漂浮风力发电系统的耦合动态建模.docx

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漂浮风力发电系统的耦合动态建模

译文

学院：

船舶与建筑工程学院

专业：

船舶与海洋工程

学号：

姓名：

王振翔

指导教师：

江苏科技大学

2012年5月25日

漂浮风力发电系统的耦合动态建模

E.N.WaymanandP.D.Sclavounos

MassachusettsInstituteofTechnology

摘要:

本文提出了一种合作研究计划，MIT和NREL已经从事为水深10-200m的海上风力发电开发创新、经济的流动和系泊系统。

在频率范围内给出了漂浮风力发电系统的耦合结构，水动力和空气动力的分析方法。

通过再生能源实验室用波浪载荷耦合空气动力和结构动力代码FAST[4]和麻省理工学院开发的回应仿真代码WAMIT[15]，共同构成了这项分析。

分析工具用来考虑风力发电和漂浮系统之间的耦合作用。

这些工具包括塔和浮子上的负载的风涡轮转子，风涡轮转子产生的气动阻尼，波体干扰产生的流体动力阻尼，和波干扰产生的流体动态力。

在水深为10-200m的情况下，对两个加上可再生能源实验室5兆瓦海上基准风力发电机组的浮子的概念进行分析。

选出这些概念来表示获得稳定的两种不同方法，以致去分辨在运行和成本上的区别。

对这些结构静动态的分析能够估计系统在一定频率范围下对波干扰的反应，系统的固有频率，系统在各种风浪环境下每个自由度运行的标准偏差。

本文探究了耦合风力发电和漂浮平台的作用，水深的作用，风速影响系统性能的作用。

也经常对这两个概念的经济可行性进行分析。

关键成本部分包括浮标的材料和施工成本；系链的材料和安装成本，系泊缆绳和锚固技术;运输并在选定区域安装系统的成本，和在平台上装配风力发电机的成本。

用静动态性能和彻底的更新费用来评估这两个系统。

两个系统证明了合理的运动，预估成本为$1.4−$1.8，不包括风力发电的成本，动力电子设备的成本，或是传真的成本。

1.简介

在美国的海岸大约有1TW未开发的富足风力资源。

这些资源在水深超过30米离海岸5m-50m的地方能够得到。

在此深度下，目前在深扎海底的木桩上安装风力发电机是经济可行的。

在漂浮平台上部署风力发电技术为在深海岸风能提供了可能的解决方案，并且有可能替代浅水区的木桩。

以前J.E.Withee[16],K.H.Lee[8]and[9],andK.C.Tong[13]的模拟研究表明漂浮的风力发电系统是一个很有可能实现的结果。

尽管如此，风力发电和漂浮平台的耦合只是在某种程度上已经被发现，最理想的设计概念仍然还不知道，而在漂浮平台上安装风力发电机的技术成本过高。

因此，本文有四个目的:

（1）首先将耦合考虑到风力石油天然气行业的正确代码，并开发工具来模拟分析风力发电和漂浮平台系统的耦合行为；

（2）研究理解在各种风浪环境下这些系统的行为；（3）来确定最划算的能够解决深水问题的结构；（4）海上操作的时候能够避免在平台上安装风力发电机。

首先要测试机械的稳定性，并且建议两个能分离不同稳性机制的结构。

下一步去观察耦合系统在各种风浪水深情况下的动态。

这两个平台概念是麻省理工学院/国家再生能源实验室提出的SDB和TLP。

通过高水线面积修复来获得恢复力矩，因此在漂浮和安装的过程中使用安装好的风力发电是很稳定的。

SDB的系泊系统最初能保证平台协调，并不会有利于系统在俯仰和侧滚的稳定性。

另外，TLP通过张力腿漂泊系统取得最初的重建在漂浮和用发电机安装的时候，有足够的水性和惯性来提供稳性。

下面的段落通过详述静态设计和静动态分析来概括这个过程。

稍后将给出并讨论这个作为结果的结构和他们各自的静动态特性，然后再讨论极端的波情况。

最后，初步的经济分析总结会预测每个结构的成本。

结论概括了每个机构的关键并讨论他们的可行性。

2.系统坐标及其运行模式

耦合的风力发电和漂浮平台系统的假设，是基于承受严格波体互动理论的标准运行模式。

模型1-3是3叶逆风5-MW；它的性能是通过操作机器和概念研究来猜测得到的。

主要性质详见表1。

转子旋转方向

逆风

操控

可变速率，总变矩

转子直径/桨毂直径

126m/3m

桨毂高度

90m

最大旋转角/发电机转速

12.1rpm/1173.7rpm

最大桨叶梢速

80m/s

悬垂/倾斜轴/旋翼参数

5m/5°/-2.5°

旋转质量

110000kg

货舱质量

240000kg

塔台质量

347460kg

表15-MW风力发电机

3.再生能源实验室5-MW海岸风力发电机

再生能源实验室在5中给出了这种模型的详细信息及工作原理。

选用5MW的功率是因为它在性价比的深海风力发电中是功率最小的。

把系统分析为4种风速，通过风力发电的操作谱来描述耦合系统在各种风速下的运行情况。

九米每秒的风速代表了动力曲线中的区域二。

在这种风速下，涡轮发电机几乎用了一半的额定功率。

它的额定功率表示成每秒12.2m，最先达到了其额定功率值。

在风力发电机使螺旋桨顺流交距来维持额定功率时，15m/s代表风速超过了额定风速；每秒25m是切出速度，或者是发电机操作时的最高风速。

4.综合研究方法

这个研究目的是增进漂浮风力发电系统的可行性。

它的目标是研究耦合风力发电和动态漂浮系统的漂浮结构，探讨气候状况的影响，和确定最低成本的漂浮结构去支持能展示良好操作性能的风力发电机。

避免不确定性和给海上漂浮平台增加发电机的成本，这项研究寻求给这样的结构下定义，这些结构允许把风力发电安装在海岸平台上或是船坞中并且可以拖动到已经设置好的地点进行安装。

为了达到这样的目的，这项研究首先测试了为结构提供恢复力的机器。

在此背景下，进行一个静态设计过程来提供两个成本较低的结构体，并且能够保证提供足够的恢复力使系统运行流畅，安装的时候可以让系统获得稳定的操作点。

当估测不同风速下的操作点时，这些结构就传递静态分析。

然后，当估测出动态内容时，系统和不变的操作状态传递了动态分析语句，内容包括系统的RAOs，固有频率，和在各种风速海况下的标准运行偏差。

表2概述了一般的过程：

图2研究方法

5.麻省理工学院/再生能源实验室SDB和TLP的静态设计

设计方法

耦合风力发电漂浮平台系统的静态性能是带动漂浮平台设计的最初规范。

设计耦合系统来验证在其安装阶段静态系统的不变性，是关于其应对任何波浪所做出的振动。

而且，系统必须在拖曳的时候获得一个确定的静态平衡等级。

系统在静态操作中所处的位置是由外在施加的力和系统恢复力的属性决定的。

通过三种一般的机制获得恢复力:

水线面的运动，压载力在系统重心和浮心间产生垂直间距，还有系泊系统。

这些机器充当了漂浮结构的分类。

从概念上讲，这三种恢复机制可以由三种极端机构概括:

水线面的运动，重心和浮心间的垂向间距，系泊系统。

这些重建的方法和典型的结构见表3灰色部分：

图3回复机制和典型结构

本文测试了极端情况下结构的性能及最实用的表象特征。

最近，麻省理工学院和国家再生能源实验室通过水线面运动和系泊系统，初步恢复了SDB和TLP的研究。

这些结构构见图3中红色部分。

没有在这里提出极端的压载情况，是因为初步考虑到结构类型，它表明吃水需要有足够的惯性恢复力去弥补其结构在任何实际船坞和码头存在的不可行性。

接下来的部分概述了静态过程来满足麻省理工学院和国家再生能源实验室SDB和TLP提出的技术规范。

麻省理工学院和国家再生能源实验室SDB的静态设计

麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB是为了展示水线面获得恢复力的方法。

尽管如此，机构也要维持一定的压载来获得合理的吃水。

因此，麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB通过水线面和压载的最佳混合来获得恢复力。

静态设计和分析阶段正在初步进行，参考[3]和[11]中的原理，确定好麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB的型号和形状，能够在解缆操作中提供足够的稳性。

一旦系泊，系泊缆绳就只提发挥定位作用了。

因此，麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB系统应该能够在涌浪中保持平衡。

并且需要合理的论证在无附加系泊缆绳恢复力的全面运作模型情况下，其他所有运动的静动态性能，平台几何的问题决定了最优尺寸和形状，它把耦合漂浮风力发电系统的静态不变螺距限制在了指定界限值的螺旋角内了。

系统必须在操作中所承受的最大风速载荷情况下，维持一个不变的合理螺旋角，系统承受的俯仰力矩和系统螺距的恢复性能决定了不变螺距，见下面的等式：

F5是由风力发电机上的风力载荷产生的关于起始坐标系的俯仰力矩，F用FThrust表示，这里表示力矩。

见下面等式：

在麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB的情况下，通过流体静力学（水线面力矩和浮心的位置）和惯量（压载和质心的位置）。

圆柱体和圆柱表面的静力学和惯性纵摇系数表示如下：

FB和ZB表示浮力和浮心，M11是系统的总质心，ZG是重心，ρ是海水密度，R是圆柱半径。

可以推算出，纵摇超过10度风力发电机就会失效。

因此，在本文中极限纵摇值取10度。

最大的风力载荷取800000牛，稳态推力为每秒11.2m并且作用在风力发电机的轮毂上，ZHub等于91.5米。

通过解决恢复系数限制10度纵摇来找到必要的系数，等式如下所示：

通过调整平台的吃水和半径，往圆柱内倾注混凝土增加压载来得到足够的恢复力系数。

麻省理工学院和国家再生能源实验室SDB的最终规模和性能已经在表2中列出。

圆柱半径

18m

圆柱高度

6.5m

混凝土压舱块高度

1.65m

钢板厚度

0.01m

实际吃水

5m

甲板间隙

1.5m

钢重量

218metricton

混凝土重量

4299metricton

发电机重量

218metricton

总重量

5210metricton

浮心重量

5210metricton

储备浮力

0kg

重心

4.25m

浮心

-2.5m

表2麻省理工学院/再生能源实验室SDB性质

麻省理工学院和国家再生能源实验室TLP的静态设计

麻省理工学院和国家再生能源实验室的TLP旨在展示一种结构，它能够通过张力腿系泊系统获取恢复力。

在这个稳性过大的系统中得到的结果，与麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB相关，通过锚索来施加可观的力。

静态设计过程沿着[16]的主线进行并利用[3]和[11]的原理，最后决定锚索的张力和TLP的规模。

纵摇的恢复力系数由锚链提供，如下所示：

（EA）Tethers是弹性模数乘以锚链的轴截面面积，LTethers是锚链的原长，R是圆柱半径（或是到锚链导缆孔的径向距离），FTethers是锚链产生的总力，T是圆柱吃水（或者是到锚链导缆孔的垂直距离）。

等式表明了恢复力和锚链弹性刚度之间的关系。

本文考虑了刚性构件的运动情况，因此在本文范围内的弹性运动模数，和锚链的刚性都取无穷。

假设使锚链的纵摇恢复力趋向无穷。

刚性防止了任何在纵摇、横摇方向上的运动，因此喘振、横荡、首摇限制了平台的运动。

系泊系统设计的必须能够充分的限制这些模型的运动。

张力腿系泊系统也必须提供所有锚链足够合适的张力。

作用在X正方向的不变风力，增加锚链3的张力，减少锚链1的张力来保持力和力矩的平衡。

最初选定的锚链张力必须保证迎风缆绳的张力不会超过最大许用张力，并且背风缆绳的张力不小于最小许用张力。

传统TLP有一个缺点，它没有系泊系统并且恢复性能较差，使它自身不能垂直漂浮。

这种特性就需要在安装平台和拉紧锚链之后，才能把风力发电机安装在漂浮平台上。

为了避免把风力发电机安装在海上，选定漂浮平台的型大小和形状必须在拖曳和安装的时候给结构提供足够的恢复力。

结构内部的压载水在这过程中也提供了部分的恢复力。

一旦系统到达了其安装地点，就用锚链固定住，并拉伸锚链排放压载水。

排放压载水的过程需要结构内部的压载水来提供等量的总张力。

系统的锚链张力一定要满足三个需求:

（1）锚链一定要在工作中提供足够的恢复力来限制稳态偏置；

（2）迎风锚链的张力必须不能超过最大许用张力，背风锚链的张力必须时刻不能低于最小许用张力；（3）在安装过程中，锚链产生的总力必须和稳定系统的压载水的重量相匹配。

操作方案详见图4：

图4TLP操作方案

在稳态情况下，平台会在运动中达到稳态排水量。

在这排水量之下，锚链会在垂直方向形成一个夹角，用θ表示，见图4。

锚链一定要有足够的张力提供恢复力把角度限制在5度，防止系统承受过高的非线性恢复力和排水量。

在喘振中由锚链引起的恢复力与锚链张力和长度相关，见如下等式:

恢复力通过如下等式造成了稳态排水量:

限制系统的稳态恢复力来达到。

这个张力必须也要满足第二个需求：

线张力。

在操作情况下，通过解决力与力矩的平衡来。

如图4所示，通过4来给锚链标记数字1静态时导缆孔和锚链1的锚与X轴的正向，锚链2，Y轴的正向，锚链3，X轴的负向，锚链4，与Y轴的负向对齐。

假设风一直沿着X的方向传播，锚链3一直是逆风锚，锚链1一直是顺风锚。

力在垂直方向上的平衡需要浮力加上机构产生的额外浮力。

系统重量必须等于锚张力向下部分的力。

下面的等式表达了力的平衡，θ代表了锚链在垂直方向上形成的角度。

使用小角度近似法cosθ约等于1，sinθ约等于θ，这个等式化简见下等式：

4个锚链每隔90度环绕安置在结构周围，把总张力分成4份得到平均锚张力。

因为锚链2和锚链4不受作用在结构上惯性矩作用的影响，假定他们的张力等于平均张力。

再一次调用小角度近似法：

关联的锚链是锚链1和锚链3，它们各自都有崩溃或超过最大许用张力的危险。

为了平衡作用在系统上的惯性力矩，锚链3的张力等于FT，ave加上一个额外的张力ΔF。

为了维持垂直方向上的受力平衡，锚链1等于FT，ave减去ΔF。

下面给出的方程表示惯性力矩的平衡。

调用小角度近似法，方程可以化简为下面等式：

最初选定的线张力必须要防止每个锚链的张力值趋于零或是超过最大许用张力。

最终需要锚链的张力必须等于在拖曳和安装时用于压载稳定系统的水的重量。

在操作过程中锚链拖曳产生的推力是最小的时候，希望系统能承受最大的力为250000N。

在拖曳和安装的时候，不会去使用锚链，因此在操作过程中，作用在结构上的风力一定要小于任何的风力载荷。

因此，最小推力作为风力载荷的上界。

在拖曳和安装过程中，需要系统有足够的静水力和惯性恢复力来把稳态纵摇限制为10度。

选定的界限必须保证系统在安装过程中一直保持垂直状态，并且允许安装人员可以再稳性要求范围内拖动系统。

为了执行这个要求，下列等式可以得到在拖曳过程中所需的最小静水力和惯性系数：

通过调整圆柱高度和半径和水泥压载的水平得到这个恢复力。

以上列出的都要达到TLP的大小、形状和锚链张力的要求。

10.成本分析

基于麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB和TLP做出一项成本分析，来推断漂浮结构，系泊系统，及每次设计所关联的安装过程的总成本。

这里的成本预测不包括风力发电，电子电力设备，或是运输系统。

做了几个关于施工和安装过程，劳动力、物资和设备的成本的假设。

这些假设源于水产业中生产商、咨询商、承包商提供的信息。

漂浮风力发电系统用来部署在风力农场中，由众多的个体单元构成。

因为麻省理工学院和国家再生能源实验室的SDB和TLP可能用已经安装好的风力发电机部署完毕，所以每个单元会由船坞中的组装流水线生产完成并且拖到安装地点进行调试。

平台首先会在船坞中装配。

然后用船坞中的起重机把风力发电机安装在平台上。

13.参考文献

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[9]Lee，K.H.，Sclavounos，P.D.，Wayman，E.N.，“FloatingWindTurbines，”WorkshoponWaterWavesandFloatingBodies，May29，2005.

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[16]Withee，J.E.，FullyCoupledDynamicAnalysisofaFloatingWindTurbineSystem，DoctoralThesis，MassachusettsInstituteofTechnology，2004.