Marine Wind Environment Prediction and Dynamic Response of Floating OffshoreWind Turbine System

风能作为一种技术成熟、可靠性高的清洁能源，在全世界范围内得到广泛的关注与重视。近三十年以来，海上风电蓬勃发展，全球各国特别是欧洲国家已建成不少近海海上风力发电场，但开发成本较传统能源依旧十分昂贵。当前，大容量风力机的研发与应用以及采用漂浮式支撑基础的深水风电场是研究的热点与前沿，如何权衡风力机系统整体运行的安全与风电场开发成本是工程界和学术界共同关注的核心课题。为此，本文围绕海上风电场这一课题，针对实际工程前期设计和后期运营遇到的难点，在海上风电场短期风速预报、热带气旋极值风速估计、风浪联合作用下风力机系统整机动力响应以及漂浮式风力机系统初步概念设计这四个方面开展了相关工作。 本文对71年间（1945-2015）西北太平洋地区热带气旋数据进行整理，为探究热带气旋活动的变化趋势以及进一步给出相关海域的极值风速估计做好准备。同时，搜集了两组不同时间间隔的海上风电场实测风速数据，详实可靠的实测数据是开展风环境预报工作的必备条件。 在多尺度海洋风环境预报领域，分别开展了海上风电场短期风速预报和长期极值风速估计工作。基于时间序列分析方法，针对东海大桥风电场，通过分析实测风速数据，指出其短期风速序列的内在特性。在此基础上，定量对比了不同时间序列模型的预报精度，从而提出了适用于东海大桥风电场的短期风速预报模型。通过分析西北太平洋以及东海海域热带气旋活动的历史变化趋势以及空间分布规律，发现其在时间上呈现非平稳特性，在空间上呈现非均匀特性。进而采用非平稳极值风速预报理论，给出了东海海域及其子区域在不同重现期下的极值风速。 在漂浮式风力机系统动力响应领域，对一款开源计算程序进行二次开发，建立了漂浮式风力机系统全尺度动力学响应的计算力学模型。针对各类风浪联合作用下的海洋环境，特别是来流风向与波浪主方向存在夹角时的复杂海况，计算了典型立柱式风力机系统六个运动模态（纵荡、纵摇、横荡、横摇、垂荡、艏摇）的动力响应，揭示了在风波夹角变化的情况下，立柱式风力机的动力响应在时域内的变化规律和频域内响应功率谱的分布情况。 基于数值模拟方法，分别计算了采用两种典型浮式支撑基础（立柱式与半潜式）的风力机系统的整体动力响应，并对比分析了这两类浮式风力机系统各自动力响应的特点。在此基础上，结合两者结构特征，提出了一种新型漂浮式支撑基础的概念设计。研究了该系统纵摇、纵荡、升沉运动模态的动力响应随结构主要参数变化的规律，为进一步开发其他新型浮式支撑结构提供参考。