【张生俊】大型海上风电机组支撑结构动态特性研究_21页_3mb

大型海上风电机组支撑结构动态特性研究总结

核心内容概述

本报告由张生俊代表运达能源科技股份有限公司（股票代码：300772）进行，聚焦于海上风电机组支撑结构的动态特性研究，包括阻尼特性、频率特性以及设计优化思考。报告旨在通过仿真与现场测试，提升支撑结构设计的精准度与经济性，为海上风电平价上网提供技术支撑。

主要观点与关键信息

1. 运达股份公司概况

• 运达股份是中国最早从事风力发电技术研究的企业之一，专注于新能源开发、智能电网、储能、光伏、制氢及综合能源管理。
• 公司拥有3000多名员工，其中900余人为研发和技术人员。
• 公司在国内外拥有超过15,000MW的装机容量，2023年新增装机容量达10.38GW。
• 制定了190余项国际、国家和行业标准。

2. 市场与战略背景

• 浙江省是运达股份的重要市场，公司依托省属国企身份，获得政府大力支持，推动浙江区域风电产业集群建设。
• 海上风电开发向中深远海推进，支撑结构成本占比逐渐提高，已成为影响海上风电平价上网的关键因素。

3. 支撑结构动态特性

• 阻尼特性：支撑结构的阻尼分为气动阻尼、结构阻尼、水粘性阻尼、辐射阻尼和桩土阻尼。其中，气动阻尼和水粘性阻尼由软件自动考虑，其他阻尼需等效处理。
• 现场急停测试：在无阻尼器情况下，支撑结构一阶总阻尼比可达1.2%。
• 阻尼比分布：在正常发电工况下，支撑结构一阶横向阻尼比约为1.14%~1.41%，纵向约为8.27%~10.98%。横向阻尼比显著低于纵向，说明侧向激励对支撑结构响应影响更大。
• 气动阻尼与风浪异向：风向对气动阻尼影响显著，当风浪方向与风向异向时，塔底左右弯矩显著增加，需在设计中考虑风浪异向的影响。

4. 支撑结构频率特性

• 频率影响因素：支撑结构频率主要受机头重量重心、结构几何尺寸和桩土约束刚度影响。其中，桩土刚度是优化设计的关键。
• P-Y法与PISA法对比：
  • P-Y法适用于小直径细长桩，忽略剪切变形，仅考虑水平分布载荷。
  • PISA法适用于大直径桩，考虑剪切变形及分布弯矩、桩底剪力与弯矩，更符合实际工况。
  • PISA法可提高支撑结构一阶频率约5%，降低泥面转角约30%，优化塔底极限载荷6.6%，降低疲劳载荷23.5%。
  • 采用PISA法进行设计，可显著减少基础设计工程量，提高经济性。

5. 支撑结构设计方法与优化

• 传统设计方法：基于典型机位点进行载荷-结构迭代，兼顾设计效率与工程安全。
• 优化方向：
  • 环境包络设计：可能造成部分机位设计保守，需进一步优化。
  • 频率约束：频率作为基础设计的约束条件，限制了设计的发挥空间。
• 频域-逐点位设计：通过频域分析结合时域仿真，实现对各点位的精准设计，降低载荷与工程量。

6. 频率与波浪频率耦合

• 波浪分为风浪和涌浪，其中涌浪能量较高，但频率较低（一般低于0.1Hz），与支撑结构频率差异较大。
• 台风引发的波浪方向与台风路径密切相关，如浙江海域涌浪方向多集中在东南方向。
• 支撑结构设计需考虑不同方位波浪的能量-频率分布差异，优化结构响应。

7. 支撑系统动态加阻技术

• 通过控制手段增加支撑结构阻尼，抑制塔架振荡，显著降低塔底疲劳载荷。
• 该技术不依赖额外硬件，不影响原有变桨与扭矩控制环路，运行稳定。
• 仿真与现场测试验证了其有效性。

关键技术对比与应用

支撑结构设计流程

1. 整机厂商：提供典型机位载荷与塔架设计参数，包括基础载荷、塔架模型和频率要求。
2. 基础设计院：基于典型机位点进行桩土分析与基础设计，结合频率要求进行全场设计。
3. 优化方向：采用频域-逐点位设计，提升设计精度与经济性。

未来展望

• 随着海上风电向深远海发展，支撑结构设计需更加精细化。
• 运达股份致力于推动技术创新与产业协同发展，携手技术与产业力量，共绘深远海风电发展新蓝图。

结论

本研究通过仿真与现场测试，验证了支撑结构阻尼特性与频率特性的关键影响因素，提出了PISA法在支撑结构设计中的应用优势，并探讨了动态加阻技术对降低疲劳载荷的积极作用。同时，提出了基于频域与逐点位设计的优化思路，为海上风电成本控制与结构优化提供了重要参考。