2014北京國際風能大會之“風電機組總體設計”專場——鑒衡認定符鵬程：海上風力發電載荷仿真方法探討

　　中國風電材料設備網:一年一度的風能行業的盛會——2014北京國際風能大會暨展覽會，于22日在北京新國際展覽中心盛大開幕，本屆大會的主題是“和諧共贏，構筑穩健的風電市場”。10月22日下午“風電機組總體設計”專場——來自鑒衡認定中心的符鵬程工程師，他演講的內容是“海上風力發電載荷仿真方法探討”下面是文字實錄：
    劉琦：下面為大家做演講的是來自鑒衡認定中心的符鵬程工程師，他演講的內容是海上風力發電載荷仿真方法探討。
    符鵬程：大家好！首先講一下載荷仿真的理論，這是一個海上風力發電，其實是東海大橋里面的項目。海上風電其實分兩個部分，首先是機組部分，然后是基礎這邊。對于機組部分它受的載荷其實主要來自于風，而風它其實作用的主要位置也是葉片。對于機組部分，它的載荷來自于海水，得到風對機組的影響，以及海水對機組的影響之后，載荷之下整體的響應也是需要我們進行考慮的。
    首先，介紹一下風載的計算理論，因為風主要作用在葉片上，然后塔架包括機艙和輪轂，它其實是一個次要的載荷來源。對于葉片部分，我們其實采用的是一個動量-葉素的理論。對于水動力部分，也就是海水，因為它主要也是作為在這個機組上，水動力部分我們現在主要用的理論是一個Monison的使用理論，得到載荷。得到風載和水動力的載荷輸入之后，相當于這是兩個載荷輸入的條件，我們需要把這個機組跟基礎模型視為一個整體，我們需要把它等價成一個質點系，通過多體動力學的方法，得出它機組各個位置，以及各個分量的載荷。到這兒簡單介紹一下載荷仿真基本的一些理論。對于海上來講，海上相對陸上一個水動力的載荷計算其實是比較新的，也是比較復雜的。首先是它在計算水動力的時候，它有一個波浪理論，主要是線性的波浪理論跟非線性的波浪理論，這兩個理論如果選取的不一樣，這個載荷差異也是相當明顯的。使用這兩個理論分別進行波浪的建模之后，把波浪的建模帶到水動力方程之后，得到水動力載荷。在這兒要注意的，就是有關水動力方程Morison方程這邊，其實Morison方程在結構尺寸，海水跟它的波長如果在0.2以內，它的計算范圍是很可靠的，但是超過一定范圍，計算結果就不是那么可靠了。
    所以，在這些理論不適用的地方，我們要加入修正的效應，是一個拉伸的修正，包括輻射的修正，然后得到水動力的載荷。關于不同的理論之間的差異，我們參加國際的課題，OC4是一個海上飄浮機組不同仿真軟件的載荷對比的項目里面，跟其他的一些國際研究機構進行了一個研究，關于這個差異，這邊有主要的三塊，就是黑體字部分。這三塊，它解釋起來還是比較麻煩的，大家有興趣，在會后可以跟我們根據一個交流，關于這三方面的交流。
    講完了以上的理論之后，我們說一下海上風電機組的建模。事實上這個風電機組的建模，要從一個很精確的方法上來說，應該是把它的機組模型跟基礎模型視為一個整體算它的載荷。但是，事實上據我們國內目前而言，由于這個機組部分，一般是由整機進行設計，它的載荷也由整機進行計算，基礎部分一般由設計院進行設計，水動力載荷也一般由設計院擬定。但是，設計院進行設計的時候，會用到整機廠商提供的等價的塔底的載荷輸入實驗計算它的基礎模型的載荷。事實上從整機廠商拿過來塔底的載荷輸入條件，它其實是存在不足的。主要是以下兩個方面。一個是這個載荷它沒有考慮到基礎模型對它機組模型模態的影響，還有沒有考慮到海水作用在基礎上的載荷對機組的影響。
    我們主要針對第一點，也就是基礎模型對機組模型的模態影響跟大家介紹一下這個載荷差異。這幅圖跟這張表是在我們選取只含機組模型，同時包含機組和基礎模型的情況下，它在極限工況下的載荷對比。從這幅實虛上大家可以看到，黑色是不考慮基礎的，紅色是考慮基礎的。可以看到，沒有基礎影響的時候它的載荷要大于有基礎時候的影響，雖然整體趨勢是這樣的。這張表里大家可以看到，這個差異可以達到靠近7%，就是藍色的6.94%。這是極限載荷的對比。
    對于疲勞載荷，我們主要選擇經常發電的工況，它的平均值可以達到3.64%，標準差也可以達到4%的差異，綜合這兩個因素，可以知道它的考慮基礎跟不考慮基礎載荷對它的影響也是比較大的。在選取建模方法的時候是要慎重的，載荷確實是比較大的，如果我們沒有基礎時候計算出來的載荷確實大于含基礎的，我們可能造成設備上的一些浪費。