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本研究探讨了入流湍流生成模拟方法与叶片桨距控制策略对大型海上风力发电机性能和叶片结构载荷的影响。研究人员考虑了两种入流表示：根据IEC设计标准生成的合成Kaimal湍流，以及平均轮毂高度湍流强度约为6%的中性大气边界层的大涡模拟（LES）。两种入流均采用泰勒冻
本研究探讨了入流湍流生成模拟方法与叶片桨距控制策略对大型海上风力发电机性能和叶片结构载荷的影响。研究人员考虑了两种入流表示：根据IEC设计标准生成的合成Kaimal湍流，以及平均轮毂高度湍流强度约为6%的中性大气边界层的大涡模拟（LES）。两种入流均采用泰勒冻结湍流假说，并包含来自前驱叶片单元动量理论（BEMT）模拟的稳态诱导以考虑涡轮-流动相互作用，从而能够直接比较入流和控制效果。涡轮在模型中也通过准稳态BEMT代码Maya表示，该代码提供作用在装置上的气动力。评估的控制策略包括集体桨距控制（CPC）和个体桨距控制（IPC），均在比例积分（PI）控制器内实现。结果表明，平均功率输出在CPC和IPC之间差异可忽略，表明IPC可作为叶片疲劳缓解措施而不影响能量捕获。在两种入流类型中，IPC将叶片根弯矩（RBM）的疲劳载荷降低了11%–15%，其中Kaimal湍流下的降低幅度更大。与Kaimal相比，在相同起始风速下，LES入流产生的总体RBM疲劳载荷更低，尽管由于空间变化湍流结构导致叶片间平均差异更大。这些空间不对称性（固定增益的IPC未能完全缓解）对浮式平台尤为值得关注，因为它们可能导致转子推力不平衡并可能激发平台纵荡和俯仰模态。研究结果表明，相对于LES捕获的更真实的海上入流条件，基于IEC的合成湍流可能高估疲劳载荷，但此类入流中的空间变异性可能对当前控制方法构成挑战。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
浮式海上风力发电机（FOWT）是海上风电技术发展的必要阶段，能够在深水区域利用风能。与固定式风机不同，FOWT在具有六自由度运动的平台上运行，导致平台动力学与非定常气动载荷之间的复杂耦合。这种耦合给准确预测结构载荷和设计有效控制策略带来了额外挑战。大型风机的转子直径增大（如IEA 15-MW参考风机直径240 m），空间变化的湍流会引发显著的叶片载荷不对称性，使得湍流入流的强度和结构成为疲劳和极限载荷行为的关键驱动因素。当前，风力发电机模拟中最常用的湍流入流生成方法是基于谱表示的合成湍流模型（如Kaimal或Mann谱），这些模型假设静止、均匀的湍流场，具有固定的积分长度尺度，通常独立于大气稳定性或海洋边界层现象。这种简化在处理海上或浮式风力发电机入流条件时可能限制其保真度，因为垂直切变、科里奥利效应和低层射流等会显著影响湍流特性。为克服这些局限，大涡模拟（LES）成为一种高保真替代方案，能够解析能量主导涡旋并模拟亚网格尺度湍流，产生真实的三维时变入流场，捕捉站点特定的大气特征。将LES入流用于风机模拟时，与合成湍流相比，结构载荷预测存在显著差异，这些差异不仅影响平均和峰值载荷，还影响桨距和扭矩控制系统的有效性。因此，本研究旨在比较两种湍流入流生成方法（符合IEC标准的Kaimal谱和高分辨率LES）以及两种桨距控制策略（集体桨距控制CPC和个体桨距控制IPC）对大型海上风机性能和结构载荷的影响。
**主要关键技术方法**
研究人员使用自研的叶片单元动量理论（BEMT）代码Maya模拟IEA 15-MW参考风机（额定风速10.59 m/s，转子直径240 m，IEC 1B级）。入流生成采用两种方法：基于NREL TurbSim的Kaimal谱（符合IEC 61400-1标准）和自研LES代码DOFAS（模拟中性大气边界层，轮毂高度湍流强度约6%）。两种入流均通过泰勒冻结湍流假说传播，并利用前驱BEMT模拟的稳态诱导考虑涡轮-流动相互作用。控制策略基于ROSCO参考开源控制器的比例积分（PI）控制器，包括CPC和IPC。IPC通过d-q轴变换（旋转坐标系解耦）和Coleman变换实现，增益通过二阶系统辨识确定。疲劳载荷以损伤等效载荷（DEL）量化，采用雨流计数法和Goodman修正。
**研究结果**
**3.1 对模拟入流的依赖性**
通过比较无控制状态下Kaimal 18%湍流强度与LES 6%湍流强度的入流，发现Kaimal入流产生的叶片根弯矩（RBM）变化更大，其DEL比LES入流高约55%–58%。当Kaimal湍流强度降至6%时，DEL差异缩小至20%，且叶片间载荷变化从10%降至3%，与LES接近。表明湍流强度是造成载荷差异的主要因素，但LES入流因空间结构不同仍导致更低载荷。
**3.2 集体桨距控制**
采用PI控制器（CPC）后，平均RBM在所有入流情况下均下降：Kaimal 18%入流下降46%–55%，LES入流下降8%–11%，Kaimal 6%入流下降21%–32%。但DEL反而增加：Kaimal 18%入流增加81%–100%，LES入流增加2.6–3.3倍。这是由于控制器引起的循环载荷变化产生少数大幅值载荷循环。Kaimal 6%入流的DEL高于LES入流，表明低湍流强度下合成湍流仍可能高估疲劳载荷。
**3.3 个体桨距控制**
IPC实施后，RBM频谱在旋转频率处幅值显著降低（Kaimal入流下降更明显），平均RBM变化小于1%，DEL相比CPC降低4%–4.4%（Kaimal入流）和约4%（LES入流）。IPC使叶片间DEL差异从7%降至3%（Kaimal 18%），或从约0.5 MNm降至约0.3 MNm（LES）。平均功率输出方面，IPC与CPC相比无显著差异（Kaimal 18%下降约0.1 MW，LES不变），表明IPC可作为疲劳缓解措施而不影响能量捕获。
**3.4 额定风速以上运行**
在15 m/s风速（全Region 3运行）下，IPC相比CPC使DEL降低：Kaimal 15%强度降低7%，Kaimal 6%强度降低23%，LES入流降低8%。LES入流的DEL与Kaimal 6%接近，但显著低于Kaimal 15%。叶片间载荷变化较小，不确定性带宽最大5%（LES-CPC情况）。
**讨论与结论**
讨论部分指出，不同入流湍流特性导致疲劳载荷行为明显分歧。LES入流在所有控制策略下均产生比Kaimal更低的总体RBM DEL，表明IEC标准合成湍流可能高估海上实际疲劳载荷，导致过度工程化。IPC在两种入流下均降低DEL 11%–15%，但对LES入流中空间变化的湍流，IPC未能完全消除叶片间载荷不对称，这可能导致浮式平台转子推力不平衡，激发平台纵荡和俯仰模态。研究结论强调，IPC作为载荷缓解策略具有潜力，但在空间变化湍流下需进一步优化增益，并考虑平台运动反馈。未来工作应聚焦于为空间变化入流调整IPC增益，并纳入涡轮-流动耦合和尾流反馈以提升预测真实性。
**研究结论翻译**
本研究比较了两种入流湍流生成方法（基于设计标准的Kaimal谱和带前驱中性边界层的LES），在泰勒冻结湍流假说下采用一致建模框架。该方法虽忽略了涡轮-流动耦合（前驱BEMT模拟的稳态诱导除外），但实现了对入流类型和桨距控制策略影响的受控评估。Kaimal入流生成时匹配设计标准湍流强度（18%和15%），而LES入流在轮毂高度产生约6%的平均湍流强度，但引入了跨转子盘的真实空间变异性。由于湍流强度差异，为每种入流速度额外生成了6%强度的Kaimal入流。这些不同湍流特征的案例揭示了均匀合成湍流与空间结构湍流对风机载荷的不同影响。Kaimal与LES湍流特征的差异导致疲劳载荷行为明显分歧。在所有控制策略下，相同起始风速时LES入流产生的叶片RBM DEL低于Kaimal。这一发现直接挑战了当前设计标准的保守性，因为IEC兼容合成湍流可能高估相对于更真实低湍流海上条件的疲劳载荷。纳入低湍流强度的Kaimal入流并未产生与LES一致的DEL。总体而言，平均功率输出几乎不受控制策略选择影响，IPC维持了与CPC相当的能量捕获，证实IPC可主要作为载荷缓解策略引入而不牺牲年发电量。在两种入流类型中，IPC将叶片RBM DEL降低11%–15%，对Kaimal入流（湍流更均匀）的益处更大。然而，对于LES入流，IPC实现的载荷降低不足以维持叶片间一致的RBM水平，因为入流空间变化持续驱动不对称气动载荷。在疲劳行为方面，LES入流始终产生比Kaimal更低的总体RBM，尽管空间变化更大。平均RBM在入流方法间差异不显著，但LES场中的空间梯度导致更大的叶片间载荷差异。这种持续不对称对FOWT尤为重要，因为不平衡转子推力可能激发平台纵荡和俯仰运动，尤其当载荷波动与平台固有频率范围对齐时。尽管IPC在两种入流场景中均降低了循环载荷，但其当前固定增益不足以完全缓解空间变化湍流下的这些效应。研究结果凸显了IPC在真实海上入流条件下进行载荷缓解的潜力和局限性。对于固定式风机，IPC已显示降低循环载荷的能力；但对于浮式平台，其与空间湍流模式及平台动力学的相互作用需要进一步研究。未来工作将聚焦于为空间变化入流条件专门调整IPC增益，并将平台运动反馈纳入控制器以解决低频载荷不对称性。此外，放宽冻结湍流假设以包含涡轮-流动耦合和尾流反馈，将提高入流场的真实性，并进一步精炼固定式和浮式海上风电应用的载荷预测。
