半潜式浮式风力涡轮机与主动压载系统的耦合分析与性能评估

《Ocean Engineering》：Coupled analysis and performance evaluation of a semi-submersible floating wind turbine with active ballasting system

针对半潜式浮式海上风电 Turbine (FOWT) 在风推力作用下易产生倾斜的问题，本研究提出了一种基于主动配平系统（ABS）的解决方案。通过耦合 SESAM 软件与 Python 实现的 PID 控制算法，实时调整配平水量以抵消风致倾角。研究采用 IEA 15 MW 浮式风机模型，结合 CFD 模拟验证直立假设在倾斜角小于 15° 时的有效性，并发现主动配平系统可将平均倾角降低至零附近，同时提升平均功率输出约 2.76%。此外，系统对锚链受力影响较小，验证了现有锚链结构无需调整的可行性。

　　近年来，随着全球能源危机的加剧和环境问题的日益严峻，风力发电技术正经历快速的发展。风力发电的部署从陆上风力发电逐渐向海上扩展，其中浮动式海上风力涡轮机（Floating Offshore Wind Turbines, FOWTs）因其能够在较深海域中运行而受到广泛关注。然而，FOWTs在运行过程中面临着平台倾斜的问题，这种倾斜不仅影响其发电效率，还可能引发结构安全风险。为解决这一问题，研究人员提出引入主动压载系统（Active Ballasting System, ABS）来动态调整平台内的压载水，以实现平台的稳定控制。本文介绍了基于SESAM软件开发的全耦合气动-水动-伺服-弹性模型，并结合Python实现的PID控制算法，通过TCP通信实现压载系统与浮动结构的实时互动。研究结果表明，该系统能够有效减少平台的平均倾斜角度，提升发电效率，并确保设备在复杂环境下的安全运行。

### 浮动平台的挑战与解决方案

浮动式海上风力涡轮机在海上环境中面临多种挑战，包括湍流风场、随机波浪以及潮汐流等环境因素。这些因素会导致平台产生较大的运动响应，从而影响其结构安全性和发电效率。例如，当风力涡轮机在强风作用下产生倾斜时，会进一步加剧涡轮机的运动幅度，降低其发电效率，并可能引发涡轮机的非预期停机。为应对这些挑战，研究人员探索了多种控制策略，包括被动的调谐质量阻尼器（Tuned Mass Dampers, TMDs）和主动控制方法。其中，主动压载系统因其能够在动态条件下灵活调整平台重心，被广泛应用于FOWTs的稳定性控制。

在现有研究中，已有多项关于被动压载系统和主动压载系统的实验与数值模拟研究。例如，被动压载系统通常通过水箱中的水位变化来提供额外的阻尼力，从而减少平台的运动幅度。然而，这种系统对结构参数变化较为敏感，且在复杂环境下难以实现稳定控制。相比之下，主动压载系统能够根据实时监测的平台姿态进行调整，从而提供更精确的控制效果。在某些研究中，通过结合压载水的流动特性，主动压载系统在减少平台倾斜的同时，还能够有效降低涡轮机的疲劳效应，提升整体运行效率。

### 数值模拟方法与模型建立

为了评估主动压载系统在浮动平台中的应用效果，本文采用了一种基于势流理论的全耦合模型，该模型通过SESAM软件实现。在该模型中，平台的运动响应和涡轮机的气动载荷、水动载荷以及系泊系统的动态特性被综合考虑。同时，为了验证势流模型在小角度倾斜条件下的适用性，研究还结合了基于Navier-Stokes方程的计算流体力学（CFD）模拟。通过CFD模拟，研究者能够分析平台在倾斜状态下的水动力响应，从而验证势流模型在复杂环境中的可靠性。

此外，为了实现压载系统的实时控制，本文开发了一个基于Python的控制程序，该程序通过TCP通信与SESAM模型进行数据交换。控制程序采用PID控制算法，根据平台的平均俯仰角和滚动角计算所需的控制力矩，并考虑了压载泵的容量限制。这种控制策略能够在复杂的风浪条件下实现平台姿态的快速调整，从而减少平台的倾斜幅度，提高涡轮机的运行稳定性。

### 模型参数与平台设计

本文选用的参考模型是国际能源署（IEA）发布的15 MW浮动式风力涡轮机，该模型由缅因大学设计并提供开放数据，被广泛用于相关研究。该平台采用四柱式半潜式结构，其总质量为20093吨，其中平台自身的质量为17839吨，包含3914吨的结构钢和2540吨的固定铁矿石压载。为了实现主动压载功能，平台的压载水被分为固定部分和可变部分，其中可变部分位于三个外柱内部的压载舱中。这些压载舱通过管道连接，并由压载泵实现水的流动，以达到调整平台重心的目的。

压载系统的控制目标是通过调整水的分布，将平台的平均倾斜角度控制在接近零的范围内。压载泵的容量和响应速度是影响系统性能的重要因素，因此在模型中需要考虑压载水的转移时间和流量限制。研究显示，压载泵在90秒内可以达到最大流量0.33立方米/秒，并在1200秒内完成400立方米的水转移。这种调整策略能够在平台发生倾斜时迅速作出反应，从而实现平台姿态的快速恢复。

### 模拟结果与分析

在数值模拟中，研究者采用了多种环境条件，包括不同的风速和波浪方向，以评估主动压载系统在各种运行工况下的性能。结果表明，主动压载系统能够显著减少平台的平均倾斜角度，并在不同风浪条件下保持平台的稳定运行。例如，在LC3-A和LC3-B的对比中，当没有压载系统时，平台的平均俯仰角在3度到4度之间波动，而当引入主动压载系统后，平均俯仰角接近零度，且最大倾斜幅度明显减小。

在LC7和LC8的模拟中，研究进一步验证了主动压载系统在风浪方向不一致情况下的适应性。结果表明，无论风浪方向如何变化，压载系统均能有效控制平台的倾斜，使其保持在安全范围内。此外，研究还发现，压载系统的调整对平台的纵向运动（如推力）影响较小，因此在提升平台稳定性的同时，不会显著增加平台的运动幅度。这种特性使得压载系统能够专注于控制平台的俯仰和滚动运动，从而提高涡轮机的运行效率。

### 发电性能与控制策略

在发电性能方面，研究显示主动压载系统能够有效提升涡轮机的平均功率输出。例如，在LC3的模拟中，引入压载系统后，平均功率输出提升了2.76%，这表明平台的稳定控制有助于减少因倾斜引起的气动损失，从而提高涡轮机的发电效率。此外，由于平台倾斜可能导致涡轮机停机，主动压载系统能够在发生倾斜时迅速调整压载水分布，防止平台过度倾斜，从而减少停机时间，提升整体发电效率。

在控制策略方面，本文采用的PID控制器通过调整比例、积分和微分参数，实现了对平台姿态的精确控制。其中，比例增益用于快速响应平台的倾斜偏差，积分增益用于消除长期的倾斜误差，而微分增益则用于抑制因控制力矩引起的过冲现象。这种控制策略能够在保持平台稳定的同时，避免过大的控制力矩，从而减少对压载泵的负担。

### 系泊系统的影响

在研究中，系泊系统的动态特性也被纳入分析。通过模拟不同风浪条件下的系泊线张力，研究发现，系泊线的张力主要受到平台横向运动的影响，而主动压载系统对系泊线张力的影响较小。这意味着，即使在引入主动压载系统后，原有的系泊配置仍可保持稳定，无需进行大的调整。此外，研究还发现，主动压载系统能够有效减少系泊线的张力波动，从而降低系泊系统的疲劳损伤。

### 结论与未来工作

本文的研究表明，主动压载系统在提升浮动式海上风力涡轮机的稳定性方面具有显著优势。通过实时调整压载水的分布，该系统能够有效减少平台的倾斜幅度，从而提高涡轮机的发电效率和运行安全性。此外，研究还发现，主动压载系统对系泊系统的张力影响较小，因此可以在不改变原有系泊配置的情况下实现平台的稳定控制。

未来的研究将集中在进一步优化主动压载系统的控制策略，例如采用模型预测控制（MPC）等更先进的控制方法。这将有助于提升系统在复杂环境下的适应性和响应速度，同时减少对压载泵的依赖，提高整体运行效率。此外，研究还计划将压载系统与CFD环境相结合，以更精确地模拟平台与压载舱之间的流体相互作用，并在极端波浪条件下评估系统的性能。这种结合将有助于提高模拟的精度，同时保持计算的高效性。

总之，本文通过结合势流模型和CFD模拟，验证了主动压载系统在浮动式海上风力涡轮机中的有效性。研究结果表明，该系统能够有效减少平台的倾斜幅度，提升涡轮机的发电效率，并确保设备在复杂环境下的安全运行。未来的工作将进一步优化该系统，以应对更广泛的运行工况，并探索其在极端环境下的应用潜力。