明阳风电刘凡鹰：仿真分析与实测数据相结合有利风机整体可靠性

能见APP讯：10月19日，2016年北京国际风能大会暨展览会在中国国际展览中心召开。广东明阳风电产业集团有限公司多体动力学分析工程师刘凡鹰在会上做了发言，他表示4款动力学软件对于海上风机的分析，其仿真结果与实测数据基本上一致，不同的海域海况以及地基刚度对塔基载荷有一定的影响，不同动力学代码仿真结果存在一定的差异，通过仿真分析与实测数据相结合，有利于进一步保证风机整体设计的可靠性，同时为整体优化提供重要技术的支撑。

以下为全文发言：

尊敬个各位领导，专家，大家下午好。我是来自钢动省明阳风电产业集团有限公司。大家都是知道，现在大型风电机的设计主要是由载荷驱动的，很高兴借这一次论坛机会与大家做一些交流和探讨。这一次演讲的题目是基于不同动力学代码的海上风机，风浪联合响应分析。

内容包括以下5个部分，海上风机仿真验证重要性，海上环境条件分析，海上风机动力学模型对比分析，不同风浪条件联合的海上基础载荷差异，还有一个小结。

海上风机仿真的验证重要性。此外，这个一般的容量比较的大，包括这个页面，这个结构柔性比较大，容易产生一些东西。因此，海上风机研发阶段进行大量的验证，以及试验测试验证，这个是十分必要的。

接下来看一下海上风力发电基础外部条件。首先是风况，海上风况，高年平均风速，低流，低风剪切。波浪，有效波高，峰值周期，峰型系数。

海流这一块儿，是考虑三个海流模型的叠加，分别是潮汐、暴风雨和大气压力变化引起的水下海流，风产生的接近表面的海流，近岸的，波浪引起的平行与海岸的海浪流动。水深，海冰，海洋生物等等。

刚刚张老师说了，我国海岸线长达3.2万公里，海域辽阔，海洋气象环境各异，平均风速，水深，潮流等要素有明显的区别。

这个分别是什么呢？是卫星摇杆资料的年平均有效的风速，还有水深，还有中国东部沿海潮流内部分布图。

然后，这一次分析选取了国内三个比较典型的海况。分别是福建，江苏，珠海。有一部分数据是实测值，有一部分就是设计值。

江苏水深大，这个流速比较的小。这个年平均风速7.5米，这个流速适中。

接下来就是建模部分，这一次分析选取了4款不同的动力学分析软件。首先就是Bladed，大家比较的熟悉，针对风力发电机机组动力学仿真分析软件，它基于多体动力学方法构建整机模型，综合考虑气动载荷，惯性载荷。这个是针对海上风机，这个是采用一体化建模的。通过塔架定义方法定义了塔架与基础各连接节点位置，再通过节点定义Member，附加各个Member的材料与几何尺寸的数据，Bladed自动构建各个member的对应梁单元。

FAST，是美国可再生能源实验室和俄勒冈洲立大学联合开发的陆上及海上风力激动力学仿真软件，它基于模块化框架进行建模。用于模拟海上基础的一些模块，用于模拟塔架传动链和动力学的一些模块，用于产生风况的一些模块，以及用于模拟控制系统的这个模块。

接下来是一看S1，是一款基于通用有限元软件构建的风机整机仿真插件，通过该插件用户采用参数化建模方法定义风机参数，软件内部自动将其转化成为对应的有限元模型进行动力学求解计算，也是自代气动单元计算气动载荷，水动力部分与FAST相同采用HydroDyn模块计算。海上风机动力学模型Alaska。

这是4款不同的动力学软件构建的模型，这个图上面可以看出来，基础是可以看出来的，6转机速。我们首先比对了一下这个塔架与基础意见模。包括在看一下样机实测频率，用4款软件得到了一些。实测频率就是用塔底载荷做一个变换得到的。从这个表里面可以看出来，这个得到的频率与测试结果比较的吻合，测试频率就是0.372，FAST分析的结果比较高，FAST建立基础模型的时候，因为软件的限制，它不可以输入基础跟海船连接的高度，所以，采用一个干性连接，导致一些频率偏高。但是，总的来说，不同的代码得到的频率还是基本上一致。间接验证了这个建模的准确性。

这个是塔架基础一阶模态振型，这个是一个简单的前后的一个。然后，我们又运行了一个紧急停机工况运行状态参数对比，大概就是13秒左右设置紧急停机，发电机转变为零，对比了工况下的各方面软件得到的一些主要的运行的参数对比，包括风轮转速，以及塔顶推力。最后得到的结果，这些运行状态参数的持续变化，都还是比较一致的。所以，进一步验证的模型的准确性。这个是得到紧急停机共况状况的工化。

采用不同的风浪条件联合的海上基础载荷差异，采用上述4种不同的动力学代码，并依据IEC61400-3标准进行正常发电工况和紧急停机工况的仿真计算。

这个塔顶点是位于塔桶跟机连接的上方一点点。这两个图得到的正常发展工况与紧急工况，测量值和这个仿真值，仿真结果与实测结果基本上一致，这个软件有一定的差异。然后对三个不同的海域环境进行仿真。最后得到的结果就是福建兴化湾水深浅，有效玻高大，流速大，最终计算得到载荷为三个海域中最大。江苏如东水深相对较深，有效波高时钟，流速小，计算得到载荷处与中间的位置。珠海柱山水深适中，有效波高小，流速适中，计算得到的载荷最小。包括右面这个情况，三个海域仿真计算得到的塔顶的距离差别都不大。我们分析认为，是因为这个测量是塔顶的载荷，踏顶是在海平面之上的，这个主要是由上方的一些惯性载荷，控制载荷产生的。所以，海况对他的影响是特别特别的大。所以，这个就是得到三个海况的一些情况。

使用另外一款动力学软件，也对这个进行仿真，结果显示不同的代码存在一定的差异。但是，总的来说三个海况得到的载荷差距都不大。有不同的海域载荷趋势来看，Bladed与S1趋势基本上一致。但是FAST与Alaska仿真不同海域海况载荷变化不明显，由于软件限制，这个构建的模型没有考虑一些情况。这个采用了刚性连接，导致了这个载荷对于海况不是很敏感。

这一次仿真基于福建，江苏，广东，沿海的海域海况，利用4款动力学软件对于海上风机进行分析，并实测进行对比，仿真结果与实测数据基本上一致，不同的海域海况以及地基刚度对塔基载荷有一定的影响。不同动力学代码仿真结果存在一定的差异。通过仿真分析与实测数据相结合，有利于进一步保证风机整体设计的可靠性，同时为整体优化提供重要技术的支撑。

提问：我先问一下。您提到我们软件了，首先，我想提一下，因为有很多的版本，根据经验的积累，我们的动力学模型是不断地升级，包括4.7，我们可以更好地模拟叶片的非限制形成。因为长叶片非限性比较大，因为在单体可能不太准确。当然，我觉得这个对比工作非常的有意义，确实是有不同的软件，跟实测数据对比，我们希望更多的看到这样的结果。我觉得您可以跟我说一下，这4个软件分别用什么版本呢？

刘凡鹰：4.6。FAST是我做的，是FAST最新版本，剩下两个不是我做的。

提问：还有一个S1那个跟其他的差很多，我们对比来说，如果这个差那么多，这个上面有一个图。

刘凡鹰：我们也是分析了，我们也是注意到了。

提问：差了将近8度非常的大。

刘凡鹰：我们认为是因为这个方面的软件计算得到的载荷偏大，用同一款控制器，那个角度就是高一些。

提问：这个就是非常有意义，我们软件的不同的动力学响应对于控制器本身的参数的设置有很大的差别。

刘凡鹰：是的，没有特别侧重于控制器，是用同一个外部控制器。

提问：这个是很好的一个结论，因为我们实际分机不一样的。所以，有一些软件不准，可能在实际上这个控制器要做一个调试工作就是有很多。

刘凡鹰：就是这样的。谢谢。

提问：您好，我想看一下，这个里面用了各种各样的软件，那个模型生成的时候基于一定的那个，跟那个实测比较的时候，是测的实序还是通过什么生成的？

刘凡鹰：我之前工作是侧重于多体动力学方向的，主要是负责海上风力载荷这一块。但是，所有的参数就是这些了，就是做的还是比较的简单的几项。

提问：这个都是海洋的，对吗？

刘凡鹰：是的。

提问：现在实测跟仿真确实吻合非常非常的好，我想问一下，那个条件是不是跟你实测的时候。

刘凡鹰：是的。

提问：测出来什么样子的就是到软件什么样子的吗？

刘凡鹰：是的。0.02秒。

提问：这个点怎么生成一个面？

刘凡鹰：输入的风况就是持续风。

提问：这个是一个问题，在标准里面根据相关的那个相关。

刘凡鹰：侧重的是建模。所以，没有完整地按照那个计算规范来做。

提问：没有关系，就是一个风场生成，测的时候是一个点，而不是整个风平面的。如果是用实测，怎么把这个生成一个面的。

刘凡鹰：就是用那个高度那个单点风况，考虑一个系数得到的。

提问：是不同高度的。所以，我只是残侧了一下，这个可能还是基于那个软件里面，就是一些模型生成的，可能还是生成的。

刘凡鹰：我们有持续的分况，0秒多大，0.02秒多大。

提问：存在点和面的问题。

刘凡鹰：这个问题接下来交流一下。

提问：您好，想问一下，这个下面的直径是多少？

刘凡鹰：4点几米。

提问：我看你是说用摩尔森方程用这个？我对这个有疑问，不知道这个直径是多少。因为直径大了以后，用摩尔森方程来算不是太适合，因为直径大可能产生波浪。第二个问题，在算波浪的时候，有没有考虑波流耦合？这两个就是简单的输入算了一下。

刘凡鹰：内部是会考虑这个，因为是整体建立一组动力学翻腾组，然后，进行这个数值仿真计算，应该是会考虑这个耦合的。

提问：另外还有一个问题，我个人的一个建议，你最后比较这个结果的时候，因为他们三个环境条件是完全不一样的，完全不一样的。所以，风这一块儿不太了解不说了，波浪和流这一块，因为这个流速和波高不一样。最后比较结果的时候，可以把它拆开比较，还是只加波浪，还是只加风和流组合。这个流速差别比较大。这个是个人的一点建议。

刘凡鹰：是的。当时是因为整机模型，我们对比了一些塔底那个基数。那个载荷对这个影响比较大，我们当时分析的不够多。