2014北京国际风能大会之“风电机组总体设计”专场——鉴衡认定符鹏程：海上风力发电载荷仿真方法探讨

　　中国风电材料设备网:一年一度的风能行业的盛会——2014北京国际风能大会暨展览会，于22日在北京新国际展览中心盛大开幕，本届大会的主题是“和谐共赢，构筑稳健的风电市场”。10月22日下午“风电机组总体设计”专场——来自鉴衡认定中心的符鹏程工程师，他演讲的内容是“海上风力发电载荷仿真方法探讨”下面是文字实录：
    刘琦：下面为大家做演讲的是来自鉴衡认定中心的符鹏程工程师，他演讲的内容是海上风力发电载荷仿真方法探讨。
    符鹏程：大家好！首先讲一下载荷仿真的理论，这是一个海上风力发电，其实是东海大桥里面的项目。海上风电其实分两个部分，首先是机组部分，然后是基础这边。对于机组部分它受的载荷其实主要来自于风，而风它其实作用的主要位置也是叶片。对于机组部分，它的载荷来自于海水，得到风对机组的影响，以及海水对机组的影响之后，载荷之下整体的响应也是需要我们进行考虑的。
    首先，介绍一下风载的计算理论，因为风主要作用在叶片上，然后塔架包括机舱和轮毂，它其实是一个次要的载荷来源。对于叶片部分，我们其实采用的是一个动量-叶素的理论。对于水动力部分，也就是海水，因为它主要也是作为在这个机组上，水动力部分我们现在主要用的理论是一个Monison的使用理论，得到载荷。得到风载和水动力的载荷输入之后，相当于这是两个载荷输入的条件，我们需要把这个机组跟基础模型视为一个整体，我们需要把它等价成一个质点系，通过多体动力学的方法，得出它机组各个位置，以及各个分量的载荷。到这儿简单介绍一下载荷仿真基本的一些理论。对于海上来讲，海上相对陆上一个水动力的载荷计算其实是比较新的，也是比较复杂的。首先是它在计算水动力的时候，它有一个波浪理论，主要是线性的波浪理论跟非线性的波浪理论，这两个理论如果选取的不一样，这个载荷差异也是相当明显的。使用这两个理论分别进行波浪的建模之后，把波浪的建模带到水动力方程之后，得到水动力载荷。在这儿要注意的，就是有关水动力方程Morison方程这边，其实Morison方程在结构尺寸，海水跟它的波长如果在0.2以内，它的计算范围是很可靠的，但是超过一定范围，计算结果就不是那么可靠了。
    所以，在这些理论不适用的地方，我们要加入修正的效应，是一个拉伸的修正，包括辐射的修正，然后得到水动力的载荷。关于不同的理论之间的差异，我们参加国际的课题，OC4是一个海上飘浮机组不同仿真软件的载荷对比的项目里面，跟其他的一些国际研究机构进行了一个研究，关于这个差异，这边有主要的三块，就是黑体字部分。这三块，它解释起来还是比较麻烦的，大家有兴趣，在会后可以跟我们根据一个交流，关于这三方面的交流。
    讲完了以上的理论之后，我们说一下海上风电机组的建模。事实上这个风电机组的建模，要从一个很精确的方法上来说，应该是把它的机组模型跟基础模型视为一个整体算它的载荷。但是，事实上据我们国内目前而言，由于这个机组部分，一般是由整机进行设计，它的载荷也由整机进行计算，基础部分一般由设计院进行设计，水动力载荷也一般由设计院拟定。但是，设计院进行设计的时候，会用到整机厂商提供的等价的塔底的载荷输入实验计算它的基础模型的载荷。事实上从整机厂商拿过来塔底的载荷输入条件，它其实是存在不足的。主要是以下两个方面。一个是这个载荷它没有考虑到基础模型对它机组模型模态的影响，还有没有考虑到海水作用在基础上的载荷对机组的影响。
    我们主要针对第一点，也就是基础模型对机组模型的模态影响跟大家介绍一下这个载荷差异。这幅图跟这张表是在我们选取只含机组模型，同时包含机组和基础模型的情况下，它在极限工况下的载荷对比。从这幅实虚上大家可以看到，黑色是不考虑基础的，红色是考虑基础的。可以看到，没有基础影响的时候它的载荷要大于有基础时候的影响，虽然整体趋势是这样的。这张表里大家可以看到，这个差异可以达到靠近7%，就是蓝色的6.94%。这是极限载荷的对比。
    对于疲劳载荷，我们主要选择经常发电的工况，它的平均值可以达到3.64%，标准差也可以达到4%的差异，综合这两个因素，可以知道它的考虑基础跟不考虑基础载荷对它的影响也是比较大的。在选取建模方法的时候是要慎重的，载荷确实是比较大的，如果我们没有基础时候计算出来的载荷确实大于含基础的，我们可能造成设备上的一些浪费。