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23号风力发电任务的2号子任务执行总结

丰富的海上风力资源代表了在世界大部分地区利用海上安装的风力发电机发电的潜力。然而困难的是标准化的设计，因为在水深、土壤类型、风浪严重程度的影响下海上环境的差异会很大。为了确保海上风机装置实现低成本高效益，使用优良的支撑结构是必须的。这些支撑结构的类型包括固定式单桩、重力基础和空间框架，如三脚架和格架，还有框架（“导管架”）和浮动结构。在这种背景下，海上风电行业面临着许多新的设计挑战。使用模拟工具设计和分析风力发电机（即设计代码）能够预测系统的耦合动态载荷和响应。陆上风力发电机分析依靠于气动伺服弹性代码的应用，包括气动、空气动力、控制系统（伺服），以及在耦合仿真环境中的时域结构动态（弹性）模型。近年来，一些代码已经扩展到海上设施，包括入射波、海流、流体力学和基础动力支撑结构。这些代码的复杂性，以及可获取的用于使代码生效的数据有限，（这些情况）强调了验证它们的准确性的需要。为了满足这一需要，在IEA风能任务23的2号子任务下运行的离岸代码对比协作（OC3系统）被建立。

为了测试新开发的代码，OC3的主要内容包括（1）讨论建模策略；（2）开发一套基准模型和仿真；（3）运行仿真并处理仿真结果；（4）对结果进行比较和讨论。更具体地说，这些内容包括：

bull; 评估模拟的准确性和可靠性，以建立对预测的信心

bull; 培训新分析师使其能够正确运行和应用代码

bull; 识别和验证实施理论的能力和局限性

bull; 调查和完善应用分析方法

bull; 确定进一步的研究和开发（Ramp;D）需求代码比较与代码修正（这一行为）有益于识别模型的缺陷和亟待解决的问题，在过去，像这样的验证工作使得模型准确性显著提高。海上风电行业的发展与系统动力学模型的发展和准确性都依赖于这些重要结果。

OC3项目是在国际参与者之间的技术交流下进行的。他们来自美国、德国的大学、研究机构和工业机构，或者是丹麦、英国、西班牙、荷兰、挪威、瑞典和韩国等不同国家。此外，大多数为模拟动力响应而开发的航空液压伺服弹性编码都在OC3中进行了测试。

在气动与水动力联合作用下的海上风力机仿真荷载非常复杂。因此，基准测试任务需要一种精妙的方法，有助于在各种代码中识别出不同理论和模型引入的差异。在模型复杂性一步一步地增加的情况下，想要实现这种可能，只有（1）精心控制所有输入代码和（2）仔细地运行一个逐步的验证程序。

OC3中控制代码的基本输入集与风机的规格有关。OC3项目采用的是NREL制定的5兆瓦风力发电机组的公共规范，是一个极具代表性的多兆瓦风力发电机的公共规范。这种传统的三叶逆风变速变桨距控制涡轮具有精密的转子气动特性；叶片、传动系、机舱和塔架结构特性；发电机扭矩和叶片桨距控制系统特性，提供给所有OC3参与者以形成动态链接库（dll）的形式。文中还对工程中使用的各种海上支护结构的水动力和弹性特性进行了控制。此外，湍流的全场入流和规则与不规则波运动学是OC3控制下的模型输入。这种方法消除了不同湍流模型、波动理论或随机事件可能带来的误差。

还有一个重要的过程就是逐步比较，这可以发现代码之间的差异的来源。当转子和塔架处于刚性或柔性时，输入风和浪各类组合，得到施加风、浪载荷时的动力响应。最后，对风机进行试验，以得到控制系统的评估。

OC3项目着重强调了作为完整动力学一部分的海上结构动力学的验证。这一重点使得OC3与以往的风机代码项目不同。为了研究涵盖不同海域的各种支撑结构所需成本，OC3在不同阶段对不同支撑结构进行研究。

bull; 第一阶段，NREL的近海5兆瓦的风力涡轮机是安装在一个水深20m的刚性单桩基础。

bull; 第二阶段，通过应用不同的模型来表示桩土的相互作用，使第一阶段的单桩基础变得具有柔性。

bull; 第三阶段，水深改为45 m，单桩替换为三脚架下部结构，这是中等水深的海上设施中常见空间框架概念之一。

bull; 第四阶段，风力涡轮机安装在深水（320米）的浮式桅杆浮标上。

第一阶段到第四阶段的代码与代码比较大体上是一致的。下文讨论了存在差异的主要原因以及第一阶段至第四阶段的其他发现。

第一阶段-刚性基础的单桩：

bull; 与基于高保真度多体和有限元的代码相比，基于模态的代码预测的二阶和更高耦合特征模略有不同。因此，在较高的频率范围内，动态响应和能量含量的差异是可以预料的。

bull; 与直角坐标代码相比，极坐标的代码可以更平滑地预测风场中的空气动力负载（从而达到更小的负载偏差和更小的数据传输）。这一结果来源于风场的数据。为了确保每次试验都有入风量，以直角坐标系进行采集，然后将其导入进极坐标的代码中。通过使用精细的空间分辨率（转子盘上32times;32点），尽可能减小两坐标系之间的差异。

bull; 规范中的气动诱导、塔架干扰、轮毂和叶尖损失以及动态失速模型的差异，还有在偏转或未偏转叶片状态中是否应用气动负载，都归因于几个关键风力涡轮机（如叶根）负载平均值的变化。

bull; 不同离散化的气动、水动力载荷模型将导致代码预测的差异。这在受自由表面附近水动力荷载离散化影响最为严重的下部结构表现得很明显。

bull; 即便已经尽力使模型的输入标准化，但仍然会出现用户的错误使用。在模型设计和按预期运行之前，通常需要进行几次修改。在某些情况下，还可能存在错误，并且导致无法建立正确的模型。

第二阶段-柔性基础的单桩：

bull; 第一阶段的所有结果也适用于第二阶段的结果。

bull; 桩基础可以简化为刚性固定、耦合弹簧和分布式弹簧三种的基础模型，以确保系统在泥面上的整体响应在给定的负载条件下是相同的。

bull; 第一阶段结果所描述的离散化问题会导致第二阶段支撑结构的第二特征模态中出现更高的应激反应。然而，这种高应激反应只有在涡轮机不运行时才可见，因为气动负载往往限制额外应激反应的数量（即气动负载往往会减弱应激反应）。

bull; 用不同的方式建立空气动力学模型对风机载荷平均值的影响要大于对功率谱的影响。

第三阶段-三脚架：

bull; 第一阶段的所有结果也适用于第三阶段的结果（第二阶段的结果对第三阶段的影响较小，因为第三阶段不使用基础模型）。

bull; 计算非浸没的多构件结构中浮力荷载最直接的方法是直接整合随时间变化的波高的静水压力（与之相对的是把结构看作一个放置的桩体并对桩底进行修正，以此来计算浮力载荷）。这对于斜式、锥形式、嵌入式的非浸没结构是重要计算方法。OC3项目对两者进行了比较，得到了全员公认。

bull; 刚性多构件结构建模的最直接方法是将结构的所有构件的弹性模量增加几个数量级。这种计算让我们了解到在允许误差范围内载荷在静不定结构是如何传递的。对于考虑刚性三脚架的负载情况，OC3项目也对其进行比较，获得了全员公认。

bull; 锥形构件的水动力和浮力载荷离散化程度不同导致到代码预测的差异。为了消除这种差异，必须对锥形构件的水动力和浮力荷载进行精细离散。由于水动力惯性和浮力荷载取决于构件直径的平方，节点之间的长度过长会导致总荷载出现较大误差。

bull; 由于三脚架的构件直径较大，因此较大范围的表面积和体积在接头处重叠，如果重叠部分是由质量、刚度、水动力载荷和浮力载荷造成的，则会扭曲整体荷载水平。这是一个对三脚架的整体负载和响应有很大影响的发现。bull; 多构件支撑结构中构件的局部剪切变形可以使用Timoshenko单元建模，局部剪切变形被发现对多构件结构的荷载分布有巨大影响。这是一个令人惊讶的发现，因为在OC3的分析中三脚架的梁都是细长的，因此伯努利欧拉忽略剪切变形的计算方法被认为是足够精确的（并且在叶片、塔和单桩中也是足够的）。然而事实上剪切效应比起初的假设更重要，这是因为梁紧密地附属在其他结构和一些相关的，影响载荷分配的结构替代品。代码比较的结果可以清楚地区分对梁的单元方程有剪切影响的代码和没有剪切影响的代码。bull; 初始瞬时态的解需要时间计算，是因为三脚架有小量阻尼以及起始阶段水动力载荷初始化的方法。由于气动载荷会让初始值求解速度降低，当涡轮不工作时，初始瞬态的解所需的时间会更长。每个模型对其解决方案进行不同的初始化，因此，在启动瞬态期间，代码会有所不同。

第四阶段-浮式柱式浮标：

bull; 第一阶段的所有结果也适用于第四阶段的结果。bull; OC3 Hywind系统的六个（主要）刚体模式的固有频率（与涡轮韧柔性只有较小的耦合）收到流体动力附加质量的强烈影响。有些代码（如MSC.ADAMS）可以在时域模拟中模拟加速度相关负载，但在线性化解决方案中忽略加速度相关负载。为了通过线性特征解计算固有频率，应用这些代码的模型必须使其平台物理质量和惯性随着与流体动力附加质量相关的附加质量和惯性而增大；否则，这些代码将不合理地预测高固有频率。

bull; 重力对海上系统动力学有多种影响（例如浮力、面波、组件重量、平台纵摇和横摇固有频率）。模型线性化过程中必须包含通过线性特征解计算固有频率的代码，即便陆基风电机组在模型线性化过程中往往忽略了重力的影响。bull; 为在浮式Spar浮标上建立海上风力发电机模型而开发的代码包含两种流体动力学模型：（1）与流体静力学和波浪激振垂荡力有关的Morison方程；（2）势流理论和与非线性粘性阻力项有关的Morison方程。在辐射阻尼可以忽略不计的情况下，两种水动力模型都可以用来预测OC3海风翼梁的等效水动力载荷。对于采用Morison方程的代码，增大的垂荡力可近似为浮力变化，这种浮力变化大致是由对流体静压的直接积分造成的，该流体静压取决于随时间变化的波高。

bull; 忽略附加线性水动力阻尼的代码在响应中明显显示出比包含该阻尼的代码更少的整体阻尼。

bull; 为模拟海上浮动风力发电机而开发的代码包含了系泊系统的准静态或动态公式。准静态系泊模型可进一步分为（1）完整系泊系统的线性化表示，（2）非线性载荷-位移关系，（3）每个单独系泊缆的非线性荷载-位移关系，或（4）隐式非线性悬链线方程的直接解。由于悬链线系泊系统的非线性特性，准静态模型（1）只适用于线性化点附近的小位移。通过建立准静态模型（2）到（4）以及动态模型，可以预测OC3海风翼梁在大多数情况下的等效系泊反应。然而，模型（1）和（2）不能用于计算单个系泊缆的反作用力。

bull; 与具有准静态系泊模型的代码不同，模拟系泊系统动力学的代码（如SESAM和DEEPC）预测了超过峰值波周期的导缆器张力谱中更高的能量。这表明较大弹性应变和较高动态张力的激发值主要由于垂直于线路的牵引力延迟了静态接触网偏转，但也由代码数值解中的（非物理）问题引起。

bull; 由于与波浪和平台周期相比，规定时间序列的持续时间相对较短，平台固有频率和波浪激励频率的低频范围内的响应谱存在相当大的统计不确定性。在这个范围评估的光谱形状对时间序列采样很敏感。

bull; 许多海上浮式风力机规范无法模拟风机的柔性，如叶片和塔架的偏转。忽略这些柔性尽管影响了桨叶和塔架的运动结果，但并没有影响OC3-Hywind系统中的平台运动。

bull; 涡轮和平台的耦合动力学在代码中略有变化。转子的非零平均锤击导致塔顶前后偏转和平台喘振、节距和升沉位移。转子推力由系泊缆中的张力抵消，下游系泊缆的负载小于上游缆。转子轴倾斜导致一些转子扭矩围绕偏航轴作用，导致平台平均偏航位移非零。这些方法的振荡是由湍流和规则或不规则波激励引起的。平台偏航振动是由平台俯仰和旋转转子惯性共同产生的陀螺力矩引起的。bull; 虽然需要确定波浪激振频率对浮动风力发电机组响应的影响，但由于（1）非线性动力学，（2）活跃转子控制，以及（3）转自运行时的周期，使得无法以常规方式计算风机的运作的响应振幅算子（RAO）。浮动风机系统对周期波的响应将是多个频率的叠加：（1）波激励频率，（2）转子转动频率，和（3）任何系统模式的固有频率（如平台升沉），其响应是一种极限循环振荡，该振荡由被非线性行为限制的控制器诱发的失稳所导产生。为了解决这个问题，定义了一个“有效RAO”来表示非线性时域模拟在波激励和非波激励下的响应幅度差异。利用这一定义，发现涡轮在额定风速和上下运行时，与停放的涡轮相比，对OC3 Hywind系统的频率响应有显著影响。此外，（基于势流的）波辐射阻尼对这种响应有很大的影响。因此，在额定风速上下，忽略了阻尼的代码很可能为OC3海风系统预测一个非常不一样的的“有效RAOS”。

在OC3中进行的验证活动非常重要，因为海上风电行业的发展与动力学模型的开发和准确性密切相关。项目参与者之间不仅交流了重要的经验和知识，而且所吸取的经验教训有助于识别现有代码中的缺陷和需要改进的地方，这些将用于提高未来预测的准确性。

23号风力发电任务的2号子任务执行总结

1. 第1章：背景信息和目标

作者：J.Jonkman和S.Butterfield，NREL，美国；P.Passon，捐赠风能（SWE）主席，德国斯图加特大学。

• 1. 23号风力发电任务的2号子任务概述

IEA风力任务23的2号子任务旨在解决与海上风能深水实施相关的技术问题。然而，在实践中，该子任务变成了一个名为“离岸代码对比协作（OC3）”的工作组，该工作组分析了浅水、过渡和深水海上风力发电机的概念。在国家可再生能源实验室（NREL）的协调下，该小组于2005年至2009年开展工作。

风力发电机的设计和分析使用能够预测系统耦合动态负载和响应的仿真工具（即设计代码）。陆基风力发电机分析依赖于使用航空伺服弹性代码，该代码包含了气动、空气动力、控制系统（伺服），以及在耦合仿真环境中的时域结构动态（弹性）模型。近年来，这些代码中的一些已经扩展到包括与海上设施相关的附加动力学，包括入射波、海流、流体动力学和支撑结构的基础动力学。

OC3项目基准系统动力学模型用于估算海上风力发电机的动态负荷。目前，海洋工业采用的保守的海上设计实践使海上风电开发得以继续。但是，如果海上风能是经济性良好的，那么必须量化储备裕度，并且必须减少设计过程中的不确定性，

资料编号：[5299]