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海洋工程建筑及相关服务

需求背景

随着陆地风电场不断开辟，剩余陆地风资源日益减少，风电场向海上扩展成为必然。同时，海上风电场具有风力资源大，风湍流强度和海面粗糙度更小等优点。目前，各国海上风电场以近海风电场为主，深海风电场由于采用复杂的漂浮式结构还处于探索阶段，仅有少量样机出现。相比于陆上风电机组，海上风电机组服役环境更加恶劣，除了风载荷以外，还要承受复杂的波浪载荷，而且两者之间是相关的。长期以来，有关风波载荷分析一直是各学者研究的热点问题，学者采用平均风速和湍流度联合分布的方式，借助TAST-AD代码得到载荷数据，建立了极端风载荷参数化模型；也有学者进行了波浪力计算；基于线性波理论对随机波浪载荷进行计算，采用非线性波理论对极端波浪载荷进行了分析；基于Morison方程进行了波浪载荷计算，并开展了室内测试与分析；徐建源等针对桩式近海风电机组，利用叶素－动量理论建立了风载荷模型，根据Morison方程建立了风电机组波浪载荷模型，用以研究结构动力响应；陈小波等基于Morison方程和流函数理论计算了近海风电机组非线性波浪载荷，并与线性波浪载荷进行了对比分析；Seidwl等借助商业化软件Reflex和ASAS(NL)对海单桩基础风电机组的风波载荷进行了初步分析。虽然各国学者从不同角度开展了海上风电机组载荷的研究工作，但相关研究还有待深入。主要问题包括：①风载荷与波浪载荷往往独立计算与分析，没有考虑到风波载荷的相关性；②针对海上漂浮式风电机组的系统研究还没有形成；③载荷计算时，对风电机组运行工况考虑不够；④多采用同一公式计算不同结构参数时的波浪载荷，没有考虑结构尺寸、波浪参数变化。

需解决的主要技术难题

为实现深远海规模化、商业化发展，需要攻克的关键技术问题主要包括漂浮式风电机组、浮式基础、系泊系统、动态海缆、一体化仿真、水池试验、施工技术等。

漂浮式海上风电机组安装在深远海，运行条件及海况复杂。为捕获更多风能资源，需增大叶片长度、优化翼型设计及控制策略， 需要解决下述问题：

（１）叶片大型化的气弹性问题。 目前1５ＭＷ风机叶片长度已超过１００ ｍ，在运动过程中风机叶片发生弹性变形，振动过程中改变实际入流速度，影响攻角及风机效率， 所受荷载也会发生较大改变，式基础平台受力改变又反之影响风机运行。

（２）控制系统优化。 浮式基础运动会影响风机荷载及效率，且深远海复杂的风、海、流等环境因素互相耦合，漂浮式风机控制系统相比固定式风机复杂度更高、难度更大。随着风轮尺寸的增大，风轮平面存在较大的速度梯度，即上、下叶片气动力不同， 控制策略需要进行优化和改进；同时要考虑平台运动对气动特性的影响。

（３）大型风机的润滑及防腐。深远海风机长期处于高盐雾、 高湿度环境，运行环境严苛，机组故障率相对较高、可达性差、换油窗口期短，对润滑、换油、降温及防腐等提出更高要求。随着深远海漂浮式大容量风机时代拉开帷幕，风电机组外形及内部设计、后期运维也将面临新的挑战。

本技术主要的技术研发难题如下：

1、考虑叶轮、浮体的各向异性特征下的动力学方程构建与频率特性；

2、三叶片叶轮系统的动力学简化模型构建；

3、漂浮式风电机组浮体涡动动态的特性研究与仿真计算；

4、漂浮式机组的线性化与高维模型降阶。

期望实现的主要技术目标

1、分析计算报告《漂浮式风力机组风机浮体建模技术与涡动响应问题计算分析》主要包括浮体、叶轮系统的建模过程,时序仿真；

2、计算分析报告《基于漂浮式机组降阶模型的稳定性分析与大效模式研究》，主要包括浮体、叶轮系统的建模过程.时序仿真与商业软件对比分析、关注频率、相位和阻尼影响，能量耗散过程；

3、漂浮式风机的LQG控制方法报告及软件开发。

需求解析

解析单位：“科创中国”科技创新全链条服务生态系统专业科技服务团（北京八月瓜科技有限公司） 解析时间：2022-11-21

郭杰

中国机械科学研究总院

总监

综合评价

随着陆地风电场不断开辟，剩余陆地风资源日益减少，风电场向海上扩展，各国海上风电场以近海风电场为主，深海风电场由于采用复杂的漂浮式结构还处于探索阶段，仅有少量样机出现。 北京金风科创风电设备有限公司是国内风电行业的龙头企业。金风公司投入资金，研发适用于海洋的风电设备。 项目单位的研究分为三个部分: 1、 漂浮式风力机组风机浮体建模技术与涡动响应问题研究 2、 基于漂浮式机组降阶模型的稳定性分析与失效模式研究 3、 漂浮式风电机组的硬件在环仿真与现代控制理论的应用 海上风电项目持续向远海发展，十四五期间国内对漂浮式风机的研究热度逐渐提高起来，并有了示范工程项目。目前，我国有多个漂浮式海上风电项目在规划中，预计将在 2023 年建成。希望项目单位尽快完成漂浮式风机组的理论分析、仿真、样机测试等工作。 把具有自主知识产权的产品投入市场

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