海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析.docx

海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析 张开华;张智伟;陈明亮;吴俊辉;宋丽丽;常璐 【摘要】载荷计算是海上风电机组开发的关键性工作,准确的载荷仿真非常重要在 全面调研海上风电机组载荷仿真计算软件,尤其是浮式载荷仿真软件的基础上，简要 介绍了主要计算软件的特点、新的改进及其发展趋势，以期对海上风电载荷计算工 程师有所帮助. 【期刊名称】《水电与新能源》 【年（卷），期】2017（000）010 【总页数】6页（P63-68） 【关键词】海上风力发电机组;载荷计算;计算软件;深海 【作者】张开华;张智伟;陈明亮;吴俊辉;宋丽丽;常璐 【作者单位】上海绿色环保能源有限公司，上海200433;上海绿色环保能源有限公 司，上海200433;华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京100872;华锐风电科技（集 团）股份有限公司，北京100872;华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京100872;华 锐风电科技（集团）股份有限公司，北京100872 【正文语种】中文 【中图分类】TM614 我国海上风资源丰富，海上风电作为典型的清洁能源越来越受到重视。与陆上风电 场开发相比，海上风电具有不占用土地、风力更稳定、风速更高的优点。此外，海 上风电对人类生产、生活的环境影响较小，因此，海上风电易于大型化、规模化发 展，必将成为未来全球风电开发的重要方向。 海上风电机组设计开发是一项比较复杂的工程，涉及到风浪流复杂恶劣的环境［1- 2］,对技术的要求较高，如图1。载荷计算是海上风电机组开发非常重要的阶段， 准确的载荷仿真非常重要。较早的专用风电机组载荷计算软件目前也有30多年的 历史，但大部分软件的功能和精度是近十年才得到逐渐完善。海上风电机组载荷计 算软件有相当一部分是在陆上风电机组载荷计算软件的基础上升级而来，也有用来 设计开发海上风电机组，但其准确性并没有经过第三方认证机构的认证检验。目前 海上风电组载荷计算软件正在改进和升级过程中。 目前海上风电机组载荷计算软件有很多款，功能也各不相同，但基本由4大功能 模块组成，即气动模块、水动力模块、结构动力学模块和控制模块，如果是漂浮式， 还要有锚链模块，如图2,其采用的算法多半相近［3-5］。但由于对于深海漂浮式 风电机组整机动力学的耦合机理深入研究的缺乏，目前的载荷仿真计算软件多采用 半耦合计算方法，即分别在风电机组气动一平台结构和平台结构一水动力学界面 上设置约束条件，强行耦合，各系统独立计算，或先算某种效应，然后再折合为附 加质量或者附加载荷方法考虑计算其它一种效应，故而无法准确反映其耦合机制本 质和影响［6］。有必要开发更有效的全耦合算法和仿真模型用于深海漂浮式风电机 组的设计和认证。 气动模块大部分采用动量叶素理论和广义动态尾迹理论，部分软件考虑动态失速修 正。在部分软件中更先进和复杂的算法也逐渐加入到气动模块；水动力模块多采用 线性波理论与莫里森方程相结合的方法［7］。部分来自船舶和海洋平台计算软件， 则采用了波辐射和散射修正的线性势流理论结合莫里森方程的方法，但由于漂浮式 风电机组上部结构的特殊性，该算法的有效性尚不确定；结构动力学模块中的风电 机组与漂浮式平台多采用模态法、有限元方法(FEM)或者多体动力学方法，系泊系 统多采用准静态悬链线方程。部分风电机组专用结构动力学软件则采用假设模态法 与多体动力学相结合的技术，而船舶和海洋工程计算软件由于对系泊系统计算要求 较高，则采用用户自定义力与位移关系方法计算系泊系统载荷；控制模块基本都采 用动态链接库(DLL)方法导入仿真模块，有些软件则提供用户自定义格式(UDF )的 控制文件。 表1是OC4项目所使用载荷计算软件，这些软件包括了世界上大部分风力发电机 组载荷计算。从表1中可以看出，目前比较成熟稳定的风力发电机载荷计算软件 几乎都由欧美国家开发，主要集中在美国、荷兰、丹麦、挪威、法国、德国、西班 牙等国家，我国在计算软件方面，相比欧美国家落后许多。 风力发电机载荷计算软件分为以下几类： 专用风力发电机组载荷计算软件，如Bladed,FAST, HAWC2, 3Dfloat，FLEX5。 多体动力学软件改造升级为风力发电机载荷计算软件，如SWT(SAMCEF For Wind Turbines)，DeepLines Wind，alaska/wind。 基于通用多体动力学软件的风机载荷计算软件，一般是多个计算软件的组合，如 Adams，Simpack，CHARM3D。 基于海洋工程计算的风机载荷计算软件，一般也是多个计算软件的组合，如,Simo， OrcaFlex，Riflex。 1)HAWC2。HAWC2由DTU Wind Energy开发和发布，已被广泛应用于许多研 究项目和工程。HAWC2能够及时仿真风力涡轮机，具有以下特