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RSS2023年 第10卷 第1期
2023, 10(1): 1-12.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.001
摘要:
目的 世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m），主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟，海上风电逐渐走向机组大型化趋势，而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛，对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。 方法 拟对浅水水域10 MW大型海上风机，研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。 结果 结果表明，宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性，在特征频率附近的功率谱密度总和大，对比其他传统桩土模型时有很大的优势。 结论 所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。
2023, 10(1): 13-20.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.002
摘要:
目的 当前海上风电已成为全球风电发展的研究热点。我国海上风电尚处于起步阶段，而当前的运营模式存在不利于海上风电大规模集中送出等缺点，无法适应新形势下的长远发展。另一方面，欧洲各国对海上风电的补贴政策与我国当前的发展思路有所冲突，可借鉴性不强，且欧洲模式本身仍存在弊端。因此亟需探索适合我国近海深水区海上风电发展的新模式。 方法 首先分析了欧洲各国海上风电发展现状，并对海上风电输电模式进行总结；其次给出了四种海上风电输电技术应用场景；最后对海上风电商业模式进行了可行性分析。 结果 结果表明：在拆分海上发、输电侧环节后，广东省预计“十四五”期间能够实现平价上网；相比于分散式开发，深水区海上风电统筹集约式开发从经济性及环境集约利用层面更具有优势。 结论 形成的研究结论可以为后续大规模海上风电集中送出项目的方案设计和建设模式提供技术支持，具有很好的示范应用前景。
2023, 10(1): 21-28.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.003
摘要:
目的 研究海上相邻风电场间的“尾流效应”对发电损失的影响。 方法 利用海上风电场实际运行SCADA数据结合激光雷达同期实测测风数据，基于不同的风向扇区范围和风电场实际排布进行尾流效应场景分类，开展实际运行相邻风电场间（20D以上间距）的真实尾流电量损失分析工作。 结果 结果表明：对于规则排布的海上大型风电场，基于实际运行SCADA数据，对各机组发电量进行归一化，可以较好地反映海上风能资源分布特征及各机组发电能力的差异；高度集中的单一扇区条件下，处于下风向的相邻风电场受上风向相邻场区的“尾流效应”影响明显，发电产能较自由流降幅明显；相邻风场间随着缓冲带距离的增加，下风向场区机组尾流电量衰减比随之降低，缓冲带需达到一定的距离，对于风速的恢复有明显的作用，发电产能才能够有所提升；本案例不同场景下，缓冲带距离在23D～44D之间，尾流损失电量降幅在27%～4%之间。 结论 基于相邻风电场实际运行数据开展尾流分析可为后续海上大型风电基地规划设计和机组排布优化设计提供指导。
2023, 10(1): 29-38.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.004
摘要:
目的 为准确预测未来4 h风向，提出一种基于VMD-LSTM（Variational Mode Decomposition-Long Short-Term Memory）的超短期风向多步预测方法。 方法 采集明阳智能某风电场3个风电机组的风向序列，对其进行预处理及时序分析；基于自相关函数（Autocorrelation Function, ACF）计算风向不同时期的相关性，以选取风向序列的特征长度；采用变分模态分解（Variational Mode Decomposition, VMD）将风向序列分解为相对稳定的模态信号，通过最小样本熵确定分解的子模态数，并对分解后的模态信号分别建立预测模型，进行超短期风向24步预测；重构风向序列，叠加各分量预测结果。 结果 结果表明，VMD-LSTM在4个季度的24步风向预测的绝对平均误差（Mean Absolute Error, MAE）、均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）、平 均 绝 对 百 分 比 误 差 （Mean Absolute Percentage Error, MAPE）分别为8.430°、16.870°、9.155，且在每个季度不同时间尺度的各个误差评价指标均优于其他常见的数据建模方法。 结论 所提算法可满足风电场的实际生产中优化控制偏航角的要求。
2023, 10(1): 39-47.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.005
摘要:
目的 为了减少化石能源消耗和改善环境污染问题，海上风力发电是解决问题的有效方式之一。然而，海上风电存在间歇性强、波动性大、双向调峰性等问题，研究其出力特性曲线对海上风电消纳具有重要意义。 方法 提出一种基于贝叶斯信息准则的高斯混合聚类模型，对海上风电原始出力曲线进行分类和特征曲线提取。 结果 得到能够反映不同海风区域特点的海上风力特性曲线，并应用于海上风电出力的电量平衡计算。 结论 最后，以沿海某省份海上风电15 GW装机规模下不同海风区域原始海上风电出力曲线为研究对象，验证所提方法的有效性。
2023, 10(1): 48-56.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.006
摘要:
目的 桩靴基础是可移动自升式平台的关键基础结构，在其贯入过程中会排开大量土体。为保证可移动自升式平台在海上风电安装领域的安全应用，研究桩靴沉放过程中周围土体流动模式的演变规律，可靠评估桩靴的贯入阻力尤为重要。 方法 利用耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法，模拟了桩靴在常见海床地质条件（包括均质黏土、非均质黏土、砂土、“黏土-砂土-黏土”以及“黏土（硬）-砂土（软）-黏土（硬）”）下的安装沉放过程，分析了沉放贯入机理的差异性。 结果 仿真结果表明：桩靴沉放过程中，土体流动机制和桩靴贯入阻力与海床土强度特性密切相关，而桩靴与海床土界面的摩擦系数对桩靴贯入机理和贯入阻力影响不大。 结论 通过与现行设计规范计算结果对比，大变形有限元模拟和规范设计相结合的方法更应该被推荐应用于工程设计实践，以便为桩靴贯入过程中的穿刺风险评价和插桩深度预测提供更好的依据。
2023, 10(1): 57-63.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.007
摘要:
目的 海上风电机组基础与上部结构连接通常采用灌浆连接方式，保证灌浆连接段的安全性至关重要，灌浆连接段的研究一直是重点和难点。 方法 对过往海上风电灌浆连接段的相关力学研究进行综述，介绍了海上风电灌浆材料的基本力学性能，总结了灌浆连接段的受力机理和影响承载力的因素，并对现有规范设计和未来研究方向进行阐述。 结果 灌浆连接段对灌浆材料的使用要求严苛，需要使用高强灌浆料。在轴压作用下，灌浆连接段通常表现为斜压短柱的延性破坏模式，承载力主要受到灌浆连接段径向刚度、剪力键的高距比和形状、灌浆连接段长径比以及灌浆材料强度的影响。相关设计规范对极限承载力的设计均有明确的设计方法，但在疲劳设计方面研究较少，存在不完善的情况。 结论 因此，尚需进一步研究灌浆连接段浸没在水中的疲劳性能。同时，未来在试验研究上需要采用足尺或小缩尺的试件，在数值研究上需要采用精细化的数值模型进行分析。
2023, 10(1): 64-71.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.008
摘要:
目的 为了能够更加准确、快捷地预测海上大直径单桩的自沉深度，降低施工风险，分别采用了基于设计参数的方法和基于CPT原位测试的方法进行分析计算并根据现场实际施工数据进行初步分析。 方法 通过API推荐的桩基承载原理，利用现场沉桩数据，结合误差分析，将理论计算结果与实际沉桩数据进行比较，修正设计输入参数。 结果 分析结果表明：计算粘土的自沉与溜桩分析过程中，折减强度系数\begin{document}$ {S}_{\mathrm{r}} $\end{document} ![]()
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结论 通过对比分析，得到了广东沿海海域粘土强度折减系数\begin{document}$ {S}_{\mathrm{r}} $\end{document} ![]()
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2023, 10(1): 72-80.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.009
摘要:
目的 海上风机服役期间受到长期波流联合作用，极易发生局部冲刷，从而威胁到风机的整体稳定性和安全性。 方法 针对直径8.0 m风电基础开展了比尺1∶30的正态物理模型试验，对冲刷深度和砂被、固化土防护范围和防护效果进行了研究。 结果 结果表明，考虑水动力条件较好情况下，模型最大冲深为0.133 m，采用厚度1 cm拼合尺寸1.0 m×1.0 m砂被可以满足稳定性要求，采用固化土防护时需要防护范围不小于5倍桩直径，并需要在固化土边缘铺设块石避免固化土下部发生淘刷。 结论 试验结论可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。
2023, 10(1): 81-87.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.010
摘要:
目的 桩基础冲刷是海上风电场建设及维护期间面临的重要技术问题，浪、流等环境载荷作用下形成的冲刷坑会降低桩土结构的稳定性，对风机结构安全造成不可忽视的影响。 方法 采用CFD技术结合泥沙输运模型，针对稳流条件下，砂质海床上圆柱形单桩基础的冲刷问题进行数值模拟研究，通过对流动——冲刷非线性耦合问题的求解，观察了桩基础周围冲刷坑的发展过程，得到了冲刷坑深度的时变曲线。 结果 计算结果表明，冲刷坑深度在冲刷开始阶段迅速增加，随后冲刷速度逐渐变慢；在16 min的计算时间内，冲刷深度达到0.81倍桩径。 结论 根据冲刷深度的变化情况，认为对于处于砂质海床区域内的风电场，应当在基础施工期间考虑冲刷防护，通过增加防护结构等方法避免冲刷坑的出现和扩展。
2023, 10(1): 88-97.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.011
摘要:
目的 研究海上风电场风电机组水下基础部分受潮流及波浪影响对其周边海底地形发生的影响。 方法 通过两次海底地形调查，对海底地形变化进行比较。 结果 研究表明：海上风电机组水下基础的冲刷主要发生在当地潮流方向上，建设初期会形成较深的冲刷坑，2年后出现冲刷槽，形成冲刷槽后桩基础周边会出现小幅度淤积。 结论 长期进行海洋风电机组基础侵蚀监测，有助于了解侵蚀范围、深度的变化，进行水文调查将有助于建立海洋水动力模型，进而对风电机组基础侵蚀进行预测。应进行抛石、固化土等措施进行侵蚀填充，延缓侵蚀发生。
2023, 10(1): 98-104.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.012
摘要:
目的 针对目前吸力桶基础设计与施工技术还未成熟，缺乏规范性指导文件的现状，对吸力桶施工过程控制关键技术展开专题研究。 方法 以某海上风电场导向架平台基础工程为背景，以实测数据为基础，采用统计分析、数据挖掘、过程回溯反演的方法与技术手段。 结果 详细介绍了吸力桶基础成套安装设备与智能化、数字化控制系统的构成与功能；探讨了导向架吸力桶基础施工过程中的控制参数与控制标准；归纳总结吸力桶贯入/顶升可行性分析计算工况与参数取值方法；提出吸力桶从入泥沉贯到顶升回收全过程每一环节的控制要点与控制方法。 结论 最后以7个四桩导向架吸力桶基础的施工实测数据，说明吸力桶基础施工过程中控制参数的变化特征与控制效果，以供类似吸力桶平台基础设计施工时参考。
2023, 10(1): 105-111.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.013
摘要:
目的 近年来我国投运了大量的海上升压站，积累了丰富的海上升压站建造和运行经验，综合这些经验发现当前海上升压站的设计存在运行模式分析较为简单、重要设备间空调电源为一般负荷、海上升压站“无人值守”设计理念并不符合实际，在环保要求方面考虑不周全等问题，海上升压站设计仍有新的优化空间。 方法 主要分析了近年若干海上风电场在建造和运行阶段出现的经验反馈，对比分析国内外主要海上升压站设计规范。 结果 对海上升压站的运行模式分析、重要设备间暖通空调负荷分级、海上升压站人员值守形式和环保要求方面提出了设计优化建议。 结论 海上升压站的设计优化建议可为后续新的海上升压站设计提供参考。
2023, 10(1): 112-117.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.014
摘要:
目的 随着海洋经济的发展，越来越多海上风电送出、海上油气平台的供电、岛屿联网供电项目涉及海底电缆的敷设。目前主要的敷设保护方式为直埋敷设，但不考虑经济性的埋深设计显然是不合理的。为了能有效地保护海底电缆，又能合理控制投资，需要在项目开发阶段就确定海缆的合理埋设深度。因此，在缺乏足够的设计输入资料的情况下，文章提出了一种简化的船锚入土深度计算方法，为项目前期确定敷设保护方案提供依据。 方法 将船锚入土过程分成三个阶段建立数学模型，并对船锚入土过程进行了一系列边界条件假设。在此基础上，基于能量法对各个阶段船锚运动过程进行力学模型分析和推导，提出了考虑海底基质剪切破坏的船锚入土深度简化计算方法。通过将该方法的计算值与不同情况下的实测值进行对比分析，探讨该计算方法的适用性及适用范围。 结果 通过该简化方法计算值与实测结果比较分析表明，该计算方法适用于抗剪强度大于20 kPa的粘土的情况下计算船锚入土深度，且该方法的计算误差在可接受范围内。 结论 从计算结果对比分析可以看出，该简化计算方法对工程实践应用具有指导意义，但该方法还有待在实践中积累不同实测数据进行验证和拟合修正，并结合经验法和概率法进行分析，为海底电缆敷设保护提供设计依据。
2023, 10(1): 118-123.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.015
摘要:
目的 以江苏启东某海上风电场建设项目为工程背景，开展海底电缆铺设过程中的力学特性数值模拟研究，分析不同挖沟深度的工况下海缆悬跨段的局部应力分布情况。 方法 基于ABAQUS数值模拟软件，建立海底电缆埋设数值模型。 结果 研究结果显示：海底电缆后缘提升点在埋设过程中的应力相较于埋设作业前显著增大，该位置的缆线在整个埋设过程中受力最大，是最危险的位置；挖沟深度对海底电缆后缘提升点处的应力有显著影响，随着挖沟深度的增加，后缘提升点处的应力相应增大。 结论 海底电缆铺设作业中应加强保护抬升点处的缆线材料，缆线的屈服应力参数选取应着重参考埋设作业中缆线的受力分析结果。研究成果可为海底电缆铺设作业提供参考依据。
2023, 10(1): 124-132.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.016
摘要:
目的 当前地勘工作特别是岩土勘察存在较大的经验性和盲目性，缺乏对土样扰动和测试结果的评估。为此，需对海洋岩土勘察技术进行深入研究。 方法 通过研究国内外海洋地勘技术结合多年不同海域工作经验，提出一种基于一致性原则的海洋精准地勘新方法。新方法在岩土勘察部分主要包括两个基本环节：（1）土样扰动综合评估；（2）土体强度测试结果的一致性综合评估。 结果 土工、物探和地质模型立体交叉一致性分析构建了精准地勘体系。多个海工项目实例证明，新技术能通过黏土土样扰动综合评价对各种获取方法和数据去芜存菁，采用室内土工试验和原位测试相结合，常规和高级土工试验相结合的方式对各种数据进行一致性分析、获得钻孔处更丰富更连续的数据。与传统的单一土工测试相比，数据的可靠性和精准性得到了提高，并弥补了样品取样点间的数据缺失。 结论 所提新方法正确且有效，可以提高地勘数据应用，降低勘察成本，并为包括海上风电在内的海工项目提供更多更可靠的岩土参数。
2023, 10(1): 133-138.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.017
摘要:
目的 研究海上柔性直流送出系统的造价构成及造价水平，为海上柔性直流送出系统的造价管控提供有益的探索。 方法 收集目前已开展的海上柔性直流送出系统设计及造价相关数据，采用统计分析法、费用构成法以及对比分析法等对海上柔性直流送出系统涉及的各项费用进行分析。 结果 给出了海上柔性直流送出系统典型方案的单位容量投资水平以及投资构成，提出了海上柔性直流送出系统造价水平控制的关键因素和要点。 结论 海上柔性直流送出系统的单位容量投资为3 750～4 600元/kW。费用构成比例从高到低依次为设备购置费、建筑工程费、其他费用和安装工程费；系统构成比例从高到低依次为海上换流站、海缆、陆上换流站和其他部分。与陆上柔性直流送出系统对比，总体差异在1.3～1.6倍。
2023, 10(1): 139-145.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.018
摘要:
目的 为了响应国家集约用海，发展清洁能源，助力碳中和，对海上风电-波浪能装置多能融合模式进行初步分析，对波能浮子进行优化设计，以获得更高的功率输出。 方法 依据势流理论，对漂浮式风机平台-波能浮子阵列进行仿真计算，分析浮子的外形尺寸和固有周期对浮子的输出功率的影响。 结果 仿真结果表明：同一固有周期下，波能浮子越扁平，波能浮子阵列的总发电功率越大，且浮子的经济性差异很小。对于海况下，不同固有周期的波能浮子阵列经济性差异较大，因此要综合分析考虑。 结论 在已知海域海况条件下，可以通过对波能浮子固有周期和外形尺度进行优化设计，使波能浮子获得更高的功率输出，提高单位海域能量产出。
2023, 10(1): 146-153.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.019
摘要:
目的 为改进半直驱风电系统的故障电压穿越（Flexible Fault Ride Through, FFRT）能力，提出采用电网故障时无功优先的改进网侧控制策略。 方法 在分析传统网侧控制策略的基础上，根据最新的故障电压穿越能力测试规程在传统网侧控制加入无功优先控制，在电网暂态故障期间优先向电网注入无功电流支撑电网电压恢复。根据改进网侧控制策略，对电网深度跌落和升高时采用卸荷电路结合改进网侧控制策略实现了风电机组的FFRT仿真运行，结合某项目6 MW半直驱风电机组，采用移动故障电压穿越测试设备进行故障电压现场测试。 结果 测试和仿真结果表明，改进网侧控制策略可提升半直驱风电系统的FFRT运行，无功电流稳定控制。 结论 改进网侧控制策略可在多种对称低电压/高电压故障工况和不对称高电压故障工况下优先向电网注入对应的稳定无功电流，有利于辅助电网电压恢复和提升半直驱风电系统的FFRT能力。
2023, 10(1): 154-159.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.01.020
摘要:
目的 针对某型永磁直驱风力发电机组机舱几何外形不规则，受载荷复杂、重量较大的情况，需对其进行优化分析与设计。 方法 基于有限元方法，建立了机舱的有限元模型，分析了弯头形机舱的几何结构和主要形状影响参数，并基于分析结果对参数进行优化调整与复核计算。 结果 优化后的机舱最大von Mises应力由181 MPa减小到173 MPa，应力降低了4.4%，满足强度要求，重量由52.7 t减小到45.2 t，重量减少了约14.2%。 结论 研究表明，优化效果明显，为风电机组此类机舱设计与优化方法提供了借鉴和参考。
