15 MW漂浮式海上风机系泊失效后上部结构动态响应与安全控制策略研究

本综述聚焦15 MW漂浮式海上风机（FOWT）系泊失效后的动态响应，通过全耦合模型分析叶片位移、弯矩及发电机功率变化，探讨了偏航系统停机与叶片紧急顺桨的缓解作用，为大型FOWT安全运行与风险防控提供关键理论支撑。

　　

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Physical problem

本研究采用IEA 15 MW FOWT（Gaertner et al., 2020）和缅因大学提出的VolturnUS-S半潜式漂浮平台（Allen et al., 2020）。FOWT、漂浮平台及系泊系统详情见图1。

参考风机为三叶片水平轴涡轮机，配备细长叶片，转子直径240 m，额定风速10.59 m/s。漂浮平台由中央柱构成。

Aerodynamic loads

气动载荷是风力发电的关键驱动因素，涉及涡流理论、动态尾流模型和动量理论等多种数学模型与求解方法。叶素动量理论（BEM理论）是计算转子叶片诱导速度分布和气动载荷的基础方法。该理论将叶片离散为多个展向单元，每个单元假定具有相同的翼型截面。

Validation

本研究使用SIMA软件建立模型以模拟和研究FOWT。我们在第3章详细介绍了SIMA模拟的基本理论。为评估模拟的准确性和可靠性，对研究中使用的15 MW FOWT进行了自由衰减和动态响应模拟，并将数值结果与其他出版物结果进行了对比。我们进行了六自由度自由衰减运动。

Environmental and case selection

在验证了我们的气动-水力-伺服-弹性全耦合模型后，将采用它进行以下模拟。本研究采用基于JONSWAP的不规则波模型和稳态风条件来模拟环境载荷。图4总结了环境参数（Li et al., 2018）。操作场景的选择基于DLC 1.5和1.6，生存条件的选择则基于DLC 6.1。

Conclusions

本研究旨在分析15 MW FOWT在标准运行条件和系泊线失效场景下的动态响应特性，特别关注偏航系统停机和叶片顺桨停机的影响。采用全耦合气动-水力-伺服-弹性模型进行时域和频域分析，重点研究了叶尖位移、叶根弯矩、塔基弯矩和发电机输出功率的变化。