水深对海上风电机组载荷的影响研究

郭进勇+张彦南

【摘 要】根据海上风电机组安装地点的环境条件，利用GH-blade软件建立了海上风电机组模型，仿真计算并且分析了不同水深对整机极限、疲劳载荷的影响，为进一步开发和利用近海乃至深海风能资源提供必要的理论参考。

【关键词】水深；风-波浪；海上风机；载荷

【Abstract】According to the offshore wind turbine installation site environmental conditions， built up the model of offshore wind turbine by GH-blade software， simulate and analyze the extreme and fatigue load by different water depth， in order to provide the necessary theoretical reference for further development and utilization of offshore and the deep sea wind energy resources.

【Key words】Water depth；Wind-wave；Offshore wind turbine；Load

0 目的意义

海上风电场原则上应建立在离岸距离不少于10公里、滩涂宽度超过10公里时海域水深不得少于10米的近海海域。我国近海风能资源十分丰富，10—30m水深的风能资源约在1到4.9亿千瓦之间，应用前景广阔。

海上风电机组除风作用之外，还受到波浪、海流、水位、海冰、海生物等海洋环境因素的综合影响。一般来说，风速越大，波高、周期和波速随之增大，水位则会使波高受到深度限制，进而影响波浪载荷；海流也仅随着水深而变化。由此可见，水深作为海上风电机组的标志和先决条件，对其的研究显得尤为紧迫和重要。近几年，我国拟开工的近海风电项目主要集中在河北、江苏、山东、浙江等省份，渤海、黄海以及东海海域，平均水深在5—30m之间。因此，探索不同水深对机组载荷的变化影响规律，不仅对海上风电机组设计和研发具有积极意义，也可为今后更深海域的风电场开发提供借鉴[1]。

1 海洋条件

1.1 波浪

海浪包括风浪、涌浪和近岸浪。从我国海区来看，渤海风浪浪高最小，黄海的比渤海略大，东海的大于黄海，南海风浪最大。就季节而言，秋季风浪波高最大，其次是冬季，夏季的居第三，春季的最小。风浪的周期与波高是匹配的，两者呈正比关系。涌浪季节变化和海区特点和风浪分布趋势相同，总体上讲，涌浪波高和周期，比风浪的要大，但在沿岸海域和封闭性较强的海域，这种差异较小[1]。

设计海况一般用波谱S？浊、有义波高HS、谱峰周期TP和平均波向？兹wm来描述，海浪谱通常采用单一方向传播的长峰波谱，主要包括Pierson-Moskowitz（簡称P-M谱），Bretschneider双参数谱，Jonswap 谱[2]；

海上风力发电机组设计中，根据平均风速（V）、有义波高（HS）、谱峰周期（TP）的长期联合概率分布来考虑风况和波浪的相互关系。上述参数的联合概率分布受到安装场地条件（如风区、水深、海底地形等）的影响。

1.2 海流

理论上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，仅随着深度而变化。海流速度应考虑下列成分[2]：

潮汐、风暴潮和大气压力变化等引起的次表层流；

风生近表层流；

近岸波浪生成的与海岸平行的表层流。

1.2.1 次表层流

另外，海冰、海生物对海上风力发电机组的支撑结构产生的载荷，在进行支撑结构详细设计时予以考虑。

2 仿真模型建立

综合考虑5MW样机如东现场的风、波浪、海流等实际数据，采用多体支撑结构，将上部风电机组模型和下部支撑结构模型整合到一起进行仿真分析。根据施工地质条件绘制土壤刚度P-Y曲线[3]，建立整体模型如下图：

3 典型工况选择

根据GL2012海上风电规范[5]，在GH-blade中按照公式（2）、（3）计算，有义波高（HS）5.6m，谱峰周期（TP）10.6s。将生成的空气动力载荷和波浪载荷加载到整机模型，进行仿真分析。考虑到风速、水深与波浪等之间的关系，这里风速取切出风速25m/s。对于疲劳分析，风速生成采用NTM正常湍流模型，极限则采用ETM极端湍流模型，水深在0-30m之间，每间隔5m进行仿真。

4 仿真数据对比及结果分析

经过计算，以海平面水深高度的载荷值作为参考，得到0-30m水深范围内风电机组各零部件主导方向疲劳、极限载荷比值变化关系见图4、图5。可以看出，除塔基载荷随水深增加而显著增加外，塔架顶部各零部件疲劳载荷变化不明显，均在2%左右。就极限载荷而言，10m水深处塔架顶部各零部件的载荷增幅在5%左右，随后增幅逐渐减小，30m水深时增幅基本接近零。塔基载荷总体趋势随水深增加而增加。

一般情况下，海浪的生成，取决于风力强弱、风区大小和风时长短。浪高受到水位的限制，即在特定风速下，所能产生的浪高要比水深小一些。当水位超过一定程度时，浪高仅与风速相关，海流速度也随着水深的增加逐渐减小[4]。

可以看出，随着水深的增加，塔筒的频率有所降低，是造成塔筒变形和受力增大的主要原因，因此在进行塔架和基础设计时，需要根据具体情况调整刚度。

5 结论

以5MW海上风力发电机组为研究对象，应用专业计算软件GH-blade，考虑风、海浪、海流等环境条件，建立了近海风力发电机组性能仿真模型，得到以下结论：

1）不同水深条件下，风、浪和海流的相互耦合作用，整机载荷变化在2%左右，在设计余量范围内，机组零部件安全可以保证。塔基载荷变化基本都超过5%，需要根据安装地条件，进行重新设计。

2）随着水深的变化，波浪、海流在深度上的影响按一定规律衰减。

3）水深10m时，对整机零部件的极限、疲劳载荷影响最大，在5%范围内。

【参考文献】

[1]孙湘平.中国近海区域海洋[M].北京：海洋出版社，2006：168-178.

[2]海上风力发电机组认证规范[M].北京：中国船级社，2012：13-15.

[3]桩基工程手册[M].

[4]海港水文规范[JTJ213-98].北京：中华人民共和国交通部.

[5]Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines Edition 2012[M].Germany：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH.

[责任编辑：田吉捷]