浮动式海上风力发电机荷载及振动控制研究进展

盖霞

摘 要：本文通过浮动式海上风力发电机所受风荷载及其振动控制研究进行了分析总结，分析了目前荷载计算方法及振动控制方法的有效性及合理性，对今后风荷载模拟方法选用及振动控制方面的研究奠定基础。

关键词：海上风力发电机;风荷载研究;振动控制分析;发展展望

1 引言

目前海上风力发电的开发主要集中在欧洲。近年来，北美、亚洲各国也加入到海上风电的开发行列，使得海上风电的研究更加深入。虽然我国拥有丰富的海上风能资源，但海上风电进展迟缓，技术尚不完备。由于海上风电相比于陆上风电，所处环境更为复杂，面临大风、海浪、潮汐、海啸以及地震等灾害的侵扰，海上风力发电技术朝着单机容量大型化、发电机组设备技术化、风场区域深海化的趋势发展。面对新的发展趋势，浅海域风力发电场的发展已经不能满足风能发展的要求，海上风电场将进军深海领域，因此浮动式海上风力发电机的发展前景愈加广阔。

本文结合国内外研究成果，总结了浮动式海上风力发电机的作用荷载及在其振动控制方面的研究现状，并根据研究现状对海上风力发电机的未来研究问题进行了展望。

2 浮动式海上风力发电机风荷载研究

空气流动变产生风，风的强弱用风速表示。通常认为瞬时风速由平均风和脉动风两部分组成。受海面粗糙度的影响，平均风速沿高度存在变化，该变化规律称为平均风速梯度或者风剖面。一般用指数率或对数率描述平均风速沿高度的变化规律。脉动风则具有随时间和空间变化的随机性，通常假定其为具有零均值的平稳高斯随机过程时间序列。其性能可用功率谱密度函数和相干函数来描述。功率谱密度函数可以反映脉动风中不同频率风速对应的能量分布规律，水平脉动风速谱主要有Davenport谱、Kaimal谱和Harris谱等，竖向脉动风速谱有Panofsky-McCormick谱、Lumley-Panofsky谱等。在时域中脉动风的相关性一般用相关函数来表示，相关函数分为自相关函数和互相关函数。频域中脉动风的相关性一般用相干函数来表示，风洞实验和实测表明，相干函数是一条指数衰减曲线。

风荷载是海上风力发电机最主要的荷载，主要包括塔体风荷载和叶轮风机荷载。塔体风荷载计算较为简单，其表达式为：

式中 为空气密度，为有效迎风面积，为塔身阻力系数，为瞬时风速。

目前，叶轮风机荷载的理论计算方法主要有叶素-动量（BEM）理论、涡流理论和计算流体力学（CFD）理论。

Ingram等[1]运用叶素动量理论对风力涡轮叶片进行了分析，并指出理论不仅用于分析，同样适用于设计。Lanzafame等[2]建立并改进了基于叶素动量理论的风机数值模型，并将数值模拟结果与文献中的实验数据进行对比，数据吻合较好。Duan等基于叶素动量理论，分析和计算正常运行时作用在叶片上的载荷，并利用有限元软件ANSYS对叶片进行应力分析，得到其应力分布。Sebastian等開发了一个自由涡流模型代码，并进行分析和实验验证，可用于海上浮动风力发电机空气动力学研究。

目前，浮动式海上风力发电机风荷载作用下的动力响应主要通过有限元软件进行模拟，由于理论计算方法选择各有差异，模拟的精确度也是各不相同，浮动式海上风力发电机作用荷载理论有待于深入研究，具体的荷载计算公式，耦合方法，载荷模拟程序等都需要精细化研究。

3 浮动式海上风力发电机振动控制研究

海上风力发电机在各种频谱特性不同的环境激励以及本身发电机偏置等因素作用下，风力发电机支撑系统有发生共振的可能，使得支撑系统与风机产生疲劳，缩短寿命。因此风机能否处于正常工作状态，主要由支撑系统在各种动荷载作用下的刚度与稳定性决定，尽管调节发电机的参数和机舱质量能够调整各自刚度避开共振作用，但是由于复杂的激励作用风机顶部的振动仍需用过耗能减振措施来控制。

Enevoldsen等[3]通过引入质量阻尼器来降低风力发电机塔架的动态响应和解决疲劳载荷的问题。Hirayama等[4]提出了一种用于减少波浪运动的气动式主动控制装置，适用于大型浮动式结构（VLFS），通过控制空气罐内的气压来实现对结构运动和偏转的主动控制。邱锦英[5]针对1.5MW和2.0MW风力发电机组进行分析，提出采用了在转矩控制中增加阻尼频率的方法来抑制传动链的扭曲振动，并在桨距角控制中引入一微扰阻尼来减小塔架前后的振动。

从目前研究情况来看，振动控制的形式十分单调，以传统的TMD与TLCD为主，而振动控制又是比较重要的一个方面，也是未来海上风力发电机研究的大趋势。目前SMA弹簧已经初步实现，考虑结合TMD提出新的振动控制装置，并将其应用到输电塔结构中，利用有限元软件ANSYS实现输电塔在SMA-TMD下的振动控制。结构形式不同，原理相同，SMA-TMD的研究思路以及研究方法同样可以应用到海上风力发电机结构中。

4 总结与展望

浮动式海上风电机逐渐进军深海领域，作为一种清洁能源，也是未来海上风电的大趋势。目前国内仅有少数几个团队在海上风力发电机的研究方面有所涉及，很多有关海上风电的研究领域几乎空白，总结国内外研究成果，认为在以下几个方面值得关注：

1）关于各种海洋环境荷载的作用形式、组合方式、频谱模型以及相应的参数取值，耦合荷载的实现方式（编程实现）也是研究重点，提出合理的模拟方法与理论模型，作为有限元模型的激励荷载。

2）目前，关于浮动式海上风力发电机振动控制方面的研究鲜有涉及，提出合理的控制策略，研发新型减振装置。振动控制同样可以结合浮动式海上风力发电机试验，将减振装置应用于试验模型，有控与无控结果作对比，验证减振装置的有效性与合理性。

参考文献

[1]Ingram G.Wind turbine blade analysis using the blade element momentum method.version 1.0[J].School of Engineering，Durham University，UK，2005.

[2]Lanzafame R，Messina M.Fluid dynamics wind turbine design：Critical analysis，optimization and application of BEM theory[J].Renewable energy，2007，32（14）：2291-2305.

[3]Enevoldsen I，Mørk K J.Effects of a vibration mass damper in a wind turbine tower[J].Journal of Structural Mechanics，1996，24（2）：155-187.

[4]Hirayama T，Ma N.Dynamic response of a very large floating structure with active pneumatic control[C].The Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference.International Society of Offshore and Polar Engineers，1997.

[5]邱锦英.风力发电机组振动分析及加阻控制研究[D].哈尔滨工业大学，2010.