气流喷射模拟海上浮式风电结构风机载荷实验技术初探

杨永春，刘坤宁，李响亮，魏翔宇，潘科仲

(1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100； 2. 中诚国际海洋工程勘察设计有限公司，山东 青岛 266000)

气流喷射模拟海上浮式风电结构风机载荷实验技术初探

杨永春1，刘坤宁2，李响亮1，魏翔宇1，潘科仲1

(1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100； 2. 中诚国际海洋工程勘察设计有限公司，山东 青岛 266000)

随着海上风电技术的快速发展，海上风电逐渐由浅海走向深海，海上风电基础结构型式将逐渐由固定式发展到漂浮式。在浮式风电结构的模型实验中，风机载荷的模拟是保证实验效果的重要因素。针对浮式风电结构模型实验中风机载荷的模拟问题，提出了一种新型的基于气流喷射、利用气流反作用力模拟风机载荷的实验方法并进行了初步验证。通过标定得到气流控制信号与反作用力的关系，将数值模拟得到的原型风机载荷时程转换为相应的控制信号，同时针对实验装置对气流变化的响应特性，对控制信号进行频域和时域修正，驱动气流喷射以模拟风机作用力和力矩。经过实验验证，载荷模拟装置产生的载荷在时域和频域上都能与模型实验所需风机载荷保持较好的一致性，证明该方法可行。

绿色能源；浮式风电；模型实验；气流喷射；载荷模拟

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目前，已经实际安装的海上浮式风力机仅有几台样机，包括挪威Sway、Hywind以及英国的Blue H。现有海上浮式风电结构模型实验研究主要是参考油气平台实验方法进行。尽管挪威船级社、德国劳氏船级社和美国船级社有关规范中提到了浮式风力机，但均没有详细的说明。针对海上浮式风电模型实验及风机载荷特性[1]，国内外已经展开了多种形式的研究。目前已进行的模型实验数量有限，也存在一些不足之处，但这些实验非常具有创新性，对以后的模型实验具有重要的借鉴意义。

挪威Hywind风机载荷模拟是按缩尺比制作小风机，用风机矩阵模拟风场[2]，其实验模型如图1所示。美国WindFload 模型实验中风机载荷的施加是将风机等效为圆盘，用电机带动金属棒模拟风机转矩[3]，如图2所示。日本半潜式结构模型实验将风机在工作状况下作用效果等效为圆盘，将风机在生存状况下的作用效果等效为梁[4]，如图3所示。

图1 挪威Hywind 图2 美国WindFloat Fig. 1 Norway Hywind Fig. 2 American WindFloat

图3 日本半潜式Fig. 3 Japan semi-submersible

国内对浮式风电模型试验的研究也已经开展。2011年，哈尔滨工程大学在海上浮式风电结构模型实验的研究中，忽略气动载荷的特性，将风力机载荷等比例缩小为定常载荷[5]。2011年，任年鑫在哈尔滨工业大学风洞浪槽联合实验室进行浮式风电系统模型实验[6]。基于风载荷缩尺模型静力等效的原则，实验中叶片不旋转，风机载荷等效为不同风速下固定迎风面积下的静力。上海交通大学的彭涛等人对水池模拟风场做过理论研究和模型实验[7]。

现有浮式风电模型实验中，风机载荷模拟通常做法：一是将风机作用效果等效为旋转圆盘[3-4]，二是将其等效为定常载荷[5]，三是按模型几何缩尺比制作小风机模型，使用风机矩阵模拟风场[2]。

由于风载荷的随机性，由风载荷引起的风机载荷是随机载荷，随着时间不断变化。因此无论将风机作用效果等效为旋转圆盘或是将其等效为定常载荷，均难以模拟风机运行时风机载荷变化规律。按模型几何缩尺比制作小风机模型首先难以满足介质相似定律，其次使用小风机模型模拟的载荷与实际风机载荷按模型缩尺比得到的风机载荷也是不同的。因此现有浮式风电模型实验难以同时满足多个相似准则，难以在实验中产生满足相似性的载荷(大小和频谱特性均满足相似性)[8]。

1 风机载荷模拟方法可行性分析

在风电行业，采用GH bladed 软件模拟风机运行是被广泛认可的。GH bladed 软件可以模拟风机实际运行状态，并可以提取风机对塔架作用载荷时程，这些载荷包括三个方向的力和三个力矩时程。因此，在对风电塔架支承结构进行模型试验时，可以对所得到的风机载荷进行缩比尺模拟。

在固定式风电结构模型实验中，可以利用固定的平台模拟风机载荷，而浮式风电结构是浮动的，无法采用固定的平台模拟风机载荷，也难以采用直接接触式的加载方式。因此提出基于气流喷射、利用气流反作用力模拟风机载荷的加载方式。

1.1 风机载荷特征分析

本实验中所模拟的风机载荷时程由Bladed软件模拟得到，并选取所模拟风机载荷时程中X方向(风机轴向)力和Z方向(垂直方向)力矩。模型实验几何缩尺比选为1∶50，风机载荷按照该缩尺比缩放之后，X方向的载荷时程如图4，其幅值谱如图5。从时程图和幅值谱中可以发现，所需模拟的风机载荷是低频的，而且量级比较小。因此，采用喷气式模拟风机载荷是可行的。

1.2 风机载荷模拟装置原理

风机载荷模拟实验装置原理如图6所示。载荷模拟装置的原理是通过不断变化的电压信号驱动电磁阀控制气流参数，以气流喷射的反作用力模拟风机运行中对塔架产生的载荷时程。

实际模拟装置如图7所示，所用设备主要包括采集仪、电磁阀、传感器、信号发生器以及数显压力调节阀等。数显压力调节阀的作用是控制气压源的参数。

图4 X方向风机载荷时程Fig. 4 X-wind load time-history

图5 X方向风机载荷幅值谱Fig. 5 X-wind load amplitude spectrum

图6 载荷模拟装置原理Fig. 6 Principle of load simulation device

图7 实验装置Fig. 7 Simulation device

2 单向力模拟

制作好实验装置后，首先从模拟简单的单向力开始。要模拟单向力，首先要确定气流参数与反作用力之间的关系，即标定在某一气源压力下，控制阀驱动电压与反作用力之间的关系。然后通过驱动电压与反作用力的拟合关系，将模型转换得到的载荷对应转换为驱动电压信号。

2.1 驱动信号频域修正

由电磁阀本身的特性，电磁阀对于不同频率的驱动信号响应不同，驱动信号频率越高响应越小，因此需要对驱动信号进行修正。

以不同频率、电压变化范围为2～5V的正弦信号驱动电磁阀，分别得到不同频率下，单位驱动电压(V)对应测得反作用力的变化量。当驱动信号处于低频1 Hz时，认为电磁阀对驱动信号的响应没有损失即为1。其他频率对应的修正系数则为将该频率下电磁阀对驱动信号的响应修正到1 Hz对应的响应所需要乘以的系数，得到数据及修正系数如表1所示。针对1～4 Hz之间的驱动信号进行频域修正，不同频段的修正系数通过表1中数据插值得到。

表1 修正系数Tab. 1 Correction factor

2.2 单向力模拟结果

将修正后的驱动电压信号驱动电磁阀，得到反用力时程，如图8所示。通过时程图发现目标载荷与实测载荷在时域一致性较好。其幅值谱对比情况如图9所示。通过幅值谱对比可以发现：驱动信号进行频域修正后实测得到载荷时程的幅值谱与目标谱在关心频段1～4Hz内较为接近。

将本装置安装于浮体模型上，并测试所模拟的风机载荷。测试结果表明浮式风电结构自身的运动对所模拟载荷的影响可以忽略。

因此经过频域修正后，所模拟载荷时程与目标载荷时程(模型转换得到载荷)，在时域和频域上均能较好地吻合，能够满足要求。

图8 目标载荷时程(上)与实测载荷时程(下)对比Fig. 8 Time-history comparison

图9 目标载荷(上)与实测载荷(下)幅值谱对比Fig. 9 Amplitude spectrum

3 力矩模拟

海上浮式风电风机对浮式支撑结构的作用力(及力矩)有六个，包括3个方向的力和3个方向的力矩。为了使实验装置能够应用于海上浮式风电模型实验中，将使用基于气流喷射的实验装置模拟风机对浮式风电结构所施加的力矩。

3.1 力矩模拟原理

载荷模拟实验中，同时驱动两个气流喷射装置，即用两个力模拟风机载荷中的一个力和一个力矩。通过计算，将一个力和一个力矩转换为两组力时程，同时将力时程信号转换为电压信号。

3.2 测试结果

F1 实测载荷与模型转换载荷在时域方面对比，如图10所示，频域统计指标见表2。F2 实测载荷与目标载荷在时域方面对比如图11所示，频域统计指标见表3。

通过时域对比图和频域统计指标可以发现：F1和F2时程载荷的模拟在时域和频域上都能满足与目标载荷的一致性。

表2 F1目标载荷和实测载荷频域特性统计表Tab. 2 F1 frequency-domain indices

表3 F2目标载荷与实测载荷频域特性统计表Tab. 3 F2 frequency-domain indices

图10 F1目标载荷时程(上)与实测载荷时程(下)对比Fig. 10 F1 time-history comparison

图11 F2目标载荷时程(上)与实测载荷(下)时程对比Fig. 11 F2 time-history comparison

4 结 语

本文提出基于气流喷射利用气流反作用力模拟风机载荷的方法并对其可行性进行了初步探讨，达到了预期效果。主要研究结果如下：

1)利用气流喷射加载方法可以有效模拟风机载荷；

2)文中所提的装置模拟风机载荷中一个方向的作用力，在时域和频域上都能较好地满足一致性；

3)通过使用两套气流喷射控制装置，同时模拟两个力时程来模拟风机载荷的一个力和一个力矩也是可行的。

[1] 李静，陈健云.海上风力发电结构动力研究进展[J].海洋工程，2009, 27(2)：124-129. (LI Jing,CHEN Jianyun. Review on dynamic research of offshore wind structures [J]. The Ocean Engineering, 2009, 27(2):124-129. (in Chinese))

[2] TOF DAVID HANSON. Integrated dynamic analysis of floating offshore wind turbines[C]//Proceedings of OMAE2006 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2006 :1-9.

[3] DOMINIQUE RUDDIER. WindFloat: a floating foundation for offshore wind turbines[C]//Proceedings of ASME 2009, 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. Hawaii:[s.n.], 2009: OMAE2009-79229.

[4] TAKESHI ISHIHARA. A study on the dynamic response of a semisubmersible floating offshore wind turbine system[C]//ICWE12. Australia;[s.n.], 2007: 2511-2518.

[5] 赵静，张亮. 模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用[J].中国电力，2011，44(9)：55-60. (ZHAO Jing,ZHANG Liang. Application of model experiment technology to floating offshore wind farm development[J]. Electric Power, 2011, 44(9):55-60.(in Chinese))

[6] 任年鑫. 海上风力机气动特性及新型浮式系统[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. (REN Nianxin. Offshore wind turbine aerodynamic performance and novel floating system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2011.(in Chinese))

[7] 彭涛，杨建民，李 俊.海洋工程实验池中风场模拟[J]. 海洋工程，2009, 27(2)：8-13. (PENG Tao,YANG Jianmin,LI Jun. Simulation of wind field in a laboratory basin[J]. The Ocean Engineering, 2009, 27(2):8-13. (in Chinese))

[8] 张亮.海上漂浮式风力机研究进展及发展趋势[J].海洋技术，2010(4): 122-126. (ZHANG Liang. Study on offshore floating wind turbine and its development[J]. Ocean Technology, 2010(4): 122-126.(in Chinese))

Preliminary study on simulation technology of wind turbine load for offshore floating wind turbine

YANG Yongchun1, LIU Kunning2, LI Xiangliang1, WEI Xiangyu1, PAN Kezhong1

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. China Integrity International Oceaneering, Ltd., Qingdao 266000, China)

With the rapid development of offshore wind energy industry，offshore wind turbines will be constructed not only in shallow sea but also in deep sea, and the foundational structure of offshore floating wind turbine will develop from solid foundation to floating foundation. The simulation of the wind turbine load is an important factor to ensure the results of the test. In this paper, for the simulation of wind turbine load in offshore floating wind turbine model experiment, based on the load characteristic that wind turbine load is low-frequency and the peak is small, a new load simulation device based on air injection is presented. We obtain the relationship between the airflow control signal and the reaction force by demarcation. The load obtained by numerical simulation of the wind turbine is converted to the corresponding airflow control signal, and the signal is corrected in frequency and time domains as the response characteristics of the device to airflow changes. Then we use the signal to control the airflow to simulate a force history and a moment history. Over the test, the load simulated by the device can match with the actual load in time and frequency domains, and the device can complete the simulation of the force history and the moment history.

green energy; floating wind turbine; model experiment; airflow injection; load simulation

TM614

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.02.013

1005-9865(2015)02-0105-05

2014-01-15

杨永春(1964-)，男，山东青岛人，教授，从事海洋工程结构动力学、结构检测技术和工程结构实验技术研究。