由于區(qū)域氣候環(huán)境和結(jié)構(gòu)設計體系的差異性，我國在海上風力機抗臺風設計標準方面的研究仍然面臨著重大挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)有不少研究者認識到了抗臺風設計標準的重要性，但目前還沒有較為系統(tǒng)的適用于國內(nèi)海域的海上風力機抗臺風設計標準?？紤]到國內(nèi)海域在沒有臺風風險的情況下可開發(fā)的海上風力潛力只占12%，同時并非所有海上風力潛力都具有經(jīng)濟競爭力。因此，制定適用于國內(nèi)海域的海上風力機抗臺風設計標準具有重要意義。針對上述背景，本文從設計角度定性和定量地分析了現(xiàn)有設計標準對海上風力機抗臺風安全性的適用性，旨在為我國南方和東南地區(qū)的海上風力發(fā)電機組提供參考。

本文首先對中國近海風環(huán)境的特點進行了簡要概述，并在第2節(jié)中詳細比較了極端風況，同時針對多級臺風對海上風力機的影響，提出了一種工程增強模型來改進風剖面的預測。其次，在第3節(jié)中模擬分析了包括現(xiàn)有設計標準中和臺風引起的不同極端風況下，風力機的極限風致響應。在此基礎上，第4節(jié)中討論了設計標準對海上風力機結(jié)構(gòu)安全性的影響。最后，本文在第5節(jié)中指出了我國現(xiàn)有海上風力機抗臺風設計標準的不足之處。

圖1 1980-2018年臺風路徑和強度的全球分布圖

02是什么讓臺風與眾不同?

通常情況下，成熟的臺風是一種具有低壓中心、閉合低層大氣環(huán)流和強風的快速旋轉(zhuǎn)風暴系統(tǒng)。成熟臺風的直徑通常超過100公里，有些甚至可達1000公里以上。臺風不同區(qū)域的氣象特征存在顯著差異，這些區(qū)域包括臺風眼區(qū)、眼壁影響區(qū)和臺風外圍區(qū)，如圖2所示。因此，針對海上風力機位置固定的特點，臺風影響應分為不同的臺風影響階段。

基于這些特征，我們可以推斷出臺風和正常風對海上風力機安全性的兩個主要區(qū)別。首先，在典型的海上風電臺風影響階段中，包括前部外圍階段(FPS)、前眼壁階段(FES)、臺風眼階段(TES)、后眼壁階段(BES)和后邊緣階段(BPS)。其中，臺風眼階段(TES)的影響幾乎不會對海上風力機的安全性能產(chǎn)生影響。其次，在各典型臺風影響階段中，除了臺風眼階段以外，臺風風況相對于正常風具有平均風速較大、風廓線奇特、時空變化較大的特點，如圖3所示。然而，目前在海上風力機的抗臺風設計研究中，大多缺乏對中國海域這些風特性的考慮。

圖2 成熟臺風示意圖

圖3 臺風與正常風的主要區(qū)別示意圖

03風速場的模擬

本研究選擇在東海廣泛應用的輪轂高度為100m的海上風力發(fā)電機組作為研究對象，表1中列出了關于海上風力機的一些基本信息。在風速模擬過程中，將來流平面劃分為20×18個節(jié)點(高×寬)，以10m為間隔設置一個格點，通過三次插值得到格點中間位置的風速。圖4展示了電網(wǎng)與風力機的相對位置。IECs和M/Cs的仿真分別使用公共軟件GH-Bladed和內(nèi)部程序進行實現(xiàn)。

表1 本文模擬海上風力發(fā)電機組的基本信息

圖4 模擬風速場示意圖

04結(jié)果與分析

根據(jù)表2比較不同工況與IEC工況的極限響應增量(極值)，發(fā)現(xiàn)基于IEC設計風條件計算的臺風外圍影響具有60%~90%的安全裕度。因此，即使在受到一些臺風影響的情況下，一些海上風電場仍能繼續(xù)運行。然而，這并不意味著它們的結(jié)構(gòu)安全性達到完全可靠的水平。從表中可以看出，6MW海上風力機在臺風眼壁沖擊下的響應明顯超過了IEC設計工況的計算值，增量超過35%。這些數(shù)據(jù)表明，即使考慮了一定的安全系數(shù)，也無法涵蓋臺風引起的響應。此外，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，如果加入橫擺控制失效，結(jié)果可能更為保守。這些因素可能解釋了我國華東地區(qū)在臺風襲擊期間風電場結(jié)構(gòu)故障頻繁發(fā)生的現(xiàn)象。此外，后眼壁階段的一些響應指標如Mxyt較前眼壁階段更大，進一步強調(diào)了多階段分析對臺風研究的重要性。

通過對比臺風風況與設計標準，可以發(fā)現(xiàn)參考風速的選擇是造成差異的主要因素之一。當強臺風經(jīng)過我國南部或東南部海域時，10米高度處10分鐘平均風速可達近60米/秒，遠高于IEC標準值。然而，這并不意味著IEC標準在風況設置方面必然存在不足，因為IEC標準在湍流強度和湍流模型上與臺風誘導風況存在顯著差異，并且存在一些保守的參數(shù)設置。低空急流的存在和臺風異常的能量分布也是導致臺風風況與設計極值風況存在差異的原因。需要指出的是，在臺風的整個襲擊過程中，如臺風"威馬遜"，前眼壁階段不一定是對海上風力機造成最大破壞的階段。

表2的結(jié)果顯示，與IEC標準狀況相比，M/Cs標準狀況提供了更為保守的設計值，這可能與風力機設計參考高度的選擇有關。我們注意到，對于參考高度的選擇，IEC標準和M/Cs設計標準具有不同的設計理念?？紤]到風力發(fā)電技術潛力對風力機尺寸非常敏感，需要建立新的設計規(guī)則，使參考風速與輪轂高度相關。DNV GL Renewables認證發(fā)布的《Technical Note for the Certification of Wind Turbines for Tropical Cyclones》遵循了與M/Cs標準相同的設計理念。建議在設計過程中校準參考風速以固定高度，然后使用風剖面模型計算輪轂高度處的風速。

表2 各工況相對于IECs工況的響應極值增量

05結(jié)論

本研究通過基于現(xiàn)有設計標準和我國南方及東南海域?qū)嶋H臺風案例的對比研究，對海上風力機的極端風況和風致響應進行了系統(tǒng)分析。為減小分析誤差，采用了算法驗證、控制變量和極值分析等方法。同時提出了以下的建議：

針對我國南方和東南部海域海上風電的大規(guī)模開發(fā)，建議根據(jù)全生命周期內(nèi)強臺風眼墻發(fā)生的頻率，調(diào)整極端風況的技術參數(shù)進行海上風電結(jié)構(gòu)設計。具體而言，在大型海上風力機的抗臺風設計中，應根據(jù)當?shù)仫L環(huán)境設置10m高度處的參考風速，而不是在輪轂高度處設置固定風速。綜合考慮，這些發(fā)現(xiàn)可能是解決海上風力機維護困難、發(fā)電效率和制造成本之間差距的合理方法。

需要指出的是，每個設計標準都是一個完整的體系。本研究的目的是更好地了解我國南方及東南海域海上風力機抗臺風設計現(xiàn)行設計風況的合理性，并不是評價哪個標準更優(yōu)。綜合考慮技術、成本、保險等多個方面因素，建立完整的中國南部和東南部海域海上風電設計框架仍需要進一步的工作。
 

備注：

論文題目： Assessing code-based design wind loads for offshore wind turbines in China against typhoons

論文作者： Hao Wang，Tongguang Wang，Shitang Ke，Liang Hu，Jiaojie Xie，Xin Cai，Jiufa Cao，Yuxin Ren

關鍵詞： Offshore wind turbine;China waters;Typhoon-resistant design;Design wind condition;Typhoon condition

發(fā)表期刊： Renewable Energy

DOI：

https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.05.052

全文鏈接：

https://authors.elsevier.com/a/1h8mn3QJ-dpRSY