海上风力发电塔脉动风速模拟研究

梅玉杰 吴伟强 张国峰 许宜菲 杨进文

摘要：随着我国社会的不断发展和经济水平的快速提高，新能源作为主要的行业，在近些年实现了较快的发展，我国积极研发海上风力发电设备，以期实现新能源的利用，海上风力发电塔脉动风速模拟实验能够提高海上风力发电设备的利用率和新能源利用效率，促进新能源的有效利用。本文阐述了海上风力发电塔脉动风速模拟研究的必要性，其次分析了海上风力发电塔脉动风速模拟研究的相关方法，最后阐述了海上风力发电塔脉动风速模拟的研究过程，以期完善海上风力发电塔脉动风速模拟的研究，提高新能源的利用效率。

关键词：海上;风力发电塔;脉动风速模拟

一、海上风力发电塔脉动风速模拟研究的必要性

随着我国环境保护政策的不断推行，新能源技术随之不断发展，我国在新能源技术行业取得了较大的发展。我国风力发电能够满足新能源行业发展的需要，因此海上风力发电设备作为新能源行业主要的设备，成为了重要的研究方向和研究重点。大型风力发电设备由于大容量和多功能等特点，已经被广泛的应用与海上的风力发电。大型风力发电塔由于塔架较高，自身的叶片较为柔软，因此对于风速和风力的要求十分高，面对的风力应该在一定的范围之内，才能够保证海上风力发电塔的正常运行，只有保证稳定的转速才能够实现稳定的风力承载，因此，在海上风力发电塔的设计过程中，应该做好脉动风速模拟实验，以便更好地为风力发电塔的运行提供充足的动力，因此做好海上风力发电塔的脉动风速模拟研究是十分重要的。

二、海上风力发电塔脉动风速模拟研究方法

随着新能源技术的不断推广，海上风力发电塔作为重要的新能源设备，已经实现了较好的应用，风力发电塔的投入使用，给我国带来了较大的风能资源，实现了我国对于新能源的利用和发展。随着我国的环境保护政策的不断推进，我国新能源技术已经实现了较快的发展，我国的海上风力发电塔作为重要的新能源设备，已经实现了大规模的发展，大型的海上风力發电塔能够实现大量的风力资源，但是大型的风力发电塔自身的叶片较为柔软，应该保证风速均匀才能够实现最佳的风量，这时候就应该实现时域内风振反应分析，进行风力发电塔风速的模拟研究，确保风速能满足大型风力发电的需求。海上风力发电塔脉动风速模拟研究方法主要包括本征正交分解法（POD）、谱表示法（SRM）。Di Paolao首次提出了本征正交分解法，实现了对于矩阵特征值和特征向量的概念和两者关系的研究，表明了这项研究方法的物理意义，应用于海上风力发电塔脉动风速模拟的研究是十分有效的。Chen和Kareem提出了基于协方差矩阵的本征正交分解，并且通过相关的理论基础和实践模拟了风速随机场。刘章军等在本征正交分解法和谱表示法基础上，发展了一种新的思维方式和研究方法，就是利用随机函数降维的方法，通过两到三个基本随机变量实现对于随机风场的模拟研究，能够减少指标的使用数量和计算量，能够最大限度的节约计算的成本，减少使用多个指标造成的计算误差。

根据上述研究方法的理论，本文在本征正交分解法的基础上，提出了考虑塔架与叶片相互影响的本征正交分解法（proper orthogonaldecomposition with tower-blade interaction，POD-TBI），通过引入模态截断技术和FFT算法，对海上风力发电塔脉动风速进行了模拟，并将模拟得到的自功率谱和相干函数与对应目标值进行拟合，验证了本文提出的POD-TBI方法的有效性，从而为海上风力发电塔脉动风速模拟提供一种高效的方法。

三、海上风力发电塔脉动风速模拟

3.1基于功率谱密度函数矩阵的本征正交分解

3.2风力发电塔脉动风场特征分析

风力发电塔脉动风场特征分析的主要过程是通过使用有限元的方法对风力的发电塔的结构进行整体上的离散分析，将风力发电塔的塔架分为有效的四个集中质点，然后三个叶片也分为三个有效的集中质点。该过程是对模拟风速的时程，主要是以中等效质点为动力响应，然后得出需要输入脉动的脉动风场主要由塔架脉动风场和叶片脉动风场组成，由于选择的第一个集中质点与海上平面相交，收到海浪的影响力较大，因此脉动风对于第一个集中质点的影响是微乎其微的，因此本文并不考虑对第一个集中质点脉动风速的模拟。但是风力发电塔塔架与叶片脉动风场的空间存在一定的相关效应，因此，可以通过引入空间相干函数来研究上述效应从而实现对于海上风力发电塔脉动风速的模拟。

3.3风力发电塔脉动风速数值模拟

以o点为坐标原点建立了空间直角坐标系，同时建立海上风力发电塔简化动力计算模型。模型中塔架与底部基础总高80m，塔架出海平面部分高度为60m。塔架出海平面部分等效为三个质点，分别为设置的第二个、第三个以及第四个质点，风机为三叶式，叶片部分长度为40m，每个叶片等效为叶片中部的1个质点，分别为第五个、第六个、第七个集中质点。因此本文通过引入模态截断技术和FFT算法，对模型上的第二到七个集中质点进行脉动风速的模拟，并将模拟得到的自功率谱和相干函数与对应的目标自功率谱和目标相干函数进行拟合，验证本文提出的POD-TBI方法的有效性。

【总结】

综上所述，海上风力发电塔对于风力发电资源的作用是巨大的，促进了我国新能源技术的发展。本文主要研究了海上风力发电塔脉动风速模拟方法，能够克服叶片对于风速承载力的问题，本文在POD方法的基础上，通过引入二维空间相干函数，提出了POD-TBI方法。利用该方法对海上风力发电塔结构的随机风场进行了模拟，得出了如下结论：①对海上风力发电塔的脉动风速进行模拟时，应考虑风场横风向和竖直方向空间相干效应，空间相干函数为二维相干函数。②引入模态截断技术，可用脉动风速随机过程的前几阶能量占优的本征模态来近似表述脉动风速随机过程，可以节省模拟计算量。同时，引入FFT算法，可极大地提高模拟效率。因此，通过引入模态截断技术和FFT算法，使得POD-TBI方法成为一种高效模拟海上风力发电塔脉动风速的方法。

【参考文献】

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