[發明專利]一種海上風機支撐結構整體化降本優化設計方法

有效

• 申請號: 202110462452.1
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113239483B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 周昳鳴;郭小江;李衛東;陳曉路;王秋明;劉溟江;姚中原;黃和龍;劉鑫;閆姝;張波
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司;華能海上風電科學技術研究有限公司;華能國際電力江蘇能源開發有限公司清潔能源分公司;中國華能集團有限公司南方分公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明公開一種海上風機支撐結構整體化降本優化設計方法，在已給出全場設計的情況下，進行降本優化設計給出實施流程和技術手段，根據實際項目已有設計控制因素，采用①選用合適機位點及其風參、水深、地勘參數、②一體化載荷、③優化控制策略、④提高阻尼比、⑤阻尼器、⑥采用新型射釘連接、⑦泥面累積變形算法、⑧大直徑樁土效應、⑨調整塔架構型、⑩調整塔架、基礎直徑和根開、放開頻率范圍至1P和3P控制、地勘參數精細化處理、增大徑厚比、縮短樁長等多種技術手段進行針對性的改進和迭代設計，能站在尋找全局最優設計進行機組?控制?塔架?基礎一體化設計，可以有效降低支撐結構設計載荷，減少支撐結構造價，降低海上風電度電成本。

技術領域

本發明屬于海上風力發電機組支撐結構設計技術領域，特別涉及一種海上風機支撐結構整體化降本優化設計方法。

背景技術

海上風電資源儲量豐富，規模潛力大，電能品質較優，靠近負荷中心，近海水深5～25m和25～50m海域內100m高度風能資源技術開發量分別為2.1億kW和1.9億kW，可作為承載我國能源結構轉型的重要戰略支撐之一。然而，海上風電發展面臨降本壓力，距離平價有較大距離。從目前來看，現有海上風電產品及技術實現平價難度大，新增招標增量有限，新增裝機量下降。這要求整個行業打破技術壁壘，實現產業鏈協同，將實際項目的工程經驗加快技術創新，最終達到實現海上風電平價上網的目的。

海上風電投資總成本中，風機支撐結構(包括塔架和基礎)約占22％左右，降低海上風電支撐結構成本能夠有效降低度電成本。當前海上風電項目中，在招主機標時會對風機廠商提供的基礎頂載荷和塔架質量進行評分，在招設計標時很少對設計院提供的基礎質量進行評分；標后詳細設計階段時風機廠商和設計院依次分別對塔架和基礎進行優化設計。在此過程中，風機廠商與設計院沒有采用一體化試驗設計方法，因此在實際工程項目中出現了塔架很輕，基礎卻很重；整體支撐結構頻率下限由非1P、3P頻率決定的載荷適用頻率范圍控制；塔架分段都是錐段設計，導致設計院需要加粗單樁直徑來補償頻率達到下限要求等現象。這都造成了業主需要付出更多不必要的成本。

2012年，Rad Haghi等人對西門子海上SWT3.6-107機型的塔架和單樁基礎的壁厚同時進行優化，以整體支撐結構的質量最小為目標函數，以結構的局部和整體屈曲、頻率和疲勞損傷為約束，最終達到了12.1％的減重成果。2012年，T.Fischer等人在德國北海某項目中以降低支撐結構氣動載荷為目標函數，通過優化控制策略降低支撐結構疲勞載荷，使整體支撐結構減重9％。2017年，Theo Gentils等人采用有限元方法對支撐結構進行分析，研究結果表明疲勞和頻率是主要的控制約束，通過遺傳算法對支撐結構的幾何參數進行優化可以達到減重19.8％的成果。

也有科研人員從結構角度更利于進行優化設計。2014年，趙向前等人提出在機組與基礎一體化設計中，從整體設計、優化控制策略、優化葉片和放寬頻率約束開展工作，有望實現10％的成本降低。2016年，張博等人研究了海上風機一體化載荷仿真方法，對比了半一體化和一體化載荷仿真的差異，通過設計案例驗證了一體化載荷仿真方法可以有效優化基礎設計，降低風電場造價。2019年，田德等人考慮基礎對極限設計載荷的影響，在考慮基礎柔性條件下以最小化結構重量為目標對某5MW近海單樁式風電機組支撐結構進行優化，總體重量降低了7.14％。2019年，周昳鳴等人對比了整體優化設計方法與分步迭代設計方法的流程和優化列式，把設計域擴大到整體支撐結構尋找全局最優的設計。

但是，以上研究工作沒有針對國內海上風電行業的分工綜合了環境參數精細化處理，機組-控制-塔架-基礎一體化設計，標準規范參數改進形成系統性方案。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于代理模型的海上風機支撐結構優化設計方法，滿足并完成對工程項目降本創新和成果申報的需求，突破海上風機-塔架-基礎一體化優化設計技術，解決了支撐結構分割孤立設計的難題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種海上風機支撐結構整體化降本優化設計方法，包括以下步驟：