面向浮式風力機組混合模型試驗的多通道載荷復現(xiàn)器設(shè)計與性能測試

收稿日期：2022-02-23

基金項目：國家自然科學基金（12102251；U20A20328）；海南省科技計劃三亞崖州灣科技城聯(lián)合項目（120LH050）；國家自然科學基金創(chuàng)新

研究群體項目（12121002）

通信作者：溫斌榮（1993—），男，博士、助理教授、博士生導師，主要從事海上風電動力學與控制方面的研究。wenbinrong@sjtu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0191 文章編號：0254-0096（2023）06-0413-07

摘 要：針對浮式風力機組水池模型試驗對于風力機組模型尺度氣動載荷精確實時模擬的要求，以O(shè)O-Star 10 MW浮式風力機組為模擬對象，設(shè)計制作一套面向浮式風力機組混合模型試驗的多通道載荷復現(xiàn)器。對載荷復現(xiàn)器進行一系列靜態(tài)、動態(tài)載荷復現(xiàn)測試。結(jié)果表明，復現(xiàn)器對于穩(wěn)態(tài)風載的復現(xiàn)誤差小于4%，最大正向、負向動態(tài)載荷變化率為30和27 N/s；在實景湍流風場作用下，復現(xiàn)器對實際風力機組的時變氣動推力的頻譜能量主區(qū)復現(xiàn)率達到99%以上，可有效提升混合模型試驗的準確性與可靠性。

關(guān)鍵詞：海上風力發(fā)電機組；混合系統(tǒng)；復現(xiàn)器；裝備測試

中圖分類號：TM614""""""" ""nbsp;""" """""""文獻標志碼：A

0 引 言

風能作為一種清潔可再生能源，已成為世界各國能源發(fā)展的重點方向［1］。隨著陸地風電開發(fā)的漸趨飽和及近?？臻g資源的不斷減少，風電機組逐漸由近海走向遠海［2］。由于固定式風力機組的建設(shè)與維護成本隨水深的增加而急劇增加［3］，大型浮式風力機組將逐步取代固定式風力機組成為風電行業(yè)的主力裝備［4］。一體化水池模型試驗是浮式風力機組設(shè)計研發(fā)與性能優(yōu)化至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，在揭示浮式風力機組基本動力學規(guī)律、驗證和改進數(shù)值方法、評估和優(yōu)化設(shè)計方案等方面具有關(guān)鍵作用［5］。在浮式油氣平臺等傳統(tǒng)漂浮式海洋結(jié)構(gòu)物中，波浪載荷是決定系統(tǒng)運動與動力學響應(yīng)的主要因素，通常只需考慮弗勞德數(shù)相似。而在浮式風力機組中，除波浪載荷外，風載荷也是不可忽略的主導載荷因素，必須同時考慮弗勞德數(shù)相似和雷諾數(shù)相似［6］。這一本質(zhì)區(qū)別使得傳統(tǒng)海洋工程的水池模型試驗技術(shù)難以完全適用于浮式風力機組。由于弗勞德數(shù)相似與雷諾數(shù)相似的不兼容性，試驗所得模型數(shù)據(jù)難以直接換算成實型值［7］，從而影響水池模型試驗的準確性和可靠性，成為目前浮式風力機組水池模型試驗亟待突破的技術(shù)瓶頸。而解決這一問題的關(guān)鍵在于，如何正確模擬模型風力機組的氣動載荷，以抵消弗勞德縮尺后雷諾數(shù)急劇減小帶來的不利影響［8］。

在浮式風力機組模型試驗中，為精確模擬模型風力機組的氣動載荷，國內(nèi)外學者提出多種方案，大致可分成兩種思路。一種是保留完整的葉片形態(tài)，還原實物的一切細節(jié)和變量。Koo等［9］采用幾何縮尺葉片，對NREL 5 MW風力機組進行了系列模型試驗，以驗證MLTSIM-FAST程序中水動力載荷和系泊系統(tǒng)動力學計算結(jié)果的準確性。溫斌榮等［10-11］采用幾何縮尺葉片，針對淺吃水單柱式浮式風力機組SJTU-S4開展了系列試驗研究，揭示了浮式風力機組塔筒、葉片等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的載荷特性。需要說明的是，由于雷諾數(shù)的巨大差異，幾何縮尺葉片的氣動推力遠低于理論值，甚至會出現(xiàn)“負功率”的情況［12］。文獻［13-14］提出在模型尺度下重新設(shè)計葉片的方法。這些葉片往往采用低雷諾數(shù)翼型，更長的弦長來提高升阻比，更厚的厚度來保證葉片強度，這種葉片往往不滿足幾何相似，被稱為性能相似葉片［15］。2015年，Bozonnet等［16］采用性能相似葉片，圍繞5 MW張力腿平臺（tension leg platform，TLP）風力機組開展水池模型試驗，其試驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)值表現(xiàn)出較好的一致性，證明性能相似葉片能較好地還原正確的氣動載荷。2020年，溫斌榮等［17］提出一種基于展向載荷匹配的性能相似葉片設(shè)計方法，實現(xiàn)了對風輪總推力、葉片載荷展向分布的準靜態(tài)匹配。第二種思路是用執(zhí)行器取代物理葉片，模擬葉片的部分關(guān)鍵氣動載荷，可一定程度上降低物理模型的復雜度。文獻［18-20］采用基于阻力圓盤的風荷載模擬方案，使用圓盤代替風輪在風場中受力以模擬風推力，同時通過旋轉(zhuǎn)圓盤模擬陀螺效應(yīng)。

上述方法均需要搭配復雜、昂貴的造風系統(tǒng)使用。而開敞環(huán)境下的造風系統(tǒng)很難實現(xiàn)高質(zhì)量的風場模擬。為此，學者們提出多種等效風載荷模擬裝置，擺脫了對風輪重構(gòu)和風場復現(xiàn)的束縛。2015年，Matha等［21］在塔頂拉一根恒張力纜繩模擬風輪的穩(wěn)定推力。2014年，Azcona等［22］提出采用基于塔頂涵道風力機的風載荷模擬方案，并提出軟件在環(huán)（software-in-the-loop，SIL）技術(shù)思路。2016年，文獻［23-25］提出一種基于多線纜執(zhí)行器的氣動載荷模擬方案。近年來，基于多旋翼執(zhí)行器的載荷模擬方案更加受到青睞。2019年，Urban等［26］提出基于六旋翼可調(diào)速風扇系統(tǒng)的風載荷模擬方案，其中4個風扇用于模擬軸向推力，2個風扇用于模擬風輪扭矩，該系統(tǒng)被應(yīng)用于NREL 5 MW風力機組1∶40縮比水池模型試驗中，該系統(tǒng)極大提高了對于風輪推力載荷的模擬精度。2020年，Otter等［27］采用類似的方案，開發(fā)一種帶有6個無人機旋翼的多旋翼執(zhí)行器，將垂直平面內(nèi)的2個旋翼與水平平面內(nèi)的4個旋翼徹底分開，以減小2組旋翼間的氣動干擾，并且其支架臂展長度可調(diào)節(jié)，可用于調(diào)節(jié)扭矩大小。Azcona等［28］采用基于四旋翼可調(diào)速風扇系統(tǒng)的風載荷模擬方案，在CEHINAV水池對INNWIND 10 MW張力腿浮式風力機組進行水池模型試驗，證實模擬器對于提升風力機組水池模型試驗精度的作用。

上述文獻雖已初步展現(xiàn)了多旋翼系統(tǒng)模擬風力機組氣動載荷的可行性與優(yōu)越性，并在多自由度載荷方面模擬取得一定成功，但在提高載荷復現(xiàn)精度和實時性、改善動態(tài)響應(yīng)性能方面仍有不足。同時，現(xiàn)有研究鮮見對氣動載荷模擬裝置全面系統(tǒng)的性能標定與評估，相關(guān)解決方案的可行性與可靠性仍需進一步驗證。圍繞上述問題，本文針對浮式風力機組模型尺度氣動載荷精確實時模擬的要求，設(shè)計開發(fā)一套基于組合式旋翼的多通道載荷復現(xiàn)器，并針對該復現(xiàn)器的靜態(tài)性能、動態(tài)性能、重復性等開展系統(tǒng)測試，驗證該復現(xiàn)器在浮式風力機組模型試驗中的可行性與優(yōu)越性，以期為氣動載荷復現(xiàn)精度提升和動態(tài)性能改善提供有益參考。

1 多通道載荷復現(xiàn)器設(shè)計

本文以O(shè)O-Star 10 MW漂浮式風力機組為研究對象，設(shè)計開發(fā)多通道載荷復現(xiàn)器，復現(xiàn)其在水池模型試驗中的氣動載荷，縮尺比為1∶50。DTU 10 MW風力機組的風輪直徑為178.3 m，額定風速為11.4 m/s［29-30］。綜合考慮到氣動載荷模擬量程和控制精度，將復現(xiàn)器的推力復現(xiàn)范圍定為0～20 N。多風扇復現(xiàn)器結(jié)構(gòu)如圖1a所示，系統(tǒng)主要由支撐框架、多旋翼系統(tǒng)、控制與載荷測量系統(tǒng)組成。復現(xiàn)器物理實體如圖1b所示。

復現(xiàn)器支撐框架的設(shè)計參考四旋翼無人機，整體布局仿照無人機的架構(gòu)設(shè)計，四臂呈“X”型，避開塔筒立柱以免氣流對塔筒產(chǎn)生額外載荷進而影響載荷監(jiān)測?？蚣苷w質(zhì)量約為1.8 kg，主體結(jié)構(gòu)由碳纖維制成，連接部件和底座由鋁合金制成，在保證強度的同時減少質(zhì)量，盡可能減小復現(xiàn)器結(jié)構(gòu)對于浮式風力機組系統(tǒng)的影響?？蚣芰粼O(shè)有壓載調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過調(diào)整壓載大小和位置，使復現(xiàn)器整體質(zhì)量和重心與DTU 10 MW原型系統(tǒng)相匹配，盡可能消除由于風輪系統(tǒng)力學參數(shù)偏差導致的試驗誤差。

多旋翼系統(tǒng)主要由4組旋翼及其動力、控制單元構(gòu)成。旋翼直徑為24.2 cm，相鄰兩旋翼之間的距離約為36.0 cm。初步測試表明，該距離下旋翼之間的相互干擾較小。4組旋翼均產(chǎn)生朝正前方的氣流，以此給框架中心（即風力機組模型塔筒頂端）施加向后的推力，模擬風輪軸向氣動推力。由于運行時每組旋翼會產(chǎn)生一定扭矩，因此在安裝時，相鄰旋翼分別采用正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)旋翼以抵消彼此的扭矩，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。使用的旋翼、電機和電子調(diào)速器為某型無人機動力套組，可提供精確的推力且具有良好的快速響應(yīng)性能。電機安裝在框架四端留出的空槽內(nèi)，正反兩面都有良好的通風效果，避免長時間運轉(zhuǎn)導致的過熱問題。旋翼采用增強尼龍復合材料，具有高負載、高效率、低慣性和高穩(wěn)定性的優(yōu)點?？刂破髋c電源由長導線接至遠處，進一步減輕系統(tǒng)質(zhì)量，并有效提高系統(tǒng)可靠性。

在仿真軟件中計算得到不同工況下的風力機組模型的軸向推力載荷的時間序列，再結(jié)合由試驗標定獲得的控制信號-推力對應(yīng)關(guān)系，得到對應(yīng)工況的控制信號時間序列。無刷電機轉(zhuǎn)速由電子速度控制器調(diào)節(jié)，由工業(yè)AC/DC電源供電。電機的轉(zhuǎn)速由Arduino UNO開發(fā)板生成的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號控制。PWM頻率為1000 Hz，占空比可在0%～100%之間調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的有效控制。

載荷測量系統(tǒng)由六分力傳感器、采集卡和計算機組成。六分力傳感器安裝于風力機組模型塔筒頂部，位于全尺寸風力機組風輪機艙組件的質(zhì)量中心。試驗開始時，由計算機軟件發(fā)送PWM信號，同時開始監(jiān)測推力信號，以此保證同步性。

2 多通道載荷復現(xiàn)器基礎(chǔ)性能測試

2.1 PWM-推力對應(yīng)曲線標定

確定控制信號與復現(xiàn)器推力之間的關(guān)系是準確復現(xiàn)推力的基礎(chǔ)和前提。為快速得到PWM-推力映射曲線，采用掃描法開展測試：將電機油門信號從最小緩慢調(diào)節(jié)至最大，即控制PWM波信號占空比從0%線性增至100%，同時記錄安裝在復現(xiàn)器底部（塔筒頂部）的力傳感器測得的推力數(shù)據(jù)，重復20次，最終形成PWM-推力對應(yīng)曲線，如圖2所示。

2.2 階躍推力復現(xiàn)測試

在確定復現(xiàn)器推力性能控制規(guī)律曲線后，進一步對復現(xiàn)器的動態(tài)響應(yīng)性能進行測試，以評估復現(xiàn)器對穩(wěn)態(tài)推力的復現(xiàn)精度以及對快變推力的響應(yīng)能力。讓復現(xiàn)器以2—4—9—14—15—10—4 N的順序復現(xiàn)階躍推力曲線，每個推力維持30 s穩(wěn)定輸出，結(jié)果如圖3所示。

通過對階躍過程的推力分析，發(fā)現(xiàn)復現(xiàn)器加速段的最大變化率為30 N/s，減速時為27 N/s。Pegalajar等［29］針對DTU 10 MW風力機組的全尺寸仿真分析指出，11.4 m/s的平均風速和19%的湍流強度作用下，風輪推力最大變化率為140 kN/s，在1∶50比例下不足8 N/s?？梢?，復現(xiàn)器動態(tài)響應(yīng)速度高于實際風力機組的推力變化率。因此，本文提出的復現(xiàn)器可滿足實際風力機組對氣動載荷快變特性的模擬要求。圖3中放大圖顯示了測量值與理論值時序之間良好的一致性，穩(wěn)態(tài)階段的推力均值最大相對誤差約為4%。

2.3 正弦推力復現(xiàn)測試

為進一步評估復現(xiàn)器對于非定常氣動載荷的復現(xiàn)性能，對復現(xiàn)器進行一系列正弦推力復現(xiàn)測試，以定量評估復現(xiàn)器對于動態(tài)推力曲線的時序復現(xiàn)與頻譜能量復現(xiàn)準確度。控制步長對于復現(xiàn)器的動態(tài)載荷模擬性能具有重要影響。為確定復現(xiàn)器最優(yōu)控制時間步長，測試復現(xiàn)器在10、20、50 ms 這3種時間步長下的正弦推力模擬情況，推力波動幅值為3 N，波動周期分別為3.0 s，結(jié)果如圖4所示。在10 ms時間步長下，由于執(zhí)行系統(tǒng)的物理性能限制，無法及時響應(yīng)控制信號，復現(xiàn)器處于失控狀態(tài)；在20、50 ms時間步長下，復現(xiàn)器對于正弦信號的時序和頻譜復現(xiàn)表現(xiàn)良好。在及時響應(yīng)的前提下，更短的時間步長意味著更高的復現(xiàn)精度與可控性，故將本文復現(xiàn)器控制步長統(tǒng)一設(shè)定為20 ms。

圖5為不同正弦推力參數(shù)下復現(xiàn)器性能測試結(jié)果。共測試3組不同工況，其推力波動幅值為3 N，波動周期T分別為1.5、3.0（圖4）和4.5 s。由圖5可知，復現(xiàn)器對于正弦推力

曲線具有良好的復現(xiàn)精度，正弦推力曲線在時域和頻譜與理論值保持高度一致。

3 真實風力機組服役工況載荷復現(xiàn)

上述測試與評估表明，多通道載荷復現(xiàn)器的推力復現(xiàn)準確度、動態(tài)響應(yīng)性能均表現(xiàn)良好。為進一步評估復現(xiàn)器對于真實風力機組氣動載荷的模擬能力，以DTU 10 MW風力機組為模擬對象，計算其搭載于固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)時，在湍流風場作用下的氣動推力情況。隨后，用復現(xiàn)器實時模擬該氣動推力，以全面、系統(tǒng)評估復現(xiàn)器對動態(tài)推力的復現(xiàn)能力。非定常氣動載荷模擬工況的控制信號生成流程簡述為：首先，在TurbSim軟件中生成所需的非定常風譜及其時序；隨后，在FAST軟件中計算對應(yīng)的風力機氣動載荷；接著，根據(jù)縮尺定量將氣動載荷轉(zhuǎn)換到模型尺度；最后，根據(jù)PWM-推力標定曲線反解出控制信號時序?？紤]到復現(xiàn)器接收到信號與執(zhí)行的所需的物理時間，需對控制步長進行適當修正，減去系統(tǒng)執(zhí)行所致平均時延。圖6為DTU 10 MW風力機組在穩(wěn)態(tài)風速下的推力曲線（縮尺比1∶50），復現(xiàn)器對每個穩(wěn)態(tài)風速的推力復現(xiàn)持續(xù)20 s，對結(jié)果取平均值。復現(xiàn)結(jié)果與理論值高度重合。局部放大圖亦表明，復現(xiàn)器對于風力機組在穩(wěn)態(tài)風速下的靜態(tài)推力能夠準確穩(wěn)定地復現(xiàn)。

圖7分別為DTU 10 MW風力機組搭載于固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)時的動態(tài)推力復現(xiàn)情況。二者均對應(yīng)11.4 m/s（實尺度）的Kaimal湍流風。如圖7所示，時域和頻域復現(xiàn)結(jié)果均與目標值結(jié)果高度一致。其中，[fp]和[ft]分別為浮式平臺和塔筒的固有頻率。對于固定式風力機組，復現(xiàn)器對0～3 Hz頻段的能量復現(xiàn)率達到99.2%，對于浮式風力機組則達到97.1%?？梢?，本文提出的多通道復現(xiàn)器對湍流風下風力機氣動推力表現(xiàn)優(yōu)異。對于高頻處頻譜能量復現(xiàn)則與理論值

存在一些差異。Urban等［26］的方案中，其在0～1 Hz頻段的能量復現(xiàn)率為96%，而更高頻率處則會產(chǎn)生較大誤差。本文方案在頻率能量復現(xiàn)率上有所突破，而要達到更好的頻譜復現(xiàn)效果，則需進一步提高復現(xiàn)器的動態(tài)性能。

4 結(jié) 論

本文圍繞浮式風力機組縮尺模型對氣動載荷模擬的要求，設(shè)計制作一套基于組合式旋翼的多通道氣動載荷復現(xiàn)器，并開展系統(tǒng)的性能測試。基于測試結(jié)果與分析，可得到以下主要結(jié)論：

1）結(jié)合浮式風力機組縮尺模型對氣動載荷模擬的高精度、快響應(yīng)、少干擾要求，設(shè)計制作一套基于四旋翼的氣動載荷復現(xiàn)器，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、參數(shù)可調(diào)、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

2）本文提出的載荷復現(xiàn)器對于穩(wěn)態(tài)推力復現(xiàn)的最大相對誤差為4%，加速時最大載荷變化率為30 N/s，其動態(tài)性能滿足實際風力機組非定常風載模擬的快變特性要求。

3）圍繞DTU 10 MW實際風力機組動態(tài)推力開展實驗，研究穩(wěn)態(tài)風、湍流風作用下固定式、漂浮式部署下的動態(tài)推力復現(xiàn)性能。結(jié)果表明，復現(xiàn)器可精確復現(xiàn)實際風力機組在真實湍流風場作用下的非定常氣動載荷。復現(xiàn)器對固定式和漂浮式風力機組在0～3 Hz頻段的能量復現(xiàn)率達到99%以上。

需要說明的是，本文暫時只考慮單自由度載荷（氣動推力）模擬復現(xiàn)，并論證了所提方案和方法的可行性。后續(xù)工作中，將進一步優(yōu)化復現(xiàn)器物理結(jié)構(gòu)和控制方法，實現(xiàn)六自由度氣動載荷的實時高精度模擬。

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MULTI-CHANNEL AERODYNAMIC LOAD SIMULATOR FOR FLOATING WIND TURBINE" HYBRID MODEL TESTS： DEVELOPMENT AND TEST

Liang Zehao1，2，Tian Xinliang1，2，Wen Binrong1，2，Peng Zhike3，Li Xin1，2，Wu Guangxing4

（1. State Key Laboratory of Ocean Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；

2. SJTU Yazhou Bay Institute of Deepsea Technology， Sanya 572000， China；

3. School of Mechanical Engineering， Ningxia University， Yinchuan 750021， China；

4. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，

North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Keywords：offshore wind turbines； hybrid systems； simulator； equipment testing