风浪流载荷联合作用下半潜式风-流综合系统动态响应分析

2023-09-26石兆彬傅键斌

动力工程学报 2023年9期

石兆彬, 杨阳,2, 傅键斌, 房方

(1．宁波大学海运学院, 浙江宁波 315211; 2. 惠生(南通)重工有限公司, 江苏南通 226001;3．华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室, 北京 100096)

到2020年底,全球海上风电装机容量已达到743 GW,相比2019年增长14%,未来,海上风电的装机容量还将继续升高[1]。深海区域风资源具有风速高、储量大和分布广等优点,是未来海上风电发展的重要方向,因此针对漂浮式风力发电技术的相关研究受到了广泛关注[2]。漂浮式风电平台包括半潜式、Spar和TLP平台等,半潜式有着稳定性高、安装水深范围大和初期投资少等优点,具有良好的应用前景[3]。

对于半潜式风电平台,国内外学者开展了许多研究。宋兆波等[4]设计了10 MW大型风力机半潜式风电平台,通过SESAM模拟了平台稳定性,研究表明立柱间距、倾角及直径以不同方式影响平台稳定性。张轲等[5]基于OC4-5 MWDeepCwind半潜式风电平台,建立了两浮舱式、三浮筒式和四浮筒式平台,并在AQWA中求解3种平台在风浪流联合作用下的时域结果,结果发现两浮舱式平台运动响应的最大值与平均值相对较小,三浮筒式和四浮筒式平台更能抵抗流载荷的干扰。张洪建等[6]基于DeepCwind平台设计了具有倾斜立柱的新型半潜式风电平台,依据势流理论对比分析2种平台的水动力性能,研究发现新平台纵荡、垂荡与纵摇幅值响应算子峰值明显减小,垂荡与纵摇响应明显降低。魏东泽等[7]设计了一种新型半潜式风电平台,采用SESAM计算了平台在风浪联合作用下水的动力系数和时域动力响应,结果表明平台具有良好的稳定性和水动力特性。黄致谦等[8]研究了自主开发装配垂荡板的半潜式风电平台在风浪流载荷联合作用下的动态响应,与三浮体三立柱半潜式平台对比,证明了垂荡板对平台垂荡方向运动有良好的抑制效果。Johlas等[9]使用OpenFAST计算了Spar式与半潜式风力机发电功率,分析了平台运动对5 MW风力机功率的影响,结果表明平台的纵荡与纵摇对发电功率影响最大。Kamarlouei等[10]对波能转换器能否降低半潜式风电平台的纵摇运动进行实验,得出平台运动可以由波能转换器控制的结论。Bagherian等[11]提出了一种半潜漂浮式风力机模型,分析了风力机的动力学响应。

以上研究主要关注半潜式风力机的动态响应或稳定性,对于深海区域,除了丰富的风能之外,还蕴藏着大量的潮流能,为充分利用浮式平台及其系泊系统,在浮式风电平台上安装潮流能发电机是一种有效的降低能源利用成本的方式,马勇等[12]设计了三筒型漂浮式风-流发电装置,基于AQWA求出波浪载荷,在ANSYS的有限元模型中分析了平台的结构强度,结果表明强度达到了中国船级社(CCS)的设计要求。Yang等[13]基于AQWA和OpenFAST开发了一种耦合模型,用于计算由潮流能发电机与漂浮式风力机组成的漂浮式风-流综合系统输出功率及动态响应,对比OpenFAST中的数据验证了耦合模型的准确性,研究表明互补系统输出功率得到了提高且动态响应改善。Wang等[14]提出了由5 MW半潜式浮式风力机与波能转换器(WEC)组成的系统,研究4种不同形状转换器对系统的影响,结果表明使用凹形转换器的系统动态响应更好、功率更高。Li等[15]设计了由漂浮式风力机、WEC及潮流能发电机组合的模型,其仿真结果与单个漂浮式风力机相比,减小了平台纵荡与纵摇响应,输出功率得到极大的提高。但以上研究没有分析潮流能发电机的数量对风-流综合系统动态响应特性和功率输出的影响。

因此,考虑风力机气动载荷、漂浮式风电平台的波浪载荷和潮流能发电机流载荷之间的耦合效应,通过在AQWA中建立风力机气动-水动-伺服-弹性仿真模型和潮流能发电机水动力计算模型,形成了通用的漂浮式风-流综合系统全耦合模型(Coupled Analysis Tool for Integrated Floating Energy System,CATIFES)。采用CATIFES计算了风浪流载荷联合作用下OOStar半潜式平台、DTU 10 MW风力机与不同数量550 kW潮流能发电机组合的半潜式风-流综合系统动态响应,定量分析了潮流能发电机数量对平台运动响应、系泊张力和系统输出功率的影响,以期为浮式多能综合系统设计提供参考。

1 漂浮式风-流互补系统模型

1.1 漂浮式平台与系泊设计参数

所建立的漂浮式风-流综合系统模型如图1所示,其中风力机为丹麦科技大学与Vestas联合设计的10 MW机组[16],平台为欧盟项目Lifes50+设计的OOStar10 MW模型[17],该半潜式平台共有4根立柱,设计水深为130 m。

图1 漂浮式风-流综合系统示意图

分别研究了具有1台、2台和3台潮流能发电机的风-流综合系统的动态响应,其中单台潮流能发电机配置方案是在立柱1正下方安装1台潮流能发电机;2台和3台潮流能发电机的配置则分别在立柱2、立柱3及立柱2、立柱3和立柱4的正下方安装潮流能发电机,配置方案如表1所示,潮流能发电机轮毂位于海平面以下40 m处。

表1 漂浮式风-流综合系统配置方案

OOStar10 MW半潜式平台主要设计参数见表2,平台含压舱的质量为21 709 000 kg,重心位于水平面以下15.225 m,平台由3根系泊固定,系泊之间夹角为120°,系泊总长为703 m,在距导缆孔118 m处具有质量为50 000 kg的配重块,系泊系统主要设计参数见表3。

表2 半潜式平台主要设计参数

表3 系泊系统主要设计参数

1.2 风力机与潮流能发电机设计模型

风力机和潮流能发电机分别为丹麦技术大学(DTU)设计的10 MW三叶片水平轴风电机组和美国Sandia 550 kW[18]双叶片模型,风力机与潮流能发电机主要设计参数分别见表4和表5。

表4 DTU 10 MW风力机主要设计参数

表5 潮流能发电机主要设计参数

2 漂浮式风-流综合系统耦合仿真模型

2020年,Yang等[13]基于AQWA和FAST软件开发了适用于浮式风电机组全耦合仿真的模型F2A;在此基础上,结合AeroDynv15建立了潮流能发电机水动力载荷计算模型,开发了漂浮式风-流综合系统的全耦合仿真程序CATIFES并验证了其有效性[19]。CATIFES耦合逻辑结构如图2所示,其借助AQWA外部载荷计算的动态链接库(user_force64.dll),实现了风力机及潮流能发电机载荷与平台运动的实时耦合。

图2 CATIFES中各模块的耦合关系

在AQWA中进行时域仿真时,首先通过动态链接库将平台位移、速度及加速度传递至AeroDyn及OpenFAST程序中,用于计算潮流能发电机水动载荷及风力机气动载荷和结构动力学响应;然后,将风力机及潮流能发电机载荷传递回AQWA求解器作为平台的外部载荷,结合平台受到的水动力和系泊恢复力,计算平台运动响应。对应的,平台运动也会影响风力机气动载荷和潮流能发电机水动载荷,因此基于平台运动通过user_force64.dll来修正风的相对速度和海流入流速度。

其中,对平台运动与潮流能发电机流载荷的关系作如下说明:潮流能发电机固定在平台底部,平台运动会导致潮流能发电机产生一定的速度,进而影响海流的入流速度,最终影响作用在潮流能发电机上的流载荷大小。海流入流速度与平台运动之间的数学关系如下:

Ucurr,rel=Ucurr-Uptfm,surge-(Ztidal-Zptfm)Uptfm,pitch+(Ytidal-Yptfm)Uptfm,yaw

(1)

式中:Ucurr,rel为潮流能发电机轮毂处定义的入流速度;Uptfm,surge、Uptfm,pitch和Uptfm,yaw分别为平台纵荡、纵摇和艏摇速度;Ztidal、Zptfm分别为潮流能发电机和平台的垂向重心坐标;Ytidal、Yptfm分别为潮流能发电机和平台的横向重心坐标;Ucurr为实际海流速度。

AQWA求解器与风力机和潮流能发电机的动态响应分别参考不同的坐标系,需对平台运动和载荷进行坐标变化。以风力机和平台之间的耦合为例,基于欧拉角的平台坐标转换矩阵Tmat如下:

Tmat=EzEyEx

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:Ex、Ey和EZ分别为平台横摇、纵摇和艏摇欧拉角矩阵;θ1、θ2和θ3分别为横摇、纵摇及艏摇角度。

平台重心为惯性坐标系原点,建立局部坐标系,对平台位置向量进行如下变换:

DDLL=DAQWA-Tmat·G

(6)

式中:DDLL、DAQWA分别为userforce64.dll中用于风力机运动学参数修正的平台位移向量和AQWA得到的初始平台位移向量;G为DLL中平台运动的参考点(通常为(0, 0, 0))到平台重心的位移矢量。

平台的速度矢量修正如下:

UDLL=UAQWA-Tmat·G×ω

(7)

式中:UDLL、UAQWA分别为userforce64.dll中用于修正风力机运动学参数的平台速度向量和AQWA中计算获得的平台速度向量;ω为AQWA计算得到的平台旋转速度向量。

综上所述,CATIFES模型不仅考虑了风力机与潮流能发电机水动力的耦合作用,也根据平台运动对潮流能发电机的入流速度进行了修正。因此,采用该模型可以更真实地模拟风浪流条件下漂浮式风-流集成系统的动态响应特性。

3 仿真结果与分析

采用基于OpenFAST和AQWA开发的风-流综合系统全耦合仿真模型CATIFES,分别计算了OOStar半潜漂浮式风力机和安装了不同数量潮流能发电机的风-流综合系统在风浪流载荷联合作用下的平台运动、系泊张力和系统总功率。其中,湍流风场使用Kaimal风谱模型,平均风速为11.4 m/s,定常海流速度为2 m/s。选择JONSWAP波浪谱生成非规则波,有义波高设置为3 m,谱峰周期为10 s。仿真时长为2 100 s,时间步长为0.005 s。

3.1 平台纵荡与纵摇响应

图3为半潜漂浮式风力机安装不同数量潮流能发电机时平台纵荡时域响应。从图3可以看出,随着潮流能发电机数量的增加,平台纵荡逐渐增大。无潮流能发电机时,平台纵荡平均值约为23.49 m。当安装了1台、2台和3台潮流能发电机后,纵荡平均值分别增大约21.49%、54.45%和75.90%,这是因为潮流能发电机会产生顺风向推力,增加潮流能发电机数量,所提供的推力也会增大,在更大的推力作用下,平台纵荡平均值明显增大。无潮流能发电机时纵荡标准差约为6.17 m,安装1台、2台和3台潮流能发电机后纵荡标准差分别减小约9.08%、22.37%和14.59%,这表明加入潮流能发电机会降低平台纵荡波动幅度。

图3 安装不同数量潮流能发电机时的平台纵荡

图4为半潜漂浮式风力机安装不同数量潮流能发电机时平台纵摇时域响应。从图4可以看出,随着潮流能发电机数量的增加,平台纵摇逐渐减小。无潮流能发电机时,平台纵摇平均值约为3.99°,安装1台、2台和3台潮流能发电机后,纵摇平均值分别减小约23.31%、46.62%和68.17%,说明半潜式风-流综合系统的平台纵摇响应更小,主要是因为风力机与潮流能发电机推力作用点分别位于系统重心的上方和下方,二者引起的平台倾覆力矩方向相反,从而在一定程度上使平台保持相对更小的纵摇角度。无潮流能发电机时,纵摇标准差约为0.98°,安装1台潮流能发电机后,纵摇标准差减小约0.10%,安装2台和3台潮流能发电机后纵摇标准差分别增大约2.15%和9.00%,说明潮流能发电机会影响纵摇波动幅度。

图4 安装不同数量潮流能发电机时的平台纵摇

3.2 系泊张力

由于锚点处的系泊张力远小于导缆孔处的系泊张力,因此仅分析导缆孔处系泊张力,图5比较了安装不同数量潮流能发电机时系泊张力的变化情况。从图5可以看出,与无潮流能发电机时相比,安装潮流能发电机后,系泊1的张力均减小,而系泊2和系泊3的张力均增大。结果表明,较之于半潜漂浮式风力机,半潜式风-流综合系统的上风向系泊张力更大,而下风向系泊张力更小。这主要是因为在潮流能发电机推力的作用下,平台向着顺风向移动,位于下风向的系泊1处于松弛状态,张力较小;系泊2和系泊3则处于拉伸状态,因而张力更大。

(a) 系泊1

表6给出了安装不同数量潮流能发电机时半潜式风-流综合系统系泊张力的最大值、平均值和标准差。可以看出,无潮流能发电机时,系泊1平均张力和最大张力分别约为1.258 MN和1.575 MN,在安装1台、2台和3台潮流能发电机后,平均张力分别减小约5.17%、8.74%和11.05%,最大张力分别减小约8.00%、14.35%和16.44%。系泊1张力标准差在无潮流能发电机时约为0.082 MN,安装1台、2台和3台潮流能发电机对应的张力标准差分别减小约21.95%、39.02%与41.46%。

表6 系泊张力统计值

与之相反的是,处于系统下风向的系泊2和系泊3的平均张力及最大张力均明显增大。无潮流能发电机时,系泊2的平均张力和最大张力分别约为2.277 MN和2.753 MN,其标准差约为0.189 MN,安装1台、2台和3台潮流能发电机后,平均张力分别增大约9.84%、20.82%和31.80%,最大张力分别增大约10.72%、20.20%和34.54%,标准差分别增大约14.29%、21.16%和35.27%。无潮流能发电机时,系泊3的平均张力和最大张力分别约为2.264 MN和2.834 MN,其标准差约为0.202 MN,安装1台、2台和3台潮流能发电机后,平均张力分别增大约9.94%、20.85%和31.93%,最大张力分别增大约6.99%、17.40%和30.56%,标准差分别增加约12.38%、17.82%和48.51%。

3.3 系统输出功率

半潜式风-流综合系统总功率为风力机和潮流能发电机输出功率之和,图6为安装不同数量潮流能发电机的半潜式风-流综合系统以及潮流能发电机输出功率对比。从图6可以看出,安装潮流能发电机后,系统总功率增大。潮流能发电机平均功率分别约为0.481 MW、0.948 MW和1.401 MW,潮流能发电机总功率与其数量并非呈线性关系,这主要是由于平台运动会影响潮流能发电机的相对入流速度,从而导致发电功率产生波动,且随着潮流能发电机数量的增多,平台运动对潮流能发电机功率的波动影响更大。这也说明,对于风-流综合能源系统,潮流能发电机的数量并非越多越好。

(a) 风-流综合能源系统总功率

图7为风-流综合能源系统和风力机平均功率的对比。从图7可以看出,安装1台、2台和3台潮流能发电机后,系统平均功率分别增大约5.39%、10.76%和15.94%。并且安装潮流能发电机后,平台运动稳定性提升,在相同的控制策略下,风力机自身的输出功率也得到了一定提升,安装1台、2台和3台潮流能发电机后风力机自身输出功率分别增大约0.19%、0.36%和0.57%。由此可见,在漂浮式风电机组的基础上,安装潮流能发电机是一种提升能源利用效率和系统输出功率的有效方法。