海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析

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(SAMCEFForWindTurbines)，DeepLinesWind，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DTUWindEnergy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，具有以下特性：①适用于陆上多叶片风机；②也可用于垂直轴风力发电机(VAWT)；③拉线式支持结构；④一个模拟中可以有多个风轮；⑤用于VAWT的气动二维促动圆筒模型；⑥通过SFI(结构-流体相互作用)耦合到CFD代码EllipSys3D的高保真气动力学计算。HAWC2是DTUWindEnergy的商业代码的一部分，其中还包括软件程序HAWCStab2，BECAS，WAsP和WAsPEngineering。WAsP用于风资源评估，WAsP工程用于场地风场，可用作HAWC2的输入。3Dfloat。3Dfloat是由IFE开发的风电机组载荷计算软件，能同时考虑波浪、风力、海流和湍流等参数的影响，耦合计算海上风力发电机的动态特性。IFE的目标是将3DFloat变为一个开源代码，从而获得更多的用户和开发人员。bladed。Bladed目前已经发展到4.8版本，增加了Glauert动量理论和Oye动态尾流模型，同时还增加了倾斜尾流修正模型Glauertskewwakemodel和IncompressibleBeddoes-Leishman动态失速模型；增加了细长叶片分段建模技术，对叶片变形的计算更加准确，但花费时间更多；增加了边界元法水动力方法(不过需要从WAMIT或者AQWA导入)。后续版本Bladed的空气动力模块将增加涡线模型；动态锚链力学模型正在发展中，能适应更复杂的海浪模型。FAST。FAST(Fatigue,Aerodynamic,Structure,Turbulence)仿真软件是一个开源软件，由美国国家可再生能源实验室专门为研究水平轴发电机而设计的。FAST已经从刚开始1.0版本发展到现在的更加实用的8.0的版本。FAST是由众多软件组成的一个风力发电系统综合仿真平台。可以对水平轴两叶片和三叶片的风机进行极限载荷和疲劳载荷的计算，其中仿真所需的风可以由Turbsim和IEWind产生，AeroDyn调用风速文件并计算风电机组的气动载荷，空气动力学载荷计算由Aerodyn完成，叶片塔架平台等结构由BMODE产生，翼型数据可以由Foilchek产生，波浪等因素也有专业的软件来模拟，后处理部分由Crunch软件完成。FAST经过了多年的改进，载荷计算功能趋于完善，但是目前版本中还不具备计算风速作用在塔筒上的气动载荷以及不能直接输出波浪力等功能。flex5。风力发电机组载荷计算代码Flex5由丹麦技术大学哥本哈根(DTU)开发的专用风力发电机载荷计算软件。alaska/wind。Alaska是通用多体动力学软件，由德国机械电子学会开发。Alaska/Wind是用于开发风力发电机组的多体动力学软件。SIMO。SIMO是用于研究多体系统的运动和驻停保持的非线性时域仿真程序。能够对驻停和连接机构(锚索，绳索，推进器，挡泥板，缓冲器，对接引导桩)的灵活建模。SIMO也可作为SESAM的DeepC软件包的一部分，用于浮动船舶的耦合分析。OrcaFlex。OrcaFlex是一款世界领先的动力学计算分析的海洋工程软件包。由澳大利亚FormationDesignSystems公司开发，主要用于海洋工程学、海洋学研究、水产养殖等相关领域。OrcaFlex在其类中也具有独特的功能，可用作库，允许大量的自动化功能，并可以快速集成到第三方软件中。Riflex。Sesam的Riflex软件模块代表了适用于柔性金属或钢悬臂立管应用的分析的最新技术。Riflex是一种高效的软件系统，非常有效和强大的非线性时域分析工具，特别擅长于细长海洋结构的流体动力学和结构分析。它也可用于与深水中浮动体相连的系泊和立管系统的耦合分析。SWT(LMSSamcefWindTurbines)。LMSSamcef是一种非线性有限元求解器，该软件旨在解决由数百万自由度，大旋转和强非线性组成的模型。LMSSamcefWindTurbines的多功能性可以分析任何风力发电机的行为。基于LMSSamtechCaesam平台，LMSSamcefWindTurbines有助于从概念到组件细节的连贯的工程流程，以产生高保真模型，您可以广泛地进行设计和认证。LMSSamcefWindTurbines提供机电一体化风力发电机系统的完全耦合模拟。DeepLinesWT。DeepLinesWT，—种用于海上风力发电机的有限元分析(FEA)软件，是由一家法国工程和软件开发公司Principia和IFPEnergesnouvelles(IFPEN)共同开发。CHARM3D。CHARM3D是一种有限元程序，能够在时域和频域耦合动态的锚固海洋结构，在时域分析中，各种非线性，如平台的系泊线和列的拖曳力，大(平移)平台运动，自由表面效应以及几何非线性度系泊系统。在频域分析，平台-系泊系统假定在周围发生小动作位移，以便可以应用线性分析。用于建模陆上风力发电机的仿真软件依赖于气动伺服弹性代码，其包含空气动力学（空气），控制系统（伺服）和结构动力（弹性）模型在时域中的耦合仿真。为了适应与海上风力发电机组，这些计算软件已经扩展到包括波浪、海流相关的流体动力学和地基动力学的建模。这些计算代码的高度复杂性、难度较高，准确性的验证非常必要。国际能源署（IEA）已完成研究海上代码比较协作延续OC4项目。OC4项目的目的是通过模拟海上结构的载荷来实现代码与代码比较，以验证OWT动态仿真代码的准确性。OC4项目直接影响到海上漂浮式风力发电机载荷计算软件的改进和升级方向，所以要了解海上风机载荷计算软件很有必要了解OC4项目。图3是OC4项目计算的风机模型。大多数已开发用于建模海上风力发电机动态响应的气动-水动-伺服弹性代码已在OC4内进行了测试。OC4的主要成果之一是更好地了解流体动力学建模方法对浮动半潜式基础平台的响应的影响。。。4项目要求对海上风力发电机动力学和建模技术有更多了解，以及更好地掌握各种建模方法的有效性。该项目的成果将有助于指导这些工具的开发和改进工作，以支持海上风电的设计和分析。以下是OC4主要技术成果清单：1） 在相应的计算工况下，对于这种半潜式基础风机，潜流理论对辐射/衍射负载没有明显的需求。只使用莫里森理论的计算代码似乎产生了类似的结果，尽管有更多的变桨响应。然而，这些微小的差异可能会导致疲劳问题，这在工况中并没有检查。2） 与精细的计算莫里森阻力（特别是存在大波浪和海流）相比，通过全局阻力矩阵近似结构的粘滞阻力载荷可能被低估。3） 基于非线性流体动力学模型，在不同的模型中，波浪激发弓|起的平均漂移水平不同。Morison方程波伸展法在结构的瞬时位置施加载荷，同时使用潜流理论中的二阶项，会造成漂移力，线性潜流理论计算也会产生平均漂移力。当涡轮机运行时，漂移力被风荷载掩蔽。4） 仅使用Morison方法对水动力负荷进行建模的那些代码需要通过增强基础柱上的动态压力来准确获得波浪对风机起伏影响。由于这种半潜式结构吃水浅，这是很重要的。5） 使用准静态模型的代码和使用动态模型的代码，线性波段以上频率对锚链负载影响很大。并没有发现这些负载对风机上部有重要影响，但它们对评估系泊线的极限和疲劳载荷很重要。6） 动态尾流理论和空气动力诱导的准稳态理论对叶片平面外运动影响很小，特别是在高频率范围。OC4项目显示，海上风力发电机组不同建模方法有不同的结果，这显然很有意义。然而，代码与代码的比较只能识别差异。它们不确定哪个解决方案是最准确的。为了解决这个问题，IEAWind批准了一个名为〃离岸代码比较协作继续”的新项目（OC5）。该项目将通过实际测量响应数据和模拟响应的比较，验证海上风力建模工具。该项目将使用浮动式和固定式风力发电机，包括缩小的水池模型和海上全尺寸风机。目前OC5项目已经进行了圆柱水箱实验和漂浮式风机缩比模型水池实验两个阶段。OC5第三阶段的主要研究工作——全尺寸风电机组的测试与仿真比对。。。5项目第三阶段的研究工作，与我国目前开展的海上风电机组型式认证关系极为密切。国内的整机厂、检测认证机构乃至开发商，若能深入参与该项目，在海上风电机组的仿真建模、测试技术、数据处理、比对分析等方面，都将取得很大进展。。。4项目只是代码与代码的比较，只能识别差异，它们并不确定哪个计算方法是最准确的。相信通过OC5项目，这些方法的准确性都会得到检验，代码也会得到改善改进。更先进的水动力计算模型（如CFD）和叶片气动理论（升力面法）会逐渐被加入到计算代码[8-9],以使计算精度更高，适用范围更广。但这些精度更高的计算方法也意味着更多的计算时间，同时也可能会面临着计算稳定性问题。在上网电价逐年下降的背景下，根据机位的风资源特点定制化风机设计可以降低整机的成本，这样会驱使以载荷仿真软件和风资源仿真软件为中心的联合迭代仿真计算的发展，这需要载荷仿真软件开放相关数据接口和迭代计算的协调代码。海上风电机组所处区域不同，环境差异较大，风电机组对基础的型式要求也有变化，所以基础与整机的一体化设计可使整机得到优化设计，提高设计效率和质量，降低风电机组的成本，海上风机一体化设计是未来研发方式的一种趋势。一体化设计要求载荷仿真计算软件和其它力学计算软件在几何建模、载荷数据等数据格式的一致性，或者直接在整机载荷计算软件中完成结构的校