考虑气候变化与失效模式相关性的15 MW漂浮式海上风电机组可靠性评估

《Marine Structures》：Reliability assessment of a 15 MW floating offshore wind turbine considering climate change

　　

摘要专业翻译 本研究在考虑失效模式相关性的前提下，确定了15 MW漂浮式海上风电机组（Floating Offshore Wind Turbine，FOWT）在未来气候条件下的可靠性。研究人员构建了一种基于支持向量回归（Support Vector Regression，SVR）方法的误差受控代理模型（surrogate model），用于FOWT的结构响应预测。利用训练后的代理模型，通过蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation，MCS）获得结构响应的联合概率分布。研究人员收集了三种共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways，SSP）情景（SSP126、SSP245和SSP585）下的未来风数据，并进行了逐点校准。研究结果表明，不同的排放情景对失效概率具有显著影响，且失效概率在空间分布上存在明显差异。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

风能作为一种重要的可再生能源，在全球范围内资源储量丰富。近年来，随着海上风电技术的持续进步，海上风电机组的大型化发展已成为明确趋势。目前，5 MW和10 MW水平轴风电机组模型已得到广泛应用。美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）与缅因大学（University of Maine）合作，在IEA Wind Task 37框架下开发了15 MW半潜式漂浮式海上风电机组参考模型，代表了风能利用效率提升的重要方向，但仍需进一步深入研究。

为确保FOWT的结构安全，必须充分考虑各种极限状态下结构响应的评估。由于复杂海洋环境和结构系统存在不确定性，在设计和运行阶段采用基于可靠性的方法至关重要，通常以随机变量来模拟环境荷载和结构参数。尽管当前FOWT设计标准侧重于采用荷载系数的确定性方法，但已有大量研究探索了概率方法在构件和结构可靠性分析中的应用。

现有研究表明，FOWT存在多种失效模式，且这些失效模式之间通常具有相关性，这一情况在陆上和固定式海上风电机组中同样常见。多数研究通过将结构简化为串联/并联系统来处理多模式失效问题，但相关系数只能描述线性相关关系，且相关性在不同环境条件下可能发生变化。因此，本研究的目标之一是在各种环境条件下构建多种失效模式的联合分布，以准确描述失效模式间的依赖关系并直接用于失效概率计算。

然而，FOWT是一个高维、非线性、复杂的动力系统，涉及气动-水动-伺服-弹性耦合效应。计算FOWT动力响应需要采用集成的耦合时域方法，通常非常耗时。特别是考虑不确定性的可靠性分析需要大量计算，通常超过1000次。因此，代理模型方法作为时域计算的有效替代方案，可显著提高计算效率。在各种方法中，SVR方法非常适合高维空间且具有较强的泛化能力，故本研究采用该方法。

FOWT可靠性评估中的另一个关键问题是环境条件。作为浮式结构，FOWT对风荷载和波浪荷载高度敏感，其变异性直接影响动力响应和结构安全。环境变量的联合概率模型被广泛推荐用于表征联合环境荷载条件，环境等值线法（environmental contour formulation）也已得到广泛应用。

然而，大多数现有研究依赖历史数据来评估环境影响，这可能不再代表未来条件。自工业革命以来，人类活动特别是温室气体排放的增加，导致地球气候系统发生了一系列长期而显著的变化，包括气温升高、海平面上升以及极端事件更加频繁。这些现象可能导致风荷载和波浪荷载发生变化，从而直接影响FOWT承受的荷载，并为其可靠性评估引入额外的不确定性。尽管许多研究关注了FOWT在各种荷载下的结构评估，但考虑气候变化的研究较少。因此，在评估FOWT的长期可靠性和韧性时，考虑未来气候情景至关重要。

二、研究内容与主要结论

本研究的主要目标包括：（1）考虑关键失效模式之间的相关性，构建FOWT的易损性曲面（fragility surface）；（2）评估气候变化下FOWT在风荷载和波浪荷载作用下的失效概率。研究框架由三部分组成：首先构建结构响应时域计算的数值模型，为代理模型提供训练样本；然后应用SVR方法构建FOWT关键响应的代理模型；利用训练后的代理模型，在各种环境条件下计算结构响应的边际分布和联合分布，考虑参数不确定性；最后通过概率方法推导易损性曲面，并通过将历史风浪分布与预测的未来风数据相关联，估计气候变化下的失效概率。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：第一，基于OpenFAST软件构建FOWT的数值仿真模型，该软件支持FOWT的多物理场耦合气动-水动-伺服-弹性仿真，用于时域动力响应求解；第二，采用支持向量回归（SVR）方法构建代理模型，该方法适用于高维空间且泛化能力强，可显著降低可靠性分析所需的计算成本；第三，利用训练后的代理模型进行蒙特卡洛模拟（MCS），获得结构响应的边际分布和联合分布；第四，收集三种共享社会经济路径（SSP126、SSP245和SSP585）情景下的未来风数据并进行逐点校准，用于评估气候变化对失效概率的影响。

四、研究结果

4.1 FOWT数值模型构建

研究采用IEA Wind 15 MW风电机组和UMaine VolturnUS-S浮式平台。风轮旋转平面半径为120 m，轮毂中心高度距静水面150 m。风电机组额定功率为15 MW，额定风速为10.59 m/s。支撑平台为半潜式浮式平台，由中心立柱、三个边立柱、底部浮箱和水上三个交叉撑杆组成。底部浮箱呈"Y"形，关于平台Z轴对称。平台由三根系泊缆绳系泊，关于Z轴对称分布。研究列出了FOWT的主要设计参数和关键频率，包括纵荡频率0.007 Hz、垂荡频率0.049 Hz、横摇/纵摇频率0.036 Hz和艏摇频率0.011 Hz。

4.2 代理模型构建与验证

研究采用SVR方法构建FOWT关键响应的代理模型。利用数值模型生成训练样本，通过误差控制确保代理模型的预测精度。训练后的代理模型能够快速预测不同环境条件下的结构响应，为后续可靠性分析提供高效计算工具。

4.3 失效模式联合分布构建

利用训练后的代理模型，通过蒙特卡洛模拟获得结构响应的边际分布和联合分布。与传统的相关系数方法相比，联合分布能够更准确地描述失效模式间的依赖关系，且能够反映不同环境条件下相关性的变化。

4.4 易损性曲面构建

基于概率方法推导了FOWT的易损性曲面，考虑了关键失效模式之间的相关性。易损性曲面能够直观地反映不同环境荷载组合下结构的失效概率，为结构安全评估提供了有效工具。

4.5 气候变化影响评估

收集了三种共享社会经济路径（SSP126、SSP245和SSP585）情景下的未来风数据，并进行逐点校准。研究结果表明，不同排放情景对失效概率具有显著影响，且失效概率在空间分布上存在明显差异。这一发现强调了在FOWT长期可靠性评估中考虑气候变化情景的必要性。

五、讨论与结论

研究结果表明，气候变化对FOWT的失效概率具有显著影响，不同排放情景下的失效概率存在明显差异。考虑失效模式间的相关性对于准确评估FOWT可靠性至关重要，联合分布方法能够比传统的相关系数方法更准确地描述失效模式间的依赖关系。SVR代理模型能够有效降低可靠性分析的计算成本，为FOWT的长期可靠性评估提供了高效工具。

本研究的结论是：在考虑失效模式相关性的前提下，确定了15 MW FOWT在未来气候条件下的可靠性；不同排放情景对失效概率具有显著影响，且存在明显的空间分布差异。该研究为FOWT在气候变化背景下的可靠性设计和安全评估提供了重要的理论依据和方法参考。