关于主动偏航控制对浮动式风力涡轮机转子与浮动平台耦合系统动力学影响的研究

《Ocean Engineering》：Study on the active yaw control effect on the coupled system dynamics of rotor and floating platform for floating wind turbine

本文基于自由涡法建立浮式风电场耦合动力学模型，研究主动偏航控制对气动载荷及平台运动特性的影响，发现主动偏航率与气动载荷振荡幅值正相关，同时平台运动响应可简化为附加静水刚度和阻尼效应，为浮式风电场主动偏航控制系统设计提供理论依据。

　　在海上风电领域，随着风力发电机组规模的不断扩大，风场内部的尾流效应成为影响整体发电效率的重要因素。尾流效应会导致下游风力发电机的输出功率下降，同时增加叶片的疲劳载荷，这在大型海上风电场中尤为显著。为了解决这一问题，目前广泛采用的方法是主动偏航控制（Active Yaw Control, AYC），通过调整风力发电机的偏航角度，以减少尾流损失并提升整体发电效率。然而，对于漂浮式海上风力发电机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT），尽管主动偏航控制在提升发电能力方面具有潜力，但其对风机气动载荷以及漂浮平台动态特性的影响却尚未得到充分研究，这可能对漂浮式风力发电机的安全性产生潜在威胁。

因此，本研究致力于通过建立风机-平台耦合动力学模型，深入探讨主动偏航控制对漂浮式风力发电机气动载荷和平台运动动态特性的影响。该模型不仅考虑了风机的气动特性，还结合了波浪载荷、系泊系统的作用，以及平台运动对风机的反馈。这一研究的开展，旨在为未来漂浮式海上风电场的主动偏航控制系统设计提供理论支持和实际指导。

在现有研究中，对于固定式海上风力发电机，主动偏航控制主要关注如何通过调整偏航角度，优化尾流分布，从而提升整体风场的发电效率。然而，漂浮式风力发电机由于其特殊的结构形式，与漂浮平台之间存在更为复杂的耦合关系。平台的运动不仅影响风机的气动载荷，还会改变风机的运行状态，从而对整个系统的稳定性产生重要影响。因此，有必要对漂浮式风力发电机在主动偏航控制下的动态响应特性进行系统性研究。

当前，针对漂浮式风力发电机的动力学建模方法主要包括解耦模型和耦合模型。解耦模型通常将风力发电机与平台分开处理，假设平台的运动为已知的刚性曲线，并研究风机在平台某一自由度运动下的气动特性。这种方法虽然能够较为清晰地展示平台对风机的影响，但忽略了两者之间的耦合效应，因此在实际应用中可能存在一定的局限性。相比之下，耦合模型则将风机、平台和系泊系统进行集成，能够更真实地反映系统在复杂工况下的行为。然而，现有的耦合研究大多集中在平台的运动特性或风机的气动载荷上，较少关注主动偏航控制对系统整体动态特性的影响，特别是在高动态响应条件下的耦合效应。

为了弥补这一研究空白，本研究提出了一种基于自由涡旋法（Free Vortex Method, FVM）的风机-平台耦合动力学模型。该模型在构建过程中，不仅考虑了风机的气动特性，还结合了平台的运动动态，以及波浪和系泊系统对平台运动的影响。自由涡旋法作为一种流体动力学建模方法，能够避免使用平均诱导因子，相较于传统的 Blade Element Momentum（BEM）模型具有更高的计算效率，同时在处理非稳态问题时也展现出一定的优势。因此，该模型在模拟漂浮式风力发电机在主动偏航控制下的动态响应方面具有重要的应用价值。

在模型验证过程中，本研究采用高保真模型对所建立的风机-平台耦合模型进行了全面评估。验证结果表明，该模型能够较为准确地模拟风机在不同偏航角度下的气动载荷变化，以及平台在波浪作用下的运动响应。此外，模型还能够捕捉风机与平台之间的耦合效应，从而更真实地反映系统在复杂工况下的行为。通过这一模型，研究者可以更深入地理解主动偏航控制对漂浮式风力发电机系统的影响，为未来的工程设计和优化提供理论依据。

本研究的主要内容包括：首先，介绍了基于自由涡旋法的风机-平台耦合动力学模型，并对其进行了建模和验证；其次，通过案例分析，探讨了不同偏航速率下漂浮式风力发电机的气动载荷变化，以及风机对平台运动的影响；最后，总结了研究的主要结论。研究发现，主动偏航控制会显著增加风机气动载荷的波动幅度，这种波动与偏航速率呈正相关关系。同时，主动偏航控制对平台运动的影响可以简化为附加的水动力刚度和阻尼效应，这一发现为漂浮式风力发电机的动态响应特性提供了新的理解。

此外，本研究还指出，当前关于漂浮式风力发电机主动偏航控制的研究主要集中在提升发电效率方面，而较少关注其对气动载荷和平台运动动态特性的影响。因此，本研究在分析中特别强调了主动偏航控制对漂浮式风力发电机系统安全性的潜在影响，并通过耦合动力学模型，提供了对这一问题的系统性分析。通过这一研究，可以更全面地评估主动偏航控制对漂浮式风力发电机的影响，为未来的工程设计和优化提供重要的参考。

在实际应用中，漂浮式风力发电机的主动偏航控制策略需要综合考虑多个因素，包括风机的气动特性、平台的运动动态、波浪的激励作用以及系泊系统的响应。这些因素相互影响，共同决定了系统的整体性能。因此，建立一个能够准确模拟这些因素相互作用的耦合模型，对于优化主动偏航控制策略具有重要意义。通过该模型，可以更精确地预测风机在不同偏航角度下的气动载荷变化，以及平台在波浪作用下的运动响应，从而为漂浮式风力发电机的设计和运行提供科学依据。

本研究的创新点在于，首次系统性地探讨了漂浮式风力发电机在主动偏航控制下的动态响应特性，包括风机的气动载荷波动和平台的运动变化。此外，研究还首次将自由涡旋法应用于漂浮式风力发电机的耦合动力学建模，从而在计算效率和模型准确性之间取得平衡。通过这一方法，可以更有效地模拟风机与平台之间的耦合效应，为未来漂浮式风力发电机的主动偏航控制系统设计提供新的思路。

在研究过程中，本研究采用了多种数值方法进行验证，包括基于自由涡旋法的模型和高保真模型。验证结果表明，自由涡旋法在模拟漂浮式风力发电机的气动特性方面具有较高的准确性，同时在计算效率方面也优于传统的 Blade Element Momentum（BEM）模型和计算流体动力学（CFD）模型。这使得自由涡旋法成为研究漂浮式风力发电机动态响应特性的理想选择。此外，研究还发现，漂浮式风力发电机在主动偏航控制下的气动载荷波动与平台的运动动态密切相关，这种波动可能对风机的安全性和稳定性产生重要影响。

综上所述，本研究通过建立风机-平台耦合动力学模型，系统性地探讨了主动偏航控制对漂浮式风力发电机气动载荷和平台运动动态特性的影响。研究结果表明，主动偏航控制不仅能够提升风机的发电效率，还可能增加气动载荷的波动幅度，进而影响平台的运动稳定性。因此，未来的漂浮式风力发电机设计需要充分考虑主动偏航控制对系统整体动态特性的影响，以确保其在复杂工况下的安全性和可靠性。本研究的成果为漂浮式风力发电机的主动偏航控制系统设计提供了重要的理论支持和实际指导。