基于多场耦合的深海型风电机组动力学建模

牛小东，谢晓斌，谢晓玲，臧奋强

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018，2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

基于多场耦合的深海型风电机组动力学建模

牛小东1，2，谢晓斌1，2，谢晓玲1，2，臧奋强1，2

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018，2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

目前，深海的漂浮式风电已成为研究的热点，对海上浮式风力发电机而言，浮式结构比较重要。将研究重点放在深海型风机的浮漂平台及系泊系统上，基于深海型风力发电机组基础系统原理，研究设计了深海型风机整机建模，包括各主要部件坐标系的建立、主要部件建模的要求以及整机的拓扑结构图等。同时对漂浮平台进行了物理建模，采用四悬链系泊系统作用于方形漂浮平台的模型，分别对水平波浪力、竖直波浪力和斜向波浪力作用下的漂浮平台进行分析，得到同侧悬链与不同侧悬链的链端张力变化规律。

深海型风电机组；动力学；漂浮平台；建模

1 引言

能源是人类赖以生存的物质基础，为保证国民经济的发展，必须有可持续的能源供应。随着经济社会的发展，能源的缺乏成为人们不得不担忧的问题。化石能源的消耗，使得能源危机越加紧迫，对可再生清洁能源的开发势在必行。同时，化石能源使用过程中带来的环境污染问题，更加大了可再生清洁能源的开发必要。

作为可再生清洁能源的风能，资源极其丰富。随着风电发展的规模化，人们对风电机组的可靠性和安全性提出了较高的要求。随着风电机组功率的不断提高，风电机组的大型化、复杂化，风电机组维修成本越来越高。为提高经济效益，人们对风电机组的效率和可靠性的要求也越来越高。2015年，我国海上风电的新增装机容量为39MW，截至2015年年底，我国海上风电的累积装机容量达到428.6MW。相较于陆上风力发电装机容量，海上风力发电还处于起步阶段。海上风能是不会枯竭的能源，随着海上风力发电机组技术和制造技术的提高，以及风力发电开发成本的下降，海上风电场的开发将成为世界风电产业的一个重要发展方向。

2海上风电机组类型

根据适用海域水深的不同，海上风电机组主要分为基础固定式和基础漂浮式两大类。图1所示反应了随着海域水深的变化，风机类型的变化。

图1从浅水到深水自然连续的底部结构图

2.1基础固定式机组

主要适用于水深小于60m的浅水海域的风场，其基础类型主要包括重力式、单柱式和三角架式。

重力式:主要适用于水深在0m-10m的海域；

单桩式:应用最为普遍，其主要适用于水深在0m-30m的海域；

三角架:适用于水深在30m-60m的海上风电场。

随着海上风力机逐步走向深水区域，固定式基础将难以满足超高的承载要求，而且随水深增加，特别当水深大于60m后，固定式基础的造价也将大幅增加，海上风力机的基础形式正在逐步由固定式结构向漂浮式结构发展。

2.2基础漂浮式机组

目前，在大型漂浮式风电机组概念设计中主要采用的漂浮式基础形式如图2所示，根据使系统达到静态稳定的方式可以将平台大致分为三类。

（1）系泊稳式，如图2（a）中的张力腿式结构。该类结构通过使系泊缆的张力超过浮力来实现浮筒的稳定。

（2）重载压仓稳式，如图 2（b）中的柱状浮标式。该类浮体的重心被设计为低于浮心位置，以确保平台在倾斜时产生较大的复原力臂和惯性阻力，减小纵摇和横摇运动，保证平台的稳定性。

（3）静水浮力稳式，如图2（c）中所示的浮箱式结构。该类浮式平台以其较大的水线面面积提供复原力矩维持结构的稳定。

图2海上漂浮式风电机组的3种主要形式

3深海型风电机组性能分析模型

海上风力发电机分析模型包括空气动力模型、波浪模型、风轮／塔架／机舱结构动力学模型和控制模型。当风速一定时，空气动力模型和波浪模型计算出风力机气动性能和气动载荷及波浪载荷，计算出的气动载荷和波浪载荷作为输入作用在结构动力学模型上，由于气动载荷和波浪载荷的变化，引起结构的变形，计算出的变形又作为输入作用在空气动力学模型和波浪模型上，计算出相应的气动载荷和波浪载荷。各子系统关系如图3所示，该分析模型主要考虑风轮结构塔架结构耦合关系、风载荷波浪载荷弹性结构的耦合关系、外界载荷传动链系统电控系统的耦合关系。因此研究中采用多柔体动力学进行风轮结构和塔架结构建模，考虑风轮塔架的结构耦合关系；采用多柔体动力学和载荷分析理论结合考虑风载荷波浪载荷弹性结构的耦合关系；采用多柔体动力学、载荷分析理论、传动链系统分析动力学和风力发电机组的功率控制策略结合研究外界载荷传动链系统电控系统的耦合关系。

图3深海型风机子系统关系图

4深海型风机整机建模

4.1深海型风机整机坐标系建立

德国GL规范对风力发电机模型中主要部件的建模坐标系都有要求，包括叶片坐标系、轮毂坐标系、叶轮坐标系、偏航轴承坐标系、塔基坐标系以及悬链坐标系，如图4所示。

图4建模坐标系

4.2深海型风机各部件建模

对深海型风机的主要部件建立坐标系后，应对风机的各个部件分别建模，最后才通过组装后得到风机的整机模型。表1列举出了深海型风电机组部件多体系统建模的要求，包括主要部件的部件建模类型要求和部件建模的自由度要求。

表1深海型风电机组部件建模要求

4.3深海型风机整机拓扑结构

深海型风电机组整机拓扑如图5所示。主要部件有悬链、漂浮平台、塔架、机架、风轮（含叶片和风轮轮毂）、主轴、齿轮箱、联轴器和发电机等部件，其中悬链、塔架、叶片、主轴和齿轮轴为柔性体。

4.4深海型风机整机模型

根据GL规范规定的各主要零部件的坐标系，建立各部件的模型，然后通过装配和设置相互约束及作用的关系，完成风电机组整机的建模。深海型风机的整机建模如图6所示。

图5深海型风力发电机组的拓扑结构

图6深海型风机整机模型

5结束语

本文通过对深海型风电机组进行介绍分析，重点研究了对漂浮平台和系泊系统的建模。主要重点是风电机组整机系统建模。首先论述了深海型风机各主要部件坐标系的建立；然后列出了深海型风机各部件分别建模的要求，其对风机部件分别建模具有指导重要的意义；接下来提出了深海型风机整机的拓扑结构，最后得到风机的整机模型。

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Based on multi-field coupling type deep sea wind turbines dynamics modeling

NIU Xiao-dong1，2，XIE Xiao-bin1，2，XIE Xiao-ling1，2，ZANG Fen-qiang1，2
（1.Gansu Electric Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China；2.Key Laboratory of High-low Voltage Electrical Apparatus Inspection Technology，Tianshui 741018，China）

At present，the deep sea floating type wind power has become the hot researching field，for offshore floating wind turbines，the floating structure is more important.Thus，the focus of this paper is to study the deep sea type fan floating platform and the mooring system.Based on the principle of the deep sea wind turbine foundation system，the design for the modeling of the deep water fan type machine is given，which includes the establishment of the main components of the coordinate system，the main components modeling and topology structure of the machine.The physical modeling for the floating platform is established.By using the four catenary mooring systems on the square model of the floating platform，it is analyzed respectively that the floating platform under the different actions of the horizontal，the vertical and the diagonal wave forces，and the change rules for the chains tension of the ipsilateral catenary with the different lateral catenary are also given.

wind turbines of deep sea；dynamics；floating platform；modeling

TM614

A

牛小东（1985-），男，研究生，电气工程师，主要从事电工电气结构设计和检验检测技术研究。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0018—04

谢晓斌（1990-），男，本科，主要从事机械自动化设计和检测技术研究。