海上風力發電塔脈動風速模擬研究

梅玉杰 吳偉強 張國峰 許宜菲 楊進文

摘要：隨著我國社會的不斷發展和經濟水平的快速提高，新能源作為主要的行業，在近些年實現了較快的發展，我國積極研發海上風力發電設備，以期實現新能源的利用，海上風力發電塔脈動風速模擬實驗能夠提高海上風力發電設備的利用率和新能源利用效率，促進新能源的有效利用。本文闡述了海上風力發電塔脈動風速模擬研究的必要性，其次分析了海上風力發電塔脈動風速模擬研究的相關方法，最后闡述了海上風力發電塔脈動風速模擬的研究過程，以期完善海上風力發電塔脈動風速模擬的研究，提高新能源的利用效率。

關鍵詞：海上;風力發電塔;脈動風速模擬

一、海上風力發電塔脈動風速模擬研究的必要性

隨著我國環境保護政策的不斷推行，新能源技術隨之不斷發展，我國在新能源技術行業取得了較大的發展。我國風力發電能夠滿足新能源行業發展的需要，因此海上風力發電設備作為新能源行業主要的設備，成為了重要的研究方向和研究重點。大型風力發電設備由于大容量和多功能等特點，已經被廣泛的應用與海上的風力發電。大型風力發電塔由于塔架較高，自身的葉片較為柔軟，因此對于風速和風力的要求十分高，面對的風力應該在一定的范圍之內，才能夠保證海上風力發電塔的正常運行，只有保證穩定的轉速才能夠實現穩定的風力承載，因此，在海上風力發電塔的設計過程中，應該做好脈動風速模擬實驗，以便更好地為風力發電塔的運行提供充足的動力，因此做好海上風力發電塔的脈動風速模擬研究是十分重要的。

二、海上風力發電塔脈動風速模擬研究方法

隨著新能源技術的不斷推廣，海上風力發電塔作為重要的新能源設備，已經實現了較好的應用，風力發電塔的投入使用，給我國帶來了較大的風能資源，實現了我國對于新能源的利用和發展。隨著我國的環境保護政策的不斷推進，我國新能源技術已經實現了較快的發展，我國的海上風力發電塔作為重要的新能源設備，已經實現了大規模的發展，大型的海上風力發電塔能夠實現大量的風力資源，但是大型的風力發電塔自身的葉片較為柔軟，應該保證風速均勻才能夠實現最佳的風量，這時候就應該實現時域內風振反應分析，進行風力發電塔風速的模擬研究，確保風速能滿足大型風力發電的需求。海上風力發電塔脈動風速模擬研究方法主要包括本征正交分解法（POD）、譜表示法（SRM）。Di Paolao首次提出了本征正交分解法，實現了對于矩陣特征值和特征向量的概念和兩者關系的研究，表明了這項研究方法的物理意義，應用于海上風力發電塔脈動風速模擬的研究是十分有效的。Chen和Kareem提出了基于協方差矩陣的本征正交分解，并且通過相關的理論基礎和實踐模擬了風速隨機場。劉章軍等在本征正交分解法和譜表示法基礎上，發展了一種新的思維方式和研究方法，就是利用隨機函數降維的方法，通過兩到三個基本隨機變量實現對于隨機風場的模擬研究，能夠減少指標的使用數量和計算量，能夠最大限度的節約計算的成本，減少使用多個指標造成的計算誤差。

根據上述研究方法的理論，本文在本征正交分解法的基礎上，提出了考慮塔架與葉片相互影響的本征正交分解法（proper orthogonaldecomposition with tower-blade interaction，POD-TBI），通過引入模態截斷技術和FFT算法，對海上風力發電塔脈動風速進行了模擬，并將模擬得到的自功率譜和相干函數與對應目標值進行擬合，驗證了本文提出的POD-TBI方法的有效性，從而為海上風力發電塔脈動風速模擬提供一種高效的方法。

三、海上風力發電塔脈動風速模擬

3.1基于功率譜密度函數矩陣的本征正交分解

3.2風力發電塔脈動風場特征分析

風力發電塔脈動風場特征分析的主要過程是通過使用有限元的方法對風力的發電塔的結構進行整體上的離散分析，將風力發電塔的塔架分為有效的四個集中質點，然后三個葉片也分為三個有效的集中質點。該過程是對模擬風速的時程，主要是以中等效質點為動力響應，然后得出需要輸入脈動的脈動風場主要由塔架脈動風場和葉片脈動風場組成，由于選擇的第一個集中質點與海上平面相交，收到海浪的影響力較大，因此脈動風對于第一個集中質點的影響是微乎其微的，因此本文并不考慮對第一個集中質點脈動風速的模擬。但是風力發電塔塔架與葉片脈動風場的空間存在一定的相關效應，因此，可以通過引入空間相干函數來研究上述效應從而實現對于海上風力發電塔脈動風速的模擬。

3.3風力發電塔脈動風速數值模擬

以o點為坐標原點建立了空間直角坐標系，同時建立海上風力發電塔簡化動力計算模型。模型中塔架與底部基礎總高80m，塔架出海平面部分高度為60m。塔架出海平面部分等效為三個質點，分別為設置的第二個、第三個以及第四個質點，風機為三葉式，葉片部分長度為40m，每個葉片等效為葉片中部的1個質點，分別為第五個、第六個、第七個集中質點。因此本文通過引入模態截斷技術和FFT算法，對模型上的第二到七個集中質點進行脈動風速的模擬，并將模擬得到的自功率譜和相干函數與對應的目標自功率譜和目標相干函數進行擬合，驗證本文提出的POD-TBI方法的有效性。

【總結】

綜上所述，海上風力發電塔對于風力發電資源的作用是巨大的，促進了我國新能源技術的發展。本文主要研究了海上風力發電塔脈動風速模擬方法，能夠克服葉片對于風速承載力的問題，本文在POD方法的基礎上，通過引入二維空間相干函數，提出了POD-TBI方法。利用該方法對海上風力發電塔結構的隨機風場進行了模擬，得出了如下結論：①對海上風力發電塔的脈動風速進行模擬時，應考慮風場橫風向和豎直方向空間相干效應，空間相干函數為二維相干函數。②引入模態截斷技術，可用脈動風速隨機過程的前幾階能量占優的本征模態來近似表述脈動風速隨機過程，可以節省模擬計算量。同時，引入FFT算法，可極大地提高模擬效率。因此，通過引入模態截斷技術和FFT算法，使得POD-TBI方法成為一種高效模擬海上風力發電塔脈動風速的方法。

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