纵荡运动的影响非常显著，纵荡方向产生大幅度的慢漂运动，对浮体锚链载荷产生很大影响。张大朋[13]分析Spar型浮式风机在不同系泊布置方式下系泊张力和浮式平台动力响应，发现对等式的系泊布置方式整体上是优于分组式。然而，鲜有人关注风机启动过程中的瞬态响应分析，倪鹏[14]和吴松熊[15]指出浮式风机正常启动、关闭故障等工况的瞬态响应分析需要进一步研究。根据挪威船级社统计[16]，一台海上风机平均每年遭遇停机故障高达40次。报告显示[17-19]，荷兰滨海埃赫蒙德海上风电场机组在2007～2009年中，平均每年每台停机210次(风机/a)，停机时间7 h/次，一年中停机时间约占20%。由此，海上风机的开关过程的瞬态响应需要进一步分析。

文章选取5MW OC3 Hywind Spar浮式风机为分析对象，采用大型风力机的仿真软件FAST,研究Spar风机在中国南海某海域波浪、流以及风的共同作用下运行和停机的运动响应，以及风机由于故障引起的开机和停机的过程中的瞬态响应情况。

1 风机整体基本参数信息

5MW风机主要参数如表1所示，OC3 Hywind Spar风机[20]的平台结构和系泊系统参数如表2和表3所示，Spar风机模型和系泊布置方式如图1所示。

表1 风机基本参数Tab.1 Basic parameters of wind turbine

1-a 风机尺寸参数1-b 系泊系统布置示意图图1 Spar风机结构模型 Fig.1 Structure model of Spar

2 分析方法

2.1 海上风机多体动力学模型

FAST[21]采用Kane方法建立多体动力学模型，该方法直接利用达朗贝尔原理建立系统动力学方程，具备矢量力学和分析力学的特点，对于复杂系统可以减少计算量。Kane动力学方程

(1)

根据Kane动力学方程，推导得到风力发电机组系统动力学方程的矩阵形式为

(2)

2.2 气动载荷理论

FAST软件采用经典的叶素动量理论[22]计算风机载荷。根据叶素理论，旋翼在半径为r处的平面内叶素受到斜向上的力dF，dF可以分解为垂直于风机旋转平面的推力dFa和平行于旋转平面的扭矩dFu

(3)

(4)

式中：ρ为空气密度；W为总风速；l为半径r处叶素弦长；Cl和Cd为叶素的升力与阻力系数；α为相对风向角。

2.3 波浪载荷

Roald L[23]等研究发现OC3 Hywind Spar风机中二阶波浪力作用很小，则只考虑一阶波浪力的作用，一阶波浪力为

(5)

式中：N为不规则波分解为规则波后的个数；ηi为第i个规则波的波面高度；ωi为第i个规则波的频率；Fi(ωi)为一阶波浪力的传递函数。

2.4 数值模拟过程

文中采用叶片-控制系统-塔架-浮式平台-系泊为一体的全耦合模型开展研究。采用OC3 Hywind Spar浮式风机模型进行数值模拟。系泊系统1号锚链处于X轴正向位置，2和3号锚链关于X轴对称。选取中国南海某海域风浪流的长期分布作为环境条件[24]。风文件由Turbsim程序生成，Kaimal风谱，湍流强度B，额定风速11.4 m/s，海洋环境参数选取JONSWAP海浪谱，有义波高6.8 m，谱峰周期10.2 s，流速0.642 m/s，波浪和风方向均为0°(如图1-b所示)。模拟时长3 600 s，首先模拟风机在额定风速下运行状态下浮式平台的运动响应，其次模拟风机一直处于停机状态下平台的运动响应，为了避免数据偶然性2种模拟分别选取不同的风和波浪的随机种子各进行5次模拟，取平均值作为风机运行和停机状态下运动响应的计算结果，对比风机运行与停机状态下平台的响应结果，探讨气动载荷对平台运动的影响。最后模拟由故障引起风机开关过程，在1 200 s时开机运行，在2 400 s时关闭风机。将风机运行、停机、开关机三者的运动响应进行比较，探讨开关机过程平台的非稳态动力响应。

3 全耦合数值分析与比较

3.1 风机运行和停机结果分析

为了排除刚开始一段时间内平台波动引起的极值造成数据的误差，数据在处理过程中去掉前250 s数据，保证风机是在运行和停机状态下的响应结果。如表4和表5所示为风机运行状态及风机停机状态平台的运动和系泊张力响应统计结果。

表4 风机运行时平台的运动响应Tab.4 Motion response results of platform during uptime of wind turbine

表5 风机停机时平台的运动响应Tab.5 Motion response results of platform during downtime of wind turbine

图2 3种状态下平台纵荡响应Fig.2 Response of surge of platform with three states

表中的正负号代表方向，从计算结果来看，风机运行相比于风机停机时，垂荡位移的最值以及向上垂荡的平均值减小，向下垂荡平均值增加。其余自由度受气动载荷影响均不同程度的激发，其中纵荡影响最大，运行时的最大值、最小值、平均值和标准差相比停机是3.5、9.3、4.7、2.1倍，从标准差看出气动载荷影响下纵荡运动幅度远大于停机时的运动幅度。其次是纵摇， 运行时的最大值、最小值、相比停机是3.0、-0.4倍。纵荡和纵摇运动幅度增大会引起平台摇摆不稳定。这2个自由度受气动影响的最大是因为风、浪的主要载荷都在X轴正方向，导致这2个方向的所受的载荷较大。运行时平台的横荡、横摇和艏摇最值是停机的1.2～1.8倍。气动载荷主要影响6个自由度运动响应的平均偏移量和响应幅度。

相比于风机停机状态，风机运行时1号导缆孔张力的标准差是其的2倍多，2和3号导缆孔张力是其的4倍多，张力响应幅度很大。1号导缆孔张力值是较停机状态下小，这是因为风机运行时平衡位置偏向X正轴方向，则1号锚链相对于停机处于较松弛状态，导致张力值偏小，但是运行时张力波动幅度远大于停机时状态下。气动载荷主要影响系泊张力的响应幅度。

3-a 开机过程3-b 关机过程图3 风机开关机过程平台纵荡响应Fig.3 Response of surge of platform during the process of wind turbine startup and stop

3.2 3种状态结果对比分析

图4 3种状态下导缆孔3的张力响应Fig.4 Tension response of No.3 fairlead with three states

从前面的分析中知道纵荡方向受气动载荷影响较大，则给出风机运行、停机以及开关机的纵荡时域响应曲线(图2)。从图2上直观看出风机在刚开始启动的时候出现一个相对较大幅值，大约200 s之后再趋于一定位置上下波动。图3为开机及关机过程中纵荡响应的情况。观察图3-a计算发现风机启动过程中幅值较正常运行状态的值最大增加19.3%，且在高幅值做小幅度往返波动。观察图3-b，风机关闭过程中幅值较停机状态的值减小94%，在低幅值处做小幅度波动。风机开关的瞬态过程中会引起平台大幅偏漂移运动。

根据系泊布置方式，2和3号导缆孔张力值基本一样且较大，则给出3号导缆孔张力值曲线，如图4所示，可以发现风机运行状态导缆孔3的波动幅度较大。图5是风机开关机过程中导缆孔3张力响应情况，从图5-a可以观察到，开机过程导缆孔张力增加10%，观察图5-b发现风机停机过程张力值会降低，主要是由于平台纵荡运动牵引所致；导缆孔3处张力做大幅度波动同时做小幅度的往返运动，这种小幅度的循环运动可能会加剧系泊的疲劳损伤。

5-a 开机过程5-b 关机过程图5 风机开关机过程导缆孔3张力响应 Fig.5 Tension response of No.3 fairlead during the process of wind turbine startup and stop

4 结论

文章选取5MW OC3 Hywind Spar浮式风机，计算工况是中国南海某海域为JONSWAP海浪谱，有义波高6.8 m，谱峰周期10.2 s，流速0.642 m/s，波浪、流和风方向均为0°，采用FAST程序模拟风机运行、停机状态运动响应以及故障开关机过程非稳态响应，得到以下结论：

(1)风机在开机过程中平台纵荡非稳态响应值比正常运行增加19.3%。

(2)风机在开机过程中系泊张力幅值较正常运行增加10%。

(3)风机运行相比于风机停机，平台的垂荡运动幅值减小，其他的自由度的运动幅度均不同程度的增加。

(4)风机上部的气动载荷会影响平台各自由度的均值与最值，同时也影响系泊张力的标准差，建议在研究浮式风机基础的运动响应考虑气动载荷的影响，这样模拟的结果相比于不考虑气动载荷更加接近实际，更有利于指导实践。