中近海域大型海上浮式风机耦合动力学与稳定性机理研究

Aiming at the cutting edge research of the offshore wind turbine, the project will carry out comprehensive studies to the dynamics and stability theory for the large floating offshore wind turbines (FOWT) which will be deployed in favored 50-100m water depths. An advanced hydrodynamic motion stabilizer-based adaptive floating foundation will be first developed, and then a rigid and flexible multibody model will be established for the FOWT and effective methods will be developed to describe the uncertain and complex ocean environment loads. Further, the coupled dynamics and motion stability of the FOWT under different operation conditions will be analyzed. The key factors and constraints that can significantly affect the performance of the FOWT will be investigated. Advanced control technique and strategy will be developed for the hydrodynamic motion stabilizer and variable-pitch/ speed controllers of the FOWT so as to increase its stability and safety and to improve the efficiency of wind power utilization. The project will make contribution in providing fundamental theory basis and technique supports for the development of large high stability/performance FOWT and make it feasible to deploy large FOWT in 50-100m water depths. Meanwhile, it is a small step in enriching the design theory and methodology for the harsh operation condition-oriented off-shore equipment and in enhancing the capacity of independent innovation for the manufacture of high-tech equipment in our country.

本项目瞄准国际海上风力发电研究前沿，以面向中近海海域的大型海上浮式风机为研究对象，围绕其耦合动力学与稳定性理论及关键技术问题开展研究：发展具有智能运动稳定器的新型浮式平台；建立精确、高效的多刚-柔体动力学模型，发展复杂不确定性载荷描述方法,分析其在复杂不确定性工况下的耦合动力学特性和稳定性，厘清海上浮式风机服役性能的关键影响因素和约束条件；发展适合海上浮式风机的变速/变桨控制策略和运动稳定器控制方法，提升其动力学稳定性、安全性和发电效率。为开发高稳定性/高性能的海上浮式风电机提供坚实的理论和基础技术支持，实现在水深为50米至100米的中近海海域的大型海上浮式风机的部署。提高我国高端制造装备的自主创新能力，同时丰富和发展复杂工况下的海洋结构装备设计理论。

随着风电装备大型化和离岸化发展，大型浮式风机成为风电领域的重要发展方向。作为一种新兴海洋浮式结构物和大型风能转化装备，浮式风机服役环境恶劣、结构形式复杂，其耦合动力学与稳定性机理尚不明晰，成为浮式风机技术发展与升级的重要基础难题与技术瓶颈。为此，本项目以面向中近海海域的大型浮式风机为研究对象，围绕其耦合动力学与稳定性理论及关键技术问题开展研究，建立了浮式风机非定常气动载荷计算与功率预报方法，揭示了浮式平台振荡运动对浮式风机气动响应的作用规律和影响机制，阐明了浮式风机的非定常气动响应行为机理；建立了精确高效的海洋风/浪/流环境载荷计算模型和浮式风机刚柔多体动力学模型，进而构建了大型浮式风机一体化耦合动力学求解器，厘清了不同海洋环境作用下的浮式风机动力学响应行为特征；针对我国中近海域的特殊水文与地质条件，以Hywind单柱式风机为原型，通过结构拓扑和参数优化，设计开发了一款新型单柱式阶梯状浅吃水浮式风机概念SJTU-S4，结合仿真模拟与模型试验，初步验证了该浮式风机概念在我国100米左右水深海域的可行性；深入研究了浮式风机耦合动力学与稳定性机理，探究了风轮气动载荷作用对浮式平台水动力响应的作用机制和影响规律，发现并验证了气动载荷效应下的浮式平台固有频率偏移现象，揭示了变速/变桨控制器诱导的“负阻尼”和系统失稳现象及其机理；提出了浮式风机多体/多场一体化协同缩尺理论框架，建立了浮式风机高保真缩尺模型设计制作与状态监测方法，形成了浮式风机一体化缩尺模型试验与性能评估体系，为浮式风机数值计算模型的修正和浮式风机设计概念的测试评估提供了可靠的技术支撑。项目发表学术论文100余篇，申请国家专利15项，培养专业博士/硕士研究生10余人，为我国浮式风电技术发展提供了技术支撑和高质量专业人才储备。