基于多场耦合分析的海上风力发电机极端工况系统运行失效风险分析研究

随着风力发电开发技术的日趋成熟，海上风电场的建设也正在向大型化和规模化发展。然而海洋环境不同于陆上，对于风力发电机组而言，除了受到风力作用以外，还会受到包括浪、流以及北方海域的冰振等作用，环境极为恶劣，风力发电机组的设计方法需要得到进一步的发展和完善，以应对各种危险因素的发生，最大程度地降低危险造成的损失。有鉴于此， 本项目以海上风力发电机组为研究对象，通过建立系统性能多场耦合分析模型对海上风力发电机组在风、浪、流、海冰作用下的极端工况下的运行情况进行风险分析研究。该项目的关键在于建立一套科学合理的技术方法，从空气动力学、波浪理论、多体动力学、风险分析理论出发，利用数值计算、数理统计等技术手段，剖析在极端工况下海上风力发电机组运行失效的机理和风险分布规律，是现有风力发电机组系统分析理论方法的发展和创新。

本研究建立了海上风力发电机组系统多场耦合分析模型，并进行了极端工况运行失效风险分析研究，主要研究结果包括：（ 1）风力发电机组组运行环境研究，包括风力发电湍流风场建模研究、风力发电机组空气动力仿真及性能研究和风力发电机组波浪载荷仿真及性能研究，为后续海上风力发电机整机建模与动力学仿真奠定基础；（2）风力发电机组系统动力学建模及仿真研究，包括基于假设模态法的风力发电机组系统动力学建模和风力发电机组整机模态分析，分析结果为进一步的控制设计和稳定性分析打下了基础；（3）海上风力发电机组控制策略研究，包括建立系统分析仿真模型，增加估计风速前馈控制环、动态入流补偿控制环、以及载荷控制环，分析其稳定性和有效性；（4）基于建立的多场耦合分析模型，对近海固定基础风力发电机组进行动力学建模与仿真分析；（5）基于建立的多场耦合分析模型，对漂浮式风力发电机组进行动力学建模与仿真分析；（6）典型传动链的结构形式及分析，本项目对各种形式的传动链进了分析比较，并形成具体定性和定量的评价体系；（7）风力发电机组关键零部件结构性能运行风险分析研究，本项目采用有限单元法，以德国船级社（GL）认证规范为依据，对大型水平轴风力发电机组主要零部件进行结构性能运行风险分析研究；（8）为了验证模型的正确性，搭建了以轴流式通风机为源动力，自制风道作为气流通道的开放式风洞；并依此为基础，结合硬件在环仿真技术组建了风力发电机组的实验平台；. 项目按原定计划开展了研究，并取得了预期的研究成果，已全面地完成了预期的考核指标。项目在研期间，项目组联合中船重工海装风电公司参与OC3项目，同全世界风电载荷计算领域的专家交流。迄今为止，本项目在国内外核心期刊发表研究论文22篇，SCI收录1篇,EI收录6篇；译著一本；专利一项。在本项目基础上，于2011年度申报得重庆市科学技术进步奖二等奖一项。在本项目研究成果的基础上，本课题组金鑫副教授、何玉林教授和王磊讲师相继中标国家自然科学基金青年基金、十二五科技支撑项目子课题和重庆市自然科学基金项目各一项。培养博士研究生4名，硕士研究生3名。