《Regional Studies in Marine Science》：Control to structure pathways in the upstream TetraSpar floating wind turbine
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漂浮式海上风电涡轮单机动态控制策略研究显示，采用动态诱导控制（DIC）会显著增加平台塔基结构疲劳（12%-21%），而动态个体桨距控制（DIPC）通过调制桨距相位改变实现更优的疲劳分配（塔基降低2%，叶片根提高13%-22%）。研究结合FAST-AQWA耦合仿真，通过频率域诊断和时间域载荷分析，揭示了控制策略与平台运动-载荷耦合机制，为漂浮式风电场结构设计提供关键参数参考。
莫萨拉雷扎·肖卡蒂（Moosarreza Shokati）| 李桑（Sang Lee）
韩国科学技术院（KAIST）航空航天工程系，大田，34141，韩国
摘要
尽管主动尾流控制策略有潜力提升海上风力发电场的整体性能，但相关研究仍较为有限。本研究探讨了单个上游风力涡轮机的局部结构响应和运动特性。在现实条件下，使用FAST–to-AQWA耦合方法对安装在TetraSpar浮式平台上的DTU 10 MW涡轮机进行了完全耦合的气动-水力-伺服-弹性仿真。研究了两种基于叶片俯仰的动态控制策略：动态感应控制（DIC）和动态单独俯仰控制（DIPC），包括一阶和二阶方案。仿真结合了频域诊断和时域载荷指标，揭示了控制-运动-载荷之间的耦合机制。DIC产生的轴对称低频推力振荡会显著影响平台的俯仰、纵摇和升沉，并大幅增加塔基疲劳（最多增加约12%–21%）。DIPC将1P载荷重新分配到振幅调制侧带中，导致叶片根部疲劳增加（最多增加约13%–22%），同时减轻塔基疲劳（最多减少2%）；二阶DIPC相比一阶DIPC平均进一步增加叶片根部疲劳约1%，但能略微减轻塔基载荷。这些结果明确了不同策略之间的权衡关系，表明在进行实际部署前必须进行严格的上游结构评估。对于TetraSpar DTU 10 MW系统而言，当塔体耐久性至关重要时，DIPC是更为平衡的选择。
引言
海上浮动风力涡轮机（FOWTs）能够在深水区域利用强劲且稳定的风能资源，而这些区域通常无法建设固定基础。通过海上部署，涡轮机可以减少噪音和视觉干扰，并因避开地形起伏和表面障碍物而获得更强劲、更稳定的风速。虽然浮式平台会引入额外的水动力效应[1]，但这种减少的大气湍流可以降低空气动力载荷的波动，从而减少组件的疲劳相关应力循环。然而，FOWTs引入了六自由度（DOF）的复杂动态耦合，其中空气动力、水动力和控制作用共同作用于多体支撑系统。全面捕捉这种耦合的气动-水力-伺服-弹性行为对于未来大规模浮动风电场的效率、稳定性和可靠性至关重要。
一个典型的浮动设计是Stiesdal公司专利的TetraSpar概念[2]，该设计通过悬挂配重来降低重心并实现模块化建造。Borg[3]指出，这种多体配置提高了稳定性，但也引入了影响涡轮机性能的新动态相互作用。对这些系统的数值建模需要使用完全耦合的工具。Yang等人[4]开发了FAST-to-AQWA（F2A）框架，将非线性水动力学与气动-伺服-弹性模型相结合，并通过OpenFAST进行了验证。最近，Keflemariam和Lee[5]将F2A应用于TetraSpar浮式平台上的DTU 10 MW涡轮机，证实了其对自由衰减和运行响应的准确再现。图1展示了本研究中研究的DTU 10 MW TetraSpar系统。
浮动风电场面临的一个主要挑战是尾流相互作用。尾流会降低下游风速、增加湍流并提高疲劳载荷，导致发电场整体功率损失10%–20%[6]。Lee等人[7]发现，位于上游尾流中的下游浮式涡轮机叶片根部疲劳载荷增加了约45%。这些研究表明，在浮式平台上，尾流引起的负面影响会被放大。
主动尾流控制逐渐成为解决方案。传统的静态控制方法包括偏航转向[8]和轴向感应降额[9]，但它们都存在局限性。偏航转向会增加结构载荷，而稳态降额的恢复效果有限。动态控制策略则通过调节涡轮机推力来加速尾流混合。
两种主要的动态控制方法是动态感应控制（DIC）和动态单独俯仰控制（DIPC，也称为螺旋控制）。DIC通过周期性俯仰或扭矩调节来改变总推力。Munters和Meyers[10]在大涡模拟中展示了最高20%的发电场功率提升，随后Muscari[11]通过数值验证，Frederik等人[12]通过实验也得到了类似结果。然而，Coquelet等人[13]发现，这种控制方法会带来显著的结构载荷增加。相比之下，DIPC通过在叶片上施加正弦相位差的俯仰振荡来改变推力矢量，Fleming等人[14]证明这种方法可以在减少载荷的同时有效引导尾流。Coquelet等人[8]还指出，DIPC的方向和更高阶谐波对尾流混合效率有显著影响。
对于浮动涡轮机而言，尾流与运动的耦合使这些控制策略变得更加复杂。Van den Broek等人[15]通过伴随控制表明DIC可以提高能量产出。Van den Berg等人[16]强调了推力变化的频率依赖性阻尼效应，另一项研究[17]发现DIPC与运动的相互作用有助于改善尾流恢复。这些发现表明，DIC和DIPC不仅改变了尾流特性，还以不同的方式与浮式平台动态相互作用。
尽管近期已有研究将尾流控制概念应用于浮动涡轮机，但关于DIC和DIPC如何影响平台运动和结构载荷的耦合机制仍不完整。此外，大多数尾流控制研究要么集中在固定底部的涡轮机上，要么仅关注尾流恢复效果。本文通过将这两种策略应用于TetraSpar浮式平台上的DTU 10 MW涡轮机，填补了这一研究空白。模拟了包括贪婪控制（Greedy）、DIC以及一阶和二阶DIPC在内的十种典型控制器方案，在实际运行风速和波浪条件下进行了验证。分析重点关注（i）频域诊断以识别控制引起的结构激励路径，（ii）叶片根部和塔基的疲劳量化，以及（iii）激励幅度和环境条件的敏感性。研究结果主要关注上游涡轮机的动态和疲劳响应，而风电场规模的尾流恢复效果留待后续研究。
方法论
本节概述了本研究采用的建模框架、仿真设置和控制配置。这些要素共同为评估动态尾流控制对DTU 10 MW TetraSpar系统的影响提供了统一的基础。
结果与讨论
本节展示了F2A仿真结果，分析了不同控制策略对浮动风力涡轮机功率产出、平台动态和疲劳相关结构载荷的影响。与之前的研究一致，所有主动控制方案的平均功率均低于贪婪控制（Greedy，C-0）。图9总结了各种控制方案下的功率表现。与早期研究结果[12]一致，较大的激励幅度会降低上游涡轮机的功率输出。
结论
本研究采用完全耦合的FAST–AQWA（F2A）框架，评估了两种主动控制策略（DIC：集体周期性俯仰调节；DIPC：一阶和二阶单独俯仰调节）对安装在TetraSpar平台上的DTU 10 MW涡轮机性能的影响。通过结合频域诊断和疲劳相关的寿命损伤计算，分析揭示了控制-运动-载荷之间的耦合机制。
限制与展望
解释研究结果时应注意本研究的局限性。仿真仅针对单个上游涡轮机模型进行，因此无法模拟下游尾流演变或多涡轮机之间的相互作用。尽管F2A框架能够模拟单个涡轮机的空气动力-水力-伺服-弹性耦合，但风电场规模的尾流恢复以及下游机组之间的功率和疲劳重新分配需要专门的尾流解析模型。
作者贡献声明
莫萨拉雷扎·肖卡蒂（Moosarreza Shokati）：负责撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据分析及概念构思。李桑（Sang Lee）：负责审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法论制定、资金获取及概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能的利益冲突：李桑表示获得了韩国科学技术院（KAIST）、韩国基础设施技术促进机构（KAIA）和韩国国土交通部（Ministry of Land Infrastructure and Transport）的财务支持。如有其他作者，他们也分别声明了相应的支持情况。
致谢
本研究得到了韩国基础设施技术促进机构（KAIA）的支持，该机构由韩国国土交通部（Ministry of Land, Infrastructure and Transport）资助（资助编号：RS-2022-00143965）。
