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[摘 要]漂浮式风力发电机以其捕获深海风资源的能力被广泛关注。为开发满足运行要求的漂浮式风电机组，对其进行水动力载荷仿真技术研究是必不可少的环节。本文以某MW级漂浮式风电机组模型实例，仿真分析了风电机组在不同海况条件影响下的水动力载荷特征，并得出结论。
[关键词]漂浮式风电机组，水动力载荷，仿真分析
中图分类号：TU639 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0041-02
海上漂浮式风电机组最早由Massachusetts大学的Heronemus教授于1972年提出。目前，大型漂浮式风电机组概念设计中采用的主要漂浮式基础形式如图1所示[1]，根据使系统达到静态稳定的方式可以将平台大致分为三类：
①系泊稳式，如图1 （a）中的张力腿式结构。该类结构通过使系泊缆的张力超过浮力来实现浮筒的稳定。
②重载压仓稳式，如图1.1（b）中的柱状浮标式。该类结构的浮体一般细长，高度与直径之比可达到10 及以上[2]。
③静水浮力稳式，如图1 （c）中所示的浮箱式结构。该类浮体的结构简单，制造成本低，且易于現场安装。不足之处在于在深海大风浪海域中的横摇和纵摇运动响应剧烈，因而只能布置在平静的海域。
以上每一种漂浮式支撑平台都具有各自优点和局限性，同时，三种支撑平台的的使用又不是互相排斥的，亦即是可以通过组合将不同浮式平台的概念应用于单一的浮式平台，实现各类浮式支撑平台间的优势互补。本文所研究半潜漂浮式风电机组支撑平台采用浮力式与重载压仓式支撑平台的组合，其结构形式如图2所示。
1.水动力学建模
漂浮式风力发电机组浮式基础所受水动力载荷主要作用在浮体上，水动力载荷主要可以分成三部分来分析计算，分别为绕射作用，水静力作用，及辐射作用。
① 绕射作用
绕射问题是研究当漂浮平台处于某一固定位置，入射波作用于漂浮平台，被漂浮平台分散过程中对漂浮平台所产生的作用力。其表达式为：
2.仿真分析
以本文通过某MW级半潜漂浮式风电机组为例在FAST（NRAL风电机组仿真软件）中建立模型，进行仿真研究。
分别设计三组不同的海况，如表1所示，仿真研究规则波、随机波、海流作用下风电机组所受载荷的特征。
仿真分析结果见图3～图9。
根据图3仿真分析结果，可以得出：（1）规则波、随机波下的波浪高程及速度呈现出显著不同的特征，同波浪周期、有效高度情况下的随机波的最大速度将高于规则波；（2）潮汐将对波浪的速度造成影响。
根据图5～图10仿真分析结果，可以得出：（1）同波浪周期、有效高度的规则波对塔顶X方向加速度、塔基弯矩My、支撑平台纵摇位移影响更为突出。而随机波则对塔顶Y方向加速度、塔基弯矩Mx、支撑平台横摇位移影响更为突出。（2）潮汐对塔顶X、Y方向加速度，塔基弯矩Mx、My，支撑平台横摇、纵摇位移的影响较不明显。
3 结论
本文建立了漂浮式风力发电机组水动力模型，并以某MW级机组为例，通过设计不同的波浪环境进行了仿真分析，并分别得出随机波、规则波、海流的特征，以及三者分别对机组塔基、塔顶载荷及对支撑平台位移的影响特征。
参考文献
[1] Robertson A N， Jonkman J M. Loads analysis of several offshore floating wind turbine concepts[M]. National Renewable Energy Laboratory， US Department of Energy， Office of Energy Efficiency and Renewable Energy， 2011.
[2] 王宁. 海上浮式风力机平台总体性能分析 [D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2013.
[关键词]漂浮式风电机组，水动力载荷，仿真分析
中图分类号：TU639 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0041-02
海上漂浮式风电机组最早由Massachusetts大学的Heronemus教授于1972年提出。目前，大型漂浮式风电机组概念设计中采用的主要漂浮式基础形式如图1所示[1]，根据使系统达到静态稳定的方式可以将平台大致分为三类：
①系泊稳式，如图1 （a）中的张力腿式结构。该类结构通过使系泊缆的张力超过浮力来实现浮筒的稳定。
②重载压仓稳式，如图1.1（b）中的柱状浮标式。该类结构的浮体一般细长，高度与直径之比可达到10 及以上[2]。
③静水浮力稳式，如图1 （c）中所示的浮箱式结构。该类浮体的结构简单，制造成本低，且易于現场安装。不足之处在于在深海大风浪海域中的横摇和纵摇运动响应剧烈，因而只能布置在平静的海域。
以上每一种漂浮式支撑平台都具有各自优点和局限性，同时，三种支撑平台的的使用又不是互相排斥的，亦即是可以通过组合将不同浮式平台的概念应用于单一的浮式平台，实现各类浮式支撑平台间的优势互补。本文所研究半潜漂浮式风电机组支撑平台采用浮力式与重载压仓式支撑平台的组合，其结构形式如图2所示。
1.水动力学建模
漂浮式风力发电机组浮式基础所受水动力载荷主要作用在浮体上，水动力载荷主要可以分成三部分来分析计算，分别为绕射作用，水静力作用，及辐射作用。
① 绕射作用
绕射问题是研究当漂浮平台处于某一固定位置，入射波作用于漂浮平台，被漂浮平台分散过程中对漂浮平台所产生的作用力。其表达式为：
2.仿真分析
以本文通过某MW级半潜漂浮式风电机组为例在FAST（NRAL风电机组仿真软件）中建立模型，进行仿真研究。
分别设计三组不同的海况，如表1所示，仿真研究规则波、随机波、海流作用下风电机组所受载荷的特征。
仿真分析结果见图3～图9。
根据图3仿真分析结果，可以得出：（1）规则波、随机波下的波浪高程及速度呈现出显著不同的特征，同波浪周期、有效高度情况下的随机波的最大速度将高于规则波；（2）潮汐将对波浪的速度造成影响。
根据图5～图10仿真分析结果，可以得出：（1）同波浪周期、有效高度的规则波对塔顶X方向加速度、塔基弯矩My、支撑平台纵摇位移影响更为突出。而随机波则对塔顶Y方向加速度、塔基弯矩Mx、支撑平台横摇位移影响更为突出。（2）潮汐对塔顶X、Y方向加速度，塔基弯矩Mx、My，支撑平台横摇、纵摇位移的影响较不明显。
3 结论
本文建立了漂浮式风力发电机组水动力模型，并以某MW级机组为例，通过设计不同的波浪环境进行了仿真分析，并分别得出随机波、规则波、海流的特征，以及三者分别对机组塔基、塔顶载荷及对支撑平台位移的影响特征。
参考文献
[1] Robertson A N， Jonkman J M. Loads analysis of several offshore floating wind turbine concepts[M]. National Renewable Energy Laboratory， US Department of Energy， Office of Energy Efficiency and Renewable Energy， 2011.
[2] 王宁. 海上浮式风力机平台总体性能分析 [D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2013.