综述：漂浮式海上风力发电机组稳定性：机理、控制技术与性能评估综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Stability of floating offshore wind turbines: A review of mechanisms, control technologies and performance evaluation

　　

摘要 漂浮式海上风力涡轮机 (FOWTs) 代表了在深水区利用风能的关键技术，但其大规模商业化仍受到复杂稳定性挑战的制约。虽然在单体系泊或平台设计方面已取得显著进展，但仍缺乏对 FOWTs 稳定性的系统化综合。为了弥补这一差距，本综述将 FOWTs 稳定性特征化为由多源环境激励和非线性气动 - 水动 - 伺服 - 弹性耦合控制的系统工程问题，提供了全面的分析。具体而言，本研究系统评估了主要平台构型的内在稳定性，并分析了系泊系统从被动定位置到主动稳定性调节的演变作用。至关重要的是，本综述整合了被动结构适应和主动系统级智能控制、确定性分析和全生命周期可靠性评估方面的关键进展。此外，本综述勾勒出一个将人工智能整合进 FOWTs 稳定性研究的协同框架，包括基于强化学习的智能控制、多保真度混合建模和预测数字模型。通过整合这些多方面视角，本研究为确保 FOWTs 的结构完整性和经济可行性提供了综合理解。

引言 可再生能源已成为全球能源转型的核心支柱，这由碳中和与能源安全的迫切需求所驱动。得益于更高的风速、更低的湍流强度以及靠近主要沿海负荷中心 [1,2]，海上风电已成为最有前景的可再生能源技术之一。在此背景下，漂浮式海上风力涡轮机 (FOWTs) 已成为利用深远海区域巨大风能潜力的关键技术解决方案，预计它们将在未来全球能源格局中占据更重要的位置 [[3], [4], [5]]。

FOWTs 由漂浮平台支撑，并由系泊系统保持位置。这使得它们能在风、浪和流载荷的共同作用下沿六个方向运动。因此，平台稳定性是影响发电效率、结构安全和长期运行可靠性的关键因素。FOWTs 的稳定性强烈依赖于平台构型。最常见的四种平台类型是立柱式、半潜式、张力腿平台 (TLP) 和驳船式。这些概念具有不同的水动力学特性和稳定性机制，导致在环境载荷下表现出截然不同的动态响应行为。例如，立柱式平台可能会经历显著的偏航运动，从而降低电能质量，而 TLP 系统提供强大的定位置能力，但在垂荡和纵摇方向上承受巨大的动态载荷 [6]。半潜式平台通常被认为是最佳折衷方案，提供多个自由度上的适度运动响应，并能适应广泛的水深 [7,8]。然而，仅靠平台构型无法完全决定稳定性性能。整体动态行为源于转子空气动力学、平台水动力学和系泊恢复力之间的复杂相互作用 [9]。平台运动改变了转子经历到的相对风速，从而影响空气动力推力和功率输出 [10]。这些空气动力变化随后反馈到平台动力学中，产生跨多个自由度的耦合运动响应 [11]。因此，FOWT 稳定性本质上受耦合多物理场相互作用控制，需要从多个视角进行调查。

为解决这些稳定性挑战，已从三个主要技术方向进行了广泛研究：平台构型优化、辅助阻尼装置集成和先进控制策略开发。平台设计研究表明，结构拓扑在确定漂浮平台的稳定性特征方面起着关键作用 [12]。因此，提出了几种创新构型，包括 V 形半潜式平台和四边形的 VolturnX 概念，以改善运动性能 [13,14]。同时，被动和半主动阻尼装置，如调谐质量阻尼器 (TMDs) 和包括垂荡板在内的水动力学附件，已被广泛研究以缓解平台运动 [[15], [16], [17], [18], [19], [20]]。先进控制策略，包括独立桨距控制 (IPC) 和模型预测控制 (MPC)，也已作为通过调节空气动力载荷主动抑制平台运动的有前景的方法被探索 [[21], [22], [23], [24]]。

除了上述工作外，几项综述研究对 FOWTs 稳定性研究的特定方面做出了显著贡献。Yang 等人从静水、水动力学和空气动力学角度综述了 FOWTs 大幅度旋转的原因和缓解措施 [25]。Subbulakshmi 等人调查了 FOWTs 动态分析的实验和数值方法 [26]。Zeng 等人系统考察了 FOWTs 中的非线性水动力学效应，包括低频共振和水弹性耦合 [27]。虽然每一项贡献都推进了其特定领域的理解，但仍缺乏整合物理稳定性机制、耦合气动 - 水动 - 系泊动力学、缓解策略和生命周期可靠性评估的统一框架。代表性综述文章与本综述之间的详细比较见表 1。

这种碎片化可能导致控制策略忽视耦合的气动 - 水动 - 伺服 - 弹性相互作用，以及平台构型针对名义条件优化而忽视极端或故障引起的动态载荷 [28,29]。FOWTs 在多物理场耦合下表现出多自由度响应，这无法通过孤立研究得到充分解决 [[30], [31], [32]]。如果没有一个以稳定性为导向的框架来系统地解决这些机制及其耦合后果，可靠的寿命稳定性评估和下一代 FOWT 系统的合理设计将根本受到制约。

为解决这一差距，本综述建立了一个集成框架，系统地关联了 FOWTs 的稳定性机制、稳定性控制策略和性能评估方法。文献检索使用 Scopus 数据库（于 2026 年 2 月访问）进行，使用预定义的检索字符串针对 FOWT 稳定性、运动控制、振动抑制、阻尼技术和平台动力学。仅考虑以英文出版的同行评审期刊文章。排除关注固定底风机、会议论文、专利、学位论文以及缺乏与 FOWT 稳定性和动态性能足够相关性的出版物。初步检索识别出 495 条记录。根据预定义的纳入和排除标准进行标题、摘要和全文筛选后，保留 298 篇出版物进行详细分析，排除 197 条记录，原因是重复、技术内容不足或与本综述目标相关性不足。由此产生的文献数据库构成了本文呈现的主题综合的基础，涵盖平台构型、系泊系统、稳定性控制技术、振动缓解方法和先进稳定性评估方法。该框架的总体结构如图 1 所示。

基于此框架，本综述做出了四个主要贡献。首先，它考察了漂浮平台构型的内在稳定性特征，包括传统和新型平台拓扑、混合多能系统以及水动力学附件，重点关注结构设计如何塑造稳定性边界和耦合动态响应。其次，它分析了系泊系统在稳定 FOWTs 方面的动态作用，涵盖系泊配置效应、极端和故障引起的载荷场景，以及用于长期完整性评估的状态监测框架。第三，它总结了当前的稳定性控制策略和振动抑制技术，从先进的桨距和扭矩控制算法到被动、半主动和主动阻尼装置，并明确讨论了它们的有效性、局限性和操作权衡。第四，它综述了稳定性分析、模型验证和可靠性评估的先进方法，重点关注高保真耦合模拟工具、实验方法以及能够处理现实环境条件下非线性动力学的概率框架。

与分别解决这些维度的现有综述相比，本工作提供了一个统一视角，将平台构型设计、系泊系统动力学、稳定性控制策略和定量评估框架联系起来。通过弥合这些传统上分离的研究领域，本综述旨在作为持续研究的综合参考，并为设计和开发具有改进稳定性和长期可靠性的下一代 FOWT 系统提供概念基础。

章节片段

漂浮平台构型的动态响应
漂浮平台在 FOWTs 设计中起着重要作用。对主要漂浮平台概念动态行为的比较调查为初步设计和技术选择提供了必要见解（图 2a）[33]。这些平台的动态特性已通过耦合气动 - 水动 - 伺服 - 弹性数值模拟进行了广泛研究，物理模型验证仍局限于特定构型和载荷工况。其中

基本动力学与阻尼机制
系泊系统不仅提供定位置能力，还提供控制 FOWTs 低频运动响应的重要动态阻尼。这种阻尼源于漂浮平台与系泊缆线之间的耦合相互作用，并涉及局部水动力学效应和系统级能量耗散机制。
作用在系泊缆线上的水动力学力与海底摩擦力共同构成了局部尺度阻尼的主要来源 [96]。

平台运动与载荷谱的主动调节
本节中综述的控制策略和性能结果通过数值模拟进行评估；在可用时明确标识实验验证。FOWTs 先进控制算法的主要目标是缓解平台运动，同时优化载荷谱。实现此目标需要理解并主动调节关键动态特性，特别是空气动力阻尼。与陆基风机不同，

集成高保真建模框架与计算策略
耦合 FOWT 模拟出现了两种主要的建模范式。第一种从一致的动力流形内的第一性原理推导统一控制方程——例如 DARwind，它使用 Kane 方程同时解析空气动力、水动力、结构和系泊非线性 [234,235]。第二种遵循模块化协同仿真理念，通过高频状态交换耦合专业求解器——例如 OrcaWind，它同步

结论与未来展望
本研究将 FOWTs 的稳定性机制、控制策略和性能评估方法综合为一个分析框架。现有研究的综合表明，主要构型的内在稳定性源于其独特的恢复力分布和水动力学机制。除了传统的定位置之外，现代系泊系统通过动态阻尼、刚度重新分布和

CRediT 作者贡献声明
Yanqing Yin: 写作 - 初稿，正式分析，软件，编辑和概念化。Zhiwei Wu: 方法论，软件，验证。Yu Zhang: 正式分析，概念化。Zishuai Wang: 正式分析，资源。Zexian Qiu: 资源，正式分析，Xianbo Wang: 概念化，写作，方法论，软件。Jie Yang: 写作 - 审查和编辑，验证，项目管理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能看起来影响了本论文报告的工作。

致谢
本研究得到了海南省教育厅和三亚崖州湾科技城管理局（Hyb2025-201）博士研究和创新基金（联合项目）的支持；海南省科技专项资金（GHYF2026042）；国家自然科学基金（批准号 52467024）；海南省三亚崖州湾科技创新联合项目（批准号 ZDYF2025GXJS142）；自然科学基金的

Yanqing Yin|Zhiwei Wu|Yu Zhang|Zishuai Wang|Zexian Qiu|Xianbo Wang|Jie Yang
浙江大学海南研究院，中国三亚，572025