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第三章 设计基础和浮式风力机模型

为了从本研究和其他概念研究中获得有用的信息，以评估适用于美国近海大陆架（OCS）和全球其他近海场地的海上风电技术，需要使用实际和标准化的输入数据。本章总结了模拟代码验证练习和后续章节中提出的集成负载分析中开发和使用的输入数据。需要收集大量的输入数据，包括详细的风力机和支撑平台的规格以及设计依据。设计依据包括分析方法（见第2章）；适用设计标准（即IEC）的集合；以及参考点的特定地点气象和海洋学参数。

在这项工作中，我整理了现在称为“NREL(国家可更新能源实验)海上5兆瓦基线风力涡轮机”的涡轮机规范，如第3.1节所示。虽然我整理了这个风力涡轮机的规格，但我却没有开发出这项工作中使用的两个浮动支撑平台的基本设计。作为替代，我使用了两个由实验室的其他伙伴开发的平台。这两个平台都是专门为支持NREL海上5兆瓦基线风力涡轮机而开发的。我在第3.2节中总结的第一个平台是由一家名为ITI Energy的公司提供的带有松散悬链线系泊的驳船。第二个平台，总结在第3.3节中，是一艘驳船，通过与NREL的合同[100101]——在麻省理工学院开发了一个扩展系泊系统。选择驳船概念是因为其设计、制造和安装简单。为了进行负荷分析，ITI能源公司选择了北海北部的一个位置作为获取气象海洋数据的参考位置。这些数据见第3.4节。

3.1 NREL海上5兆瓦基线风力涡轮机

本节记录了NREL海上5兆瓦基线风力发电机组的规范及其开发背后的基本原理。我的目标是建立一个大型风力涡轮机的详细规格，它能代表典型的公用事业规模级的陆基和海基多兆瓦涡轮机。

然而，在确定详细规格之前，我们必须选择机器的基本尺寸和额定功率。由于深水风电系统支撑结构占据了大部分系统成本，我们从一开始就了解到，如果深水风电系统要具有成本效益，则每个单独的风力涡轮机的额定功率必须为5兆瓦或更高。基线考虑的额定功率范围为5兆瓦至20兆瓦。我们决定基线功率应为5兆瓦，因为它具有优先权：

• 由Musial ,Butterfield, and Boone确定的海上风力涡轮机的可行浮式装置配置正是基于5兆瓦机组的假设。
• 未公布的DOE海上成本研究基于直径128 m的转子，它是5到6兆瓦风力涡轮机的代表性尺寸。
• 基于路基组件技术风电合作伙伴关系（简称WindPACT）一系列研究，认为风力涡轮机系统的额定功率应为5兆瓦。
• 海上风电机组项目设计（称为RECOFF）建议基于5兆瓦级风电机组的概念设计计算。
• 荷兰海上风能转换器（简称DOWEC）项目基于其额定功率为6兆瓦的风力涡轮机的设计计算概念。
• 在撰写本文时，世界上最大的风力涡轮机原型——Multibrid M5000和REpower 5M——每个都有5兆瓦的额定功率。

我收集了关于Multibrid M5000和REpower5M原型风力涡轮机的公开信息。由于无法获得这些机器的详细信息，我还使用了WindPACT,RECOFF和DOWEC概念模型中的公开数据。这些模型包含了比原型更详细的信息。然后，我从这些模型中创建了一个组合，提取了可用性最好、最具代表性的规范。

Multibrid M5000机器的叶尖速度明显高于典型的陆上风力涡轮机，塔顶质量也低于之前在WindPACT研究中开发的缩放规律所预期的质量。相比之下，REpower 5M机器具有更“预期”和“常规”的特性。因此，我们决定使用REpower 5M机器的规格作为基线模型的目标规格。

DOWEC项目中使用的风力涡轮机的额定功率略高于REpower 5M机器的额定功率，但DOWEC涡轮机的许多其他基本特性与REpower 5M机器非常匹配。事实上，Dowec涡轮与Repower 5M机器的性能优于Windpact和Recoff研究得出的涡轮机性能。由于这些相似性，我在开发NREL海上5兆瓦基线风力涡轮机时，最大量地使用了DOWEC研究得出的数据。

REpower 5M机器的转子半径约为63米。为了使作用在浮动支撑平台上的倾覆力矩尽可能减小，我们决定基准风力机的轮毂高度应为90米。当风机未转动和遇到估计极端50年单个波高为30米（即15米振幅）情况时，这将在叶片顶部的最低处产生15米的气隙。表3-1给出了我们为NREL 5-MW基线风机选择的附加总性能，其中大部分与REport 5M相同。这个风机总位置的（x，y，z）坐标在塔基坐标系中表示，该坐标系沿地面或平均海平面（MSL）的塔中心线开始。该坐标系的X轴名义上是顺风方向，Y轴横向是名义风向，Z轴从塔基垂直指向垂摇方向。

表3-1. NREL 5-兆瓦风力涡轮机基线的总参数

实际的Report 5M风力涡轮机使用内置预弯叶片作为增加塔架间隙的方法，而不需要大的转子补偿。因为，正如我在第2.1节中提到的，FAST代码不能支持内置预弯叶片，所以我选择了基线风力涡轮机中的2.5°逆风预弯，以表示REpower 5M机器中内置的较小预弯量和较大预弯量。

表3-1所示的转子直径忽略了叶片预置锥角的影响，这降低了实际直径和扫掠面积。汽轮机规范中确定的转子精确直径（假设叶片未偏转）实际为（126 m）times;COS（2.5°）＝125.88 m，实际扫掠面积为（pi;/4）times;（125.88 m）2＝12445.3 m2。

我提供了关于这个模型的其他信息如下：

• 3.1.1节 叶片结构特性
• 3.1.2节 叶片的气动特性
• 3.1.3节 轮毂和机舱性能
• 3.1.4节 传动系特性
• 3.1.5节 塔式特性
• 3.1.6节 基线控制系统特性
• 3.1.7节 风力涡轮机的气动伺服弹性FAST和ADAMS模型
• 3.1.8节 陆基版本的风力涡轮机的基本响应，全系统固有频率和稳态行为

虽然我简洁明了概述了这方面的许多信息，但第3.1.6节包含了对于风力涡轮机基线控制系统发展的重要细节。这些细节对于第7章中的控制工作是至关重要的。

除了在这项工作中的应用之外，NREL海上5MW基线风力涡轮机已经被用来为美国DOE的风与水电技术项目[1,23，84100101]所支持的许多研究项目建立参考规范。此外，综合欧洲联盟迎风研究计划和国际能源机构（IEA）风附件XXIII2号任务离岸代码比较协作（OC3）〔78〕，其采用了NREL海上5MW基线风力涡轮机作为其参考模型。该模型已经，并且将可能继续，作为世界各地的研究小组的参考，以规范基线海上风轮机规范，并量化先进的陆地和海洋风能技术的好处。

3.1.1 叶片结构性能

NREL海上5MW基线风力涡轮机有三个叶片。基于DoEC研究中使用的62.6m长LM玻璃纤维刀片的结构特性，我利用每个刀片的分布叶片结构特性（使用参考文献〔60〕附录A中给出的数据）。因为DoEC研究中的叶片比在实际的Repower 5M机上使用的61.5米长LM玻璃纤维叶片（62）长1.1米，在61.5米的范围内截断62.6m叶片，以获得NREL 5MW基线叶片的结构特性（通过在61.2-m和61.7m之间的内插），发现叶片尖端的结构特性。参考文献〔60〕附录A。表3-2列出了结果属性。

表3-2的第一列中标注“RADIUS”的条目是沿桨距轴线相对于转子中心（顶点）的展向位置。“BLFRACT”是沿着叶片根部轴线从根部（0）到尖端（1）的分数距离。我从转子中心定位螺距轴1.5米的叶片根部定位，相当于表3-1中列出的轮毂直径的一半。

“AcCONTRON”是快速输入参数的名称。FAST代码假定叶片俯仰轴通过25%翼弦的翼型截面。然后，根据定义，量（气动- 0.25）是从叶片螺距轴线沿弦线向空气动力中心的分数距离，正向后缘呈正距离。因此，在根部（即，BLFRACT＝0）数值为0.25意味着空气动力中心位于叶片俯仰轴[因为（0.25-0.25）＝0 ]，并且在尖端（即，BLFRACT＝1）数值0.125意味着空气动力学中心位于0.125个弦长朝向叶片距轴的前缘[因为（0.125，0.25）＝0.125 ]。

以结构扭曲角为导向，给出了结构面扭转角“FlpStff”、“EdgSTFF”、“FlpIner”、“EdgnER”，各截面的主结构轴和刚度和惯性值。结构扭曲的值假认定为与3.1.2节中讨论的空气动力学扭转相同。

“GJSTFF”表示叶片扭转刚度的值，因为DOWEC叶片数据不包含延伸刚度信息，所以我估计表3-2中的叶片延伸刚度值“EAStff”是每个叶片的平均质量惯性矩的107倍。这是来自于风车转子设计研究（64）中可用的数据的经验法则，但是由于转子转速低，精确值并不重要。

沿边的CM偏移值，“EdgcgOf”，是从叶片螺距轴线到叶片剖面的CM沿轴线方向，正向尾部的距离。我忽略了微小的平直CM偏移值，“FlpcgOf”，平直和边缘弹性偏移，“FlpEAOf” and “EdgEAOf,”在参考文献〔60〕中的附录A给出。相反，我假设它们是零，如表3-2所示。

在表3-2中给出的每单位长度值，“BMassDen”，的分布叶片质量是参考文献〔60〕附录A中所记录的值。在模型中，我将这些增加了4.536%，将整体（集成）叶片质量缩放到17740公斤，这是Repower 5M原型中叶片的相当质量。在我的基准规范中，每个叶片的相当第二质量惯性矩、相当第一质量惯性矩和相当径向CM位置分别为11776047公斤平方米、363231公斤米和20.475米（相对于叶根）。

表3-2 叶片分布结构特性

我在隔离叶片的所有模式中指定了0.477465%的临界结构阻尼比，对应于参考文献第20页的DOWEC研究中使用的3%对数减量。

表3-3总结了本节中讨论的未分布叶片结构特性。

表3-3 未分布叶片结构特性

3.1.2 叶片气动特性

与叶片结构特性相似,我基于NREL 5MW基线风力涡轮机在DOWEC叶片上的叶片气动特性（使用参考文献51的13页表1中的数据和参考文献〔60〕的附录A0。我设置FAST和ADAMS模型,使用17个叶片元素的空气动力学和结构力的整合。为了更好地捕捉叶片根部的大的结构梯度和叶片尖端的大的空气动力学梯度，3个内侧和3个外侧元件是11个等间距的中跨元件的尺寸的三分之二。表3-4给出了位于叶片单元中心处的叶片节点的空气动力特性。

在表3-4中标示

资料编号：[3286]