氣流噴射模擬海上浮式風電結構風機載荷實驗技術初探

楊永春，劉坤寧，李響亮，魏翔宇，潘科仲

(1. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100； 2. 中誠國際海洋工程勘察設計有限公司，山東 青島 266000)

氣流噴射模擬海上浮式風電結構風機載荷實驗技術初探

楊永春1，劉坤寧2，李響亮1，魏翔宇1，潘科仲1

(1. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100； 2. 中誠國際海洋工程勘察設計有限公司，山東 青島 266000)

隨著海上風電技術的快速發展，海上風電逐漸由淺海走向深海，海上風電基礎結構型式將逐漸由固定式發展到漂浮式。在浮式風電結構的模型實驗中，風機載荷的模擬是保證實驗效果的重要因素。針對浮式風電結構模型實驗中風機載荷的模擬問題，提出了一種新型的基于氣流噴射、利用氣流反作用力模擬風機載荷的實驗方法并進行了初步驗證。通過標定得到氣流控制信號與反作用力的關系，將數值模擬得到的原型風機載荷時程轉換為相應的控制信號，同時針對實驗裝置對氣流變化的響應特性，對控制信號進行頻域和時域修正，驅動氣流噴射以模擬風機作用力和力矩。經過實驗驗證，載荷模擬裝置產生的載荷在時域和頻域上都能與模型實驗所需風機載荷保持較好的一致性，證明該方法可行。

綠色能源；浮式風電；模型實驗；氣流噴射；載荷模擬

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目前，已經實際安裝的海上浮式風力機僅有幾臺樣機，包括挪威Sway、Hywind以及英國的Blue H。現有海上浮式風電結構模型實驗研究主要是參考油氣平臺實驗方法進行。盡管挪威船級社、德國勞氏船級社和美國船級社有關規范中提到了浮式風力機，但均沒有詳細的說明。針對海上浮式風電模型實驗及風機載荷特性[1]，國內外已經展開了多種形式的研究。目前已進行的模型實驗數量有限，也存在一些不足之處，但這些實驗非常具有創新性，對以后的模型實驗具有重要的借鑒意義。

挪威Hywind風機載荷模擬是按縮尺比制作小風機，用風機矩陣模擬風場[2]，其實驗模型如圖1所示。美國WindFload 模型實驗中風機載荷的施加是將風機等效為圓盤，用電機帶動金屬棒模擬風機轉矩[3]，如圖2所示。日本半潛式結構模型實驗將風機在工作狀況下作用效果等效為圓盤，將風機在生存狀況下的作用效果等效為梁[4]，如圖3所示。

圖1 挪威Hywind 圖2 美國WindFloat Fig. 1 Norway Hywind Fig. 2 American WindFloat

圖3 日本半潛式Fig. 3 Japan semi-submersible

國內對浮式風電模型試驗的研究也已經開展。2011年，哈爾濱工程大學在海上浮式風電結構模型實驗的研究中，忽略氣動載荷的特性，將風力機載荷等比例縮小為定常載荷[5]。2011年，任年鑫在哈爾濱工業大學風洞浪槽聯合實驗室進行浮式風電系統模型實驗[6]。基于風載荷縮尺模型靜力等效的原則，實驗中葉片不旋轉，風機載荷等效為不同風速下固定迎風面積下的靜力。上海交通大學的彭濤等人對水池模擬風場做過理論研究和模型實驗[7]。

現有浮式風電模型實驗中，風機載荷模擬通常做法：一是將風機作用效果等效為旋轉圓盤[3-4]，二是將其等效為定常載荷[5]，三是按模型幾何縮尺比制作小風機模型，使用風機矩陣模擬風場[2]。

由于風載荷的隨機性，由風載荷引起的風機載荷是隨機載荷，隨著時間不斷變化。因此無論將風機作用效果等效為旋轉圓盤或是將其等效為定常載荷，均難以模擬風機運行時風機載荷變化規律。按模型幾何縮尺比制作小風機模型首先難以滿足介質相似定律，其次使用小風機模型模擬的載荷與實際風機載荷按模型縮尺比得到的風機載荷也是不同的。因此現有浮式風電模型實驗難以同時滿足多個相似準則，難以在實驗中產生滿足相似性的載荷(大小和頻譜特性均滿足相似性)[8]。

1 風機載荷模擬方法可行性分析

在風電行業，采用GH bladed 軟件模擬風機運行是被廣泛認可的。GH bladed 軟件可以模擬風機實際運行狀態，并可以提取風機對塔架作用載荷時程，這些載荷包括三個方向的力和三個力矩時程。因此，在對風電塔架支承結構進行模型試驗時，可以對所得到的風機載荷進行縮比尺模擬。

在固定式風電結構模型實驗中，可以利用固定的平臺模擬風機載荷，而浮式風電結構是浮動的，無法采用固定的平臺模擬風機載荷，也難以采用直接接觸式的加載方式。因此提出基于氣流噴射、利用氣流反作用力模擬風機載荷的加載方式。

1.1 風機載荷特征分析

本實驗中所模擬的風機載荷時程由Bladed軟件模擬得到，并選取所模擬風機載荷時程中X方向(風機軸向)力和Z方向(垂直方向)力矩。模型實驗幾何縮尺比選為1∶50，風機載荷按照該縮尺比縮放之后，X方向的載荷時程如圖4，其幅值譜如圖5。從時程圖和幅值譜中可以發現，所需模擬的風機載荷是低頻的，而且量級比較小。因此，采用噴氣式模擬風機載荷是可行的。

1.2 風機載荷模擬裝置原理

風機載荷模擬實驗裝置原理如圖6所示。載荷模擬裝置的原理是通過不斷變化的電壓信號驅動電磁閥控制氣流參數，以氣流噴射的反作用力模擬風機運行中對塔架產生的載荷時程。

實際模擬裝置如圖7所示，所用設備主要包括采集儀、電磁閥、傳感器、信號發生器以及數顯壓力調節閥等。數顯壓力調節閥的作用是控制氣壓源的參數。

圖4 X方向風機載荷時程Fig. 4 X-wind load time-history

圖5 X方向風機載荷幅值譜Fig. 5 X-wind load amplitude spectrum

圖6 載荷模擬裝置原理Fig. 6 Principle of load simulation device

圖7 實驗裝置Fig. 7 Simulation device

2 單向力模擬

制作好實驗裝置后，首先從模擬簡單的單向力開始。要模擬單向力，首先要確定氣流參數與反作用力之間的關系，即標定在某一氣源壓力下，控制閥驅動電壓與反作用力之間的關系。然后通過驅動電壓與反作用力的擬合關系，將模型轉換得到的載荷對應轉換為驅動電壓信號。

2.1 驅動信號頻域修正

由電磁閥本身的特性，電磁閥對于不同頻率的驅動信號響應不同，驅動信號頻率越高響應越小，因此需要對驅動信號進行修正。

以不同頻率、電壓變化范圍為2～5V的正弦信號驅動電磁閥，分別得到不同頻率下，單位驅動電壓(V)對應測得反作用力的變化量。當驅動信號處于低頻1 Hz時，認為電磁閥對驅動信號的響應沒有損失即為1。其他頻率對應的修正系數則為將該頻率下電磁閥對驅動信號的響應修正到1 Hz對應的響應所需要乘以的系數，得到數據及修正系數如表1所示。針對1～4 Hz之間的驅動信號進行頻域修正，不同頻段的修正系數通過表1中數據插值得到。

表1 修正系數Tab. 1 Correction factor

2.2 單向力模擬結果

將修正后的驅動電壓信號驅動電磁閥，得到反用力時程，如圖8所示。通過時程圖發現目標載荷與實測載荷在時域一致性較好。其幅值譜對比情況如圖9所示。通過幅值譜對比可以發現：驅動信號進行頻域修正后實測得到載荷時程的幅值譜與目標譜在關心頻段1～4Hz內較為接近。

將本裝置安裝于浮體模型上，并測試所模擬的風機載荷。測試結果表明浮式風電結構自身的運動對所模擬載荷的影響可以忽略。

因此經過頻域修正后，所模擬載荷時程與目標載荷時程(模型轉換得到載荷)，在時域和頻域上均能較好地吻合，能夠滿足要求。

圖8 目標載荷時程(上)與實測載荷時程(下)對比Fig. 8 Time-history comparison

圖9 目標載荷(上)與實測載荷(下)幅值譜對比Fig. 9 Amplitude spectrum

3 力矩模擬

海上浮式風電風機對浮式支撐結構的作用力(及力矩)有六個，包括3個方向的力和3個方向的力矩。為了使實驗裝置能夠應用于海上浮式風電模型實驗中，將使用基于氣流噴射的實驗裝置模擬風機對浮式風電結構所施加的力矩。

3.1 力矩模擬原理

載荷模擬實驗中，同時驅動兩個氣流噴射裝置，即用兩個力模擬風機載荷中的一個力和一個力矩。通過計算，將一個力和一個力矩轉換為兩組力時程，同時將力時程信號轉換為電壓信號。

3.2 測試結果

F1 實測載荷與模型轉換載荷在時域方面對比，如圖10所示，頻域統計指標見表2。F2 實測載荷與目標載荷在時域方面對比如圖11所示，頻域統計指標見表3。

通過時域對比圖和頻域統計指標可以發現：F1和F2時程載荷的模擬在時域和頻域上都能滿足與目標載荷的一致性。

表2 F1目標載荷和實測載荷頻域特性統計表Tab. 2 F1 frequency-domain indices

表3 F2目標載荷與實測載荷頻域特性統計表Tab. 3 F2 frequency-domain indices

圖10 F1目標載荷時程(上)與實測載荷時程(下)對比Fig. 10 F1 time-history comparison

圖11 F2目標載荷時程(上)與實測載荷(下)時程對比Fig. 11 F2 time-history comparison

4 結 語

本文提出基于氣流噴射利用氣流反作用力模擬風機載荷的方法并對其可行性進行了初步探討，達到了預期效果。主要研究結果如下：

1)利用氣流噴射加載方法可以有效模擬風機載荷；

2)文中所提的裝置模擬風機載荷中一個方向的作用力，在時域和頻域上都能較好地滿足一致性；

3)通過使用兩套氣流噴射控制裝置，同時模擬兩個力時程來模擬風機載荷的一個力和一個力矩也是可行的。

[1] 李靜，陳健云.海上風力發電結構動力研究進展[J].海洋工程，2009, 27(2)：124-129. (LI Jing,CHEN Jianyun. Review on dynamic research of offshore wind structures [J]. The Ocean Engineering, 2009, 27(2):124-129. (in Chinese))

[2] TOF DAVID HANSON. Integrated dynamic analysis of floating offshore wind turbines[C]//Proceedings of OMAE2006 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2006 :1-9.

[3] DOMINIQUE RUDDIER. WindFloat: a floating foundation for offshore wind turbines[C]//Proceedings of ASME 2009, 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. Hawaii:[s.n.], 2009: OMAE2009-79229.

[4] TAKESHI ISHIHARA. A study on the dynamic response of a semisubmersible floating offshore wind turbine system[C]//ICWE12. Australia;[s.n.], 2007: 2511-2518.

[5] 趙靜，張亮. 模型試驗技術在海上浮式風電開發中的應用[J].中國電力，2011，44(9)：55-60. (ZHAO Jing,ZHANG Liang. Application of model experiment technology to floating offshore wind farm development[J]. Electric Power, 2011, 44(9):55-60.(in Chinese))

[6] 任年鑫. 海上風力機氣動特性及新型浮式系統[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011. (REN Nianxin. Offshore wind turbine aerodynamic performance and novel floating system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2011.(in Chinese))

[7] 彭濤，楊建民，李 俊.海洋工程實驗池中風場模擬[J]. 海洋工程，2009, 27(2)：8-13. (PENG Tao,YANG Jianmin,LI Jun. Simulation of wind field in a laboratory basin[J]. The Ocean Engineering, 2009, 27(2):8-13. (in Chinese))

[8] 張亮.海上漂浮式風力機研究進展及發展趨勢[J].海洋技術，2010(4): 122-126. (ZHANG Liang. Study on offshore floating wind turbine and its development[J]. Ocean Technology, 2010(4): 122-126.(in Chinese))

Preliminary study on simulation technology of wind turbine load for offshore floating wind turbine

YANG Yongchun1, LIU Kunning2, LI Xiangliang1, WEI Xiangyu1, PAN Kezhong1

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. China Integrity International Oceaneering, Ltd., Qingdao 266000, China)

With the rapid development of offshore wind energy industry，offshore wind turbines will be constructed not only in shallow sea but also in deep sea, and the foundational structure of offshore floating wind turbine will develop from solid foundation to floating foundation. The simulation of the wind turbine load is an important factor to ensure the results of the test. In this paper, for the simulation of wind turbine load in offshore floating wind turbine model experiment, based on the load characteristic that wind turbine load is low-frequency and the peak is small, a new load simulation device based on air injection is presented. We obtain the relationship between the airflow control signal and the reaction force by demarcation. The load obtained by numerical simulation of the wind turbine is converted to the corresponding airflow control signal, and the signal is corrected in frequency and time domains as the response characteristics of the device to airflow changes. Then we use the signal to control the airflow to simulate a force history and a moment history. Over the test, the load simulated by the device can match with the actual load in time and frequency domains, and the device can complete the simulation of the force history and the moment history.

green energy; floating wind turbine; model experiment; airflow injection; load simulation

TM614

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.02.013

1005-9865(2015)02-0105-05

2014-01-15

楊永春(1964-)，男，山東青島人，教授，從事海洋工程結構動力學、結構檢測技術和工程結構實驗技術研究。