一种用于海上风力涡轮机的实时混合测试策略，该策略在风-波浪-地震载荷条件下运行，并采用频率解耦的风载荷模拟器进行测试

《Ocean Engineering》：A real-time hybrid testing strategy for offshore wind turbines under wind–wave–earthquake loads using a frequency-decoupled wind load simulator

针对深海风电涡轮机在风-浪-地震耦合载荷下的测试难题，提出风荷载模拟器（WLS）系统，通过电磁激振器与重力驱动质量系统解耦高频与静态风荷载，解决弗劳德-雷诺数缩放冲突，实验验证其力跟踪精度达37%-45.4%，模态误差4.06%-4.71%，有效支撑实时混合试验

　　

田英鹏|徐颖|左俊帆|肖凌峰|王涛

中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨，150080，中国

摘要

随着海上风力涡轮机向深海环境的扩展，需要在风、波浪和地震载荷的联合作用下进行严格的测试。实时混合测试（RTHT）为评估这些多灾害相互作用提供了一种有效的方法。为了解决传统物理建模中固有的弗劳德-雷诺斯尺度冲突问题，本研究提出了一种新型的风载荷模拟器（WLS）系统，该系统通过物理频率解耦设计来分离空气动力载荷：一种波动风载荷模拟器（FWLS），采用具有改进的三变量控制（ITVC）的电磁振动台来模拟高频分量；以及一种平均风载荷模拟器（AWLS），利用重力驱动的质量-滑轮系统来模拟静态载荷。该系统采用双环控制并添加了额外的阻尼补偿，以解决宽带信号再现问题，并减轻由高频噪声和执行器延迟引起的负阻尼效应。对1/10比例模型的全面评估表明，所提出的风载荷模拟器（WLS）在仅风载荷、风-波浪载荷和多灾害条件下的力跟踪均方根误差（RMSE）在37.0%到45.40%之间（0–20 Hz），第一模态相对误差（RE）为4.06%到4.71%。这些结果证实了WLS在合理再现结构动态响应方面的有效性。该控制框架在各种场景下也表现出一致稳定性和鲁棒性，验证了其在复杂环境中的适用性。

引言

海上风能已成为全球可再生能源战略的基石，在实现碳中和和促进向可持续能源系统过渡方面发挥着关键作用（Esteban等人，2011；Musial等人，2016；Keivanpour等人，2017）。随着风能开发向更深水域扩展，海上风力涡轮机（OWTs）的规模也在扩大，因此它们承受的环境载荷变得越来越复杂，包括风、波浪和地震作用，这些作用表现出强烈的非线性、宽频率范围和动态耦合效应（Perveen等人，2014；Anaya-Lara等人，2018）。这些多灾害相互作用对OWTs支撑结构（包括单桩、导管架和浮动平台）的动态响应分析和安全设计提出了重大挑战。

准确评估海上风力涡轮机（OWTs）在风、波浪和地震联合条件下的动态行为仍然是海上工程研究中的一个核心挑战。近年来，该领域的研究主要依赖于数值模拟方法。尽管在捕捉多灾害耦合场景中难以再现的各种非线性因素（如流体-结构相互作用和土壤-基础动力学）方面取得了显著进展（Zhong和Yuan，2025；Wang等人，2025；Tan等人，2025），但这些数值模型仍需要实验验证以确保其可靠性和准确性。为了解决这一差距，引入了混合测试的概念，将数值模拟与物理子结构测试相结合（Deng等人，2025；Lin等人，2025）。然而，大多数这些方法仍处于概念阶段或以数值为导向，实际应用于全多灾害实验设置的情况有限。现有的大多数OWT测试使用振动台进行，这些振动台要么忽略风场效应，要么仅结合波浪耦合；真正集成风、波浪和地震激励的多灾害测试仍然相对罕见。这种稀缺主要是由于传统物理测试大规模OWT结构的固有困难，这些测试通常成本高昂且技术要求高。此外，小尺度建模引入了不可避免的尺度冲突，特别是弗劳德-雷诺斯差异，这复杂化了流体动力学和空气动力学现象的同时模拟（Campagnolo，2013；Canet等人，2018）。尽管弗劳德尺度在波浪水池测试中被广泛采用以保持重力主导的流体行为，但它无法保持雷诺斯相似性，导致粘性效应失真——这对风轮机来说是一个关键缺陷，因为风轮机的空气动力学对雷诺数效应非常敏感。

为了克服这些限制，实时混合测试（RTHT）作为一种有效方法应运而生（Nakashima等人，1992）。这种方法结合了对关键子结构的物理测试和对剩余组件的实时数值模拟，从而能够在复杂载荷条件下更全面地评估结构性能。先前的研究（Sauder等人，2016；Chabaud等人，2018；Hall等人，2018；Thys等人，2018；Song等人，2020）通过采用塔架作为物理子结构来实施RTHT，同时通过机器人系统或力控制执行器数值模拟空气动力载荷。例如，已经开发了电缆驱动的平行机器人（Chabaud等人，2018）、转子坐标变换系统（Hall等人，2018；Thys等人，2018）和力控制执行器（Song等人，2020）来施加界面力。最近的进展（Tian等人，2022（a）引入了一种振动台子结构测试框架，其中只有风力涡轮机塔架的下部固定在振动台上，一种新型的边界加载装置控制两个质量在边界表面实现同时弯曲和剪切平衡。尽管如此，由于传统位移控制执行器的高固有阻抗（Nachtigal和Martin，1990）、执行器与试样之间的动态相互作用以及持续存在的问题（如时间延迟和信号噪声），准确的力控制仍然具有挑战性。Conrad和Jensen（Conrad和Jensen，1989）认识到，在结构的自然频率下，没有速度前馈的闭环动态力控制是无效的。Dimig（Dimig等人，1999）和Shield（Shield等人，2001）在开发有效力方法时也发现了这一点，他们加入了额外的速度反馈回路以克服控制-结构相互作用。

为了提高RTHT系统中的力跟踪精度，已经开发了几种先进策略。Sivaselvan（Sivaselvan等人，2008）在执行器和结构之间引入了合规弹簧接口，以改善位移驱动执行器的力控制。该方法使用比例-积分-微分（PID）控制下的内部闭环位移反馈，而外部控制回路根据弹簧刚度将目标力指令转换为位移信号。类似地，Chae（Chae等人，2017）将合规弹簧与自适应时间序列（ATS）补偿器结合使用，以实现高保真力驱动。Stefanaki和Sivaselvan（2018）提出了一种前馈控制，用于设计主动质量阻尼器（AMD），以匹配数值子结构的阻抗。Verma（Verma等人，2019）进一步改进了这种方法，将AMD控制器与子结构的传递函数结合，模拟基于模型的前馈策略。在另一种方法中，Nakata（Nakata和Stehman，2012）使用受控质量来再现数值和物理子系统之间的边界力。首先将力转换为质量的绝对加速度，然后转换为相对加速度以计算执行器位移。尽管这种方法在模拟中显示出概念上的有效性，但由于时间延迟引起的误差积累和负阻尼，实际实施仍面临挑战。最近，Tian（Tian等人，2022b）引入了一种多自由度边界协调装置，能够同时施加剪切和弯曲力矩，并结合误差响应负反馈补偿来减轻载荷不准确性。

为了解决这些挑战，本研究首先介绍了风载荷的简化动态加载策略。然后提出并介绍了一种新型的风载荷模拟器（WLS）系统，包括机械配置、功能建模和动力学公式。提出了一种双环控制方案，以提高带宽并抑制由不完美加载引起的负阻尼效应。通过在1/10比例OWT模型上进行的一系列实时混合测试，验证了该系统的有效性，证明了其在宽频率范围内准确跟踪目标风载荷并有效再现结构动态响应的能力，同时定量确定了性能边界。

章节摘录

多灾害模拟挑战和简化的风载荷模拟策略

对于传统的OWT缩比模型测试，多灾害测试中的一个基本挑战源于弗劳德相似律和雷诺斯相似律之间的冲突要求。前者支配重力主导的现象（例如，波浪传播和惯性力），而后者控制粘性主导的空气动力行为。同时满足这两个要求在物理上是不可行的：弗劳德尺度要求$S_t=\sqrt{S_L}$，而雷诺斯尺度要求$S_t=S_L^2$。对于

机械配置

为了模拟风电场中风力涡轮机机舱和转子-电机-叶片系统的顺风动态，开发了一种风载荷模拟器（WLS）。所提出的WLS的典型机械配置如图2所示，包括两个主要部分：波动风载荷模拟器（FWLS）和平均风载荷模拟器（AWLS）。FWLS使用电磁振动台，该振动台改编自边界协调装置（Tian等人，2024），以生成相应的波动力

硬件框架

本研究使用振动台测试系统来研究在风、波浪和地震载荷联合作用下的海上风力涡轮机（OWTs）。集成实验平台包括三个相互独立的子系统：（1）水下振动台，（2）波浪发生器和（3）WLS子系统。

如图6（a）和（b）所示，WLS子系统集成了来自中国地震局工程力学研究所的定制边界协调装置的振动台

原型和缩比模型

本研究考虑的原型是4兆瓦的海上风力涡轮机（OWT），型号为SWT-4.0-130，其转子半径为61.573米，额定旋转速度为13转/分钟，如图9（a）所示。该结构系统包括四个主要组成部分：（1）转子-机舱组件（RNA），（2）涡轮机塔架，（3）水下子结构，以及（4）桶形基础。轮毂、叶片和机舱的总质量为257.78吨，轮毂位于海平面以上80米处

实验结果和验证

在进行多灾害联合测试之前，进行了初步测试以验证所提出的动态加载策略的有效性。水的存在为OWT结构增加了显著的额外质量，这必须通过实验进行量化。此外，地震载荷可能会引起土壤液化——这是非线性的一个主要来源。为了清晰地评估动态加载策略，排除了波浪和地震载荷的干扰

结论

本研究开发了一种新型的风载荷模拟器（WLS），用于在振动台测试中模拟海上风力涡轮机（OWTs）的实际风载荷。WLS由两个关键子系统组成：一种波动风载荷模拟器（FWLS），使用电磁振动台来再现高频风分量；以及一种平均风载荷模拟器（AWLS），利用重力驱动的质量系统来施加静态平均风载荷。为了解决宽带信号再现等相关挑战

CRediT作者贡献声明

田英鹏：撰写——原始草稿，验证，项目管理，方法论，资金获取，概念化。徐颖：资源，概念化。左俊帆：调查，数据管理。肖凌峰：验证，资源。王涛：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。

利益冲突声明

我们声明我们与其他个人或组织没有财务和个人关系，这些关系可能会不恰当地影响我们的工作；我们对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他个人利益，这些利益可能会影响所呈现的观点或对手稿“使用频率解耦风的海上风力涡轮机在风-波浪-地震载荷下的实时混合测试策略”的评审

致谢

本研究得到了中国地震局工程力学研究所的科学研究基金（资助编号：2023D05、国家自然科学基金（资助编号：52408341、国家自然科学基金（资助编号：52478541、国家地震工程科学中心自主基金（资助编号：2025ZZB2001）和中国博士后科学基金（资助编号：2023M742001的财政支持。作者衷心感谢国家