海况条件对海上风力发电机组载荷的影响

尹景勋，宋聚众

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

海况条件对海上风力发电机组载荷的影响

尹景勋，宋聚众

(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)

文章针对海况条件对海上风力发电机组载荷的影响， 以某5 MW海上机组为例， 介绍海浪、 海流和潮汐在载荷计算过程中采用的理论方法和支撑结构建模方法，对支撑结构和海浪能量分别进行模态分析和频谱分析，同时根据GL2005 标准对极限载荷和疲劳载荷分不同情况分析， 结果表明海况条件对海上机组的塔筒底部影响较大， 对机组其他关键零部件影响很小，为大型海上机组关键零部件选取提供依据。

海况条件，频谱分析，极限载荷，等效疲劳载荷

0引言

国外海上风力发电技术已日趋成熟，而我国海上风能的开发刚刚起步。 中国东部沿海水深2～ 15 m 的海域面积辽阔， 可利用的风能约是陆上的3 倍， 将达到 7.5×105MW， 而且距 离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术发展的成熟，近年来人们将开发风电场的目光投向风能资源更为丰富的近海海域，此地域主要分布在经济发达、电网结构较强、又缺乏常规能源的东南沿海地区。

国内首个海上风电场―――上海东海大桥100 MW海上风电场项目已投运，如东海大桥风电场年有效风时超过 8 000 h， 投产后满 负荷小时 数可达到 2 600 h 以上， 发电效益便会 高于陆上风电场30%以上。 虽然海上风电具有风能资源的能量效益比陆地风电场高，平均空气密度较高，发电效率好；海上风资源丰富，海上风湍流强度小、风切变小，受到地形、气候影响小，但是恶劣的海况条件将对海上风力发电机组产生不利影响。

1 海况条件

海上风力发电机组与陆上机组运行环境存在很大差异，对于海上风力发电机组来说，必须充分考虑海上机组所处的运行环境，除了考虑与陆上机组一样的风况外，还需要考虑另外关键因素海况条件，这是海上机组的两大主要载荷来源。

1.1 波浪

海洋中波浪是一种十分复杂的随机现象，研究海浪对海洋工程建设、海洋开发、交通航运、海洋捕捞与养殖等活动具有重大意义。波浪因受到海面风的直接作用，其传播方向基本与风向一致。波浪的形成及其浪高、周期与风速大小、风区范围和风时长短直接相关，它们相互间存在着复杂的非线性关系，不同水深有不同的有限振幅波动理论。

图1中给出的各种波浪理论模型在推导中采用了不同的假设条件和近似处理，使得它们在分析波浪运动时都有各自不同的适用范围。一般而言，根据水深情况采用相应的数学模型，在深水中影响波动性质的主要因素是波陡，在浅水区域还需增加考虑相对水深的重要因素，在极浅水域则要考虑相对波高的影响。根据水深条件可以把波浪简化为流函数、 线性 Airy 和斯托克斯模型，参考水深和波高关系定义适用的数学模型。

图1 波浪理论应用范围

波浪载荷计算建立在波浪动力学理论基础上，根据水深和波浪理论适用范围进行选择，图1给出了选择波浪理论的参考。波浪载荷计算方法应该根据支撑结构的尺寸、外形和类型确定，对于细长支撑结构，如导管架或单桩结构，均可使用Morison 方程计算波浪载荷， 单位高度上的波浪载荷计算公式如下:

式中:

ρ―海水密度， kg/m3；

CD―阻力系数；

CM―惯性力系数；

u―海水的水平流速， m/s；

u˙ ―海水的水平加速度， m/s2；

D―支撑结构管径。

1.2 海流

海流是海洋中海水沿一定路径的大规模流动，具有相对稳定的流向、路径和速度，由海洋内部的热盐效应及海面上的气象因素作用引起，对海洋内部物质和能量交换起着重要作用，影响海水的物理化学特性。海流的空间规模有大有小，时间尺度有长有短，表现形式多样，引起海流原因多样，主要与风及气压作用、海水温度、盐度分布变化密切相关。

海流在空间和时间上不断变化，但一般认为海流是定常速度和方向的水平均匀流场，仅随着水深度变化而变化。海流速度应考虑由潮汐、风暴潮和大气压力变化等引起的次表面流、风生近表层流、近岸波浪生成的与海岸平行的表层流，总的海流速度是以上三者速度的矢量和。

海流对海上风力发电机组支撑结构的载荷，主要表现在支撑结构水下部分的作用，具体计算见式 （2）。 当采用 Morison 方程计算波浪载荷时，应将波浪水质点速度与海流速度矢量叠加；当采用势流理论时， 海流载荷计算按公式（2）， 再与波浪载荷矢量叠加。

式中:

CD―阻力系数；

ρ―海水密度， kg/m3；

A―单位长度管件在垂直于海流方向的投影面积， m2/m；

Uc―海流速度， m/s。

1.3 潮位

潮汐反映的是一种海面上周期性的波动，带来的是水面高程发生变化，它所产生的最高水位和最低水位及潮流的大小和方向等与海洋工程结构物和港湾堤岸等的设计、施工、生产与安全密切相关。高低潮高度及其出现时间关系到风力发电机组桩基的安全，也是机组塔筒结构物受海水腐蚀最严重的部位。影响水位变化的因素很多，包括地理地形和气象气候等，具有短时间到长时间的变化规律，所以在风机设计时需要考虑此因素。

海上风力发电机组载荷仿真过程中，波浪、海流和潮位是影响载荷大小的关键因素。三者因素对机组的桩基设计和机组塔筒设计至关重要，所以在仿真计算前要搜集这些方面的数据，根据相关理论计算对机组支撑结构的载荷计算与分析。

2 仿真计算

本文以某5 MW海上风力发电机组为例， 机组额定风速 12m/s， 额定功率 5 MW， 安装于江苏如东风电场。 机组载荷利用英国 GH公司的Bladed 软件计算与分析， 根据 GL 2005 标准划分两种情况极限和疲劳载荷工况，极限工况选取恶劣条件分析海况条件对机组关键部件载荷的影响，疲劳载荷工况仿真所有疲劳情况，同时用等效疲劳载荷验证极限载荷中得到的结论。海上风力发电机组与陆上机组建模主要区别在于支撑结构部分，而机组其他部分与陆上机组一样。

2.1 支撑结构

与陆上风力发电机组不同之处在于机组的支撑结构部分，图2给出了支撑结构以及海床以下各土层的分布情况，每层土壤的特性均不相同，其桩在这种情况下是桩-土相互作用的问题，桩利用周围土壤的抗力承担水平方向的载荷，桩本身在水平载荷和力矩作用下将会产生水平变位和弯曲应力。

图2 土层分布情况

目前支撑结构建模采用的是 P-y曲线， 这种方法较好反应了土壤在受水平载荷作用下的弹性变形，以及桩在循环浪载荷、海流以及短期静载荷作用下的变形。根据图2中不同土层的土壤特性， 利用 P-y 曲线方法计算各土层的侧向力和位移的关系，作用到桩基础的不同节点位置上，最终简化在每个土层的作用点位置进行加载，建立局部的运动方程求解。

图3 支撑结构模态分析

图4 海浪的频谱密度分布情况

图3给出了机组支撑结构的前两阶固有频率和模态结果，上图为第一阶模态，下图为第二阶模态，表明了海上风力发电机组支撑结构的变形形态。图4给出了不同风速下海浪能量的频谱分析，可以看出，风速增加的同时海浪高度也增加，相应产生的海浪能量也增大，而图中塔筒一阶固有频率为 0.311 Hz， 此时海浪的能量没有出现尖峰且很小，说明海浪不会引起机组塔筒的共振。

2.2 极限载荷

极限载荷选取 GL 2005 表中 dlc1.5 中额定风速工况，此工况风电机组遭遇一年一遇的极端工作阵风 （EOG1）兼电网掉电的载荷情况， 其风速变化极端恶劣，因此运行结果一般会导致快速停机或安全链停机，风机各部件承受的极限载荷较大，在极限载荷中属于非常恶劣的工况，仿真条件 风 速 12 m/s， 阵 风 幅 度 5.79 m/s， 水 深 1.2 m，周期 10.5 s， 浪高 0.885m， 周期 5.14 s 等。

图5给出了有海况条件和无海况条件两种情况在 EOG1工况下各部件关键载荷， 可以明显看出， （a）塔筒底部载荷 Myz变化比较大， 主要原因是海浪高度和海流流速共同作用引起的，两种因素产生的载荷直接作用于塔筒底部； 而从 （b）塔顶载荷 Myz、 （c）轮毂中心载荷 Myz 和 （d）叶根载荷 （Mxy、 挥舞力矩、 摆振力矩）可得到海况条件对其他关键部件的载荷影响很小，说明海况载荷对机架、轮毂和叶片挥舞摆振的结构极限载荷设计影响不大。

图5 关键部件极限载荷对比

2.3 疲劳载荷

从极限载荷分析结果可以看出，海况载荷对塔筒底部的影响大，所以对于疲劳载荷从塔筒底部的等效疲劳载荷进行分析，而叶片根部挥舞力矩进一步说明海况对其影响很小。为了说明海况条件的影响，分3种情况:风载与海况共同作用、风载单独作用和海况单独作用。疲劳载荷计算条件: 年平均风速 7.5 m/s 的瑞利 分布， 机 组设计寿命 25 年， 参考循环次数 1E+07。 针对每种情况，先根据 GL 2005 标准计算所有疲劳载荷工况， 然后根据载荷时间历程进行雨流计数统计处理，最终根据 Miner理论计算各部件的等效疲劳载荷。

图6 3种情况对比

图 6 （a）给出了塔筒底部倾覆力矩 3 种情况的对比图，在海平面附近塔筒截面位置处的等效疲劳载荷，仅受风载单独作用时等效载荷最小，仅受海况载荷单独作用时等效载荷最大，风载和海况载荷共同耦合作用时等效载荷处于中间。从图中可以看出，波浪增加了塔筒底部疲劳载荷，但风载产生的气动阻尼降低了两者共同作用于塔筒上的疲劳载荷，小于两者之间简单的线性叠加，而远大于仅风载作用下的等效疲劳载荷，说明如果水足够深、浪高大，将对塔筒底部的等效疲劳载荷影响增大。

图 6 （b）给出了叶片根部挥舞力矩在 3 种情况下的对比图，可以看出风载荷占主导作用，受海况载荷影响较小，两者共同作用时叶根挥舞力矩等效疲劳载荷与风载单独作用时基本一致，说明叶片等效疲劳载荷受海况条件的影响很小。

3 结论

本文介绍了海况条件计算风机载荷的理论方法和海上机组支撑结构的建模方法，同时对海浪能量进行频谱分析，判定海浪谱密度分布不会引起塔筒的共振。计算海上风力发电机组的特殊极限工况和所有疲劳载荷工况，针对两种工况进行不同情况对比分析，结果表明海浪条件可明显增加塔筒底部位置处的极限载荷和等效疲劳载荷，而对海上风力发电机组其他关键位置影响较小，可说明其他部件承受的极限疲劳载荷受海况条件的影响较小。通过这次深入分析海况条件对机组载荷的影响，为大型海上风力发电机组关键零部件选择提供可靠依据，奠定了今后风力发电市场进军海上的基础。

[1]王彦红.海上风力发电机支撑结构的疲劳分析[D]. 天津大学,2009

[2]李德源,刘胜祥, 张湘伟.海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应数值分析[J].机械工程学报,2009,45(12): 46-52

[3]GL.Germanischer Lloyd W indEnergie GmbH,Rules and Guidelines,IV-Industrial Services,Guideline for the certification ofw ind turbines,Edition 2005

Influence of Ocean Condition for O ffshore W ind Turbine Load

Yin Jingxun， Song Juzhong
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The articlemainly describes the influence of ocean condition for offshore wind turbine load.For 5 MW offshore wind turbine,it introduces the theorymethod ofwave,current and tidal and themodeled method of support structure.And the support structure ismodel analyzed and the wave energy is spectrum analyzed.Then the extreme and fatigue load in according to some different cases based on GL2005 is calculated.So the results show that the load including extreme and fatigue of tower bottom will be larger in the ocean condition,but the load of other components are nearly keep constant.This will provide a basis for selecting the key parts of larger offshore wind turbine.

ocean condition,spectrum analysis,extreme load,equivalent fatigue load

TK83

： A

： 1674-9987(2014)02-0048-05

国家国际科技合 作专项资助： 5 MW海上风机联合研发 （项目编号:2010 DFB70710）。

尹景勋 （1982-）， 男， 硕士研究生， 工程师， 2009 年毕业于华北电力大学流体机械及工程专业， 现主要从事风电机组系统仿真工作。