[发明专利]一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法

说明书

本发明公开一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，在已给出全场设计的情况下，进行降本优化设计给出实施流程和技术手段，根据实际项目已有设计控制因素，采用①选用合适机位点及其风参、水深、地勘参数、②一体化载荷、③优化控制策略、④提高阻尼比、⑤阻尼器、⑥采用新型射钉连接、⑦泥面累积变形算法、⑧大直径桩土效应、⑨调整塔架构型、⑩调整塔架、基础直径和根开、放开频率范围至1P和3P控制、地勘参数精细化处理、增大径厚比、缩短桩长等多种技术手段进行针对性的改进和迭代设计，能站在寻找全局最优设计进行机组‑控制‑塔架‑基础一体化设计，可以有效降低支撑结构设计载荷，减少支撑结构造价，降低海上风电度电成本。

技术领域

本发明属于海上风力发电机组支撑结构设计技术领域，特别涉及一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法。

背景技术

海上风电资源储量丰富，规模潜力大，电能品质较优，靠近负荷中心，近海水深5～25m和25～50m海域内100m高度风能资源技术开发量分别为2.1亿kW和1.9亿kW，可作为承载我国能源结构转型的重要战略支撑之一。然而，海上风电发展面临降本压力，距离平价有较大距离。从目前来看，现有海上风电产品及技术实现平价难度大，新增招标增量有限，新增装机量下降。这要求整个行业打破技术壁垒，实现产业链协同，将实际项目的工程经验加快技术创新，最终达到实现海上风电平价上网的目的。

海上风电投资总成本中，风机支撑结构(包括塔架和基础)约占22％左右，降低海上风电支撑结构成本能够有效降低度电成本。当前海上风电项目中，在招主机标时会对风机厂商提供的基础顶载荷和塔架质量进行评分，在招设计标时很少对设计院提供的基础质量进行评分；标后详细设计阶段时风机厂商和设计院依次分别对塔架和基础进行优化设计。在此过程中，风机厂商与设计院没有采用一体化试验设计方法，因此在实际工程项目中出现了塔架很轻，基础却很重；整体支撑结构频率下限由非1P、3P频率决定的载荷适用频率范围控制；塔架分段都是锥段设计，导致设计院需要加粗单桩直径来补偿频率达到下限要求等现象。这都造成了业主需要付出更多不必要的成本。

2012年，Rad Haghi等人对西门子海上SWT3.6-107机型的塔架和单桩基础的壁厚同时进行优化，以整体支撑结构的质量最小为目标函数，以结构的局部和整体屈曲、频率和疲劳损伤为约束，最终达到了12.1％的减重成果。2012年，T.Fischer等人在德国北海某项目中以降低支撑结构气动载荷为目标函数，通过优化控制策略降低支撑结构疲劳载荷，使整体支撑结构减重9％。2017年，Theo Gentils等人采用有限元方法对支撑结构进行分析，研究结果表明疲劳和频率是主要的控制约束，通过遗传算法对支撑结构的几何参数进行优化可以达到减重19.8％的成果。

也有科研人员从结构角度更利于进行优化设计。2014年，赵向前等人提出在机组与基础一体化设计中，从整体设计、优化控制策略、优化叶片和放宽频率约束开展工作，有望实现10％的成本降低。2016年，张博等人研究了海上风机一体化载荷仿真方法，对比了半一体化和一体化载荷仿真的差异，通过设计案例验证了一体化载荷仿真方法可以有效优化基础设计，降低风电场造价。2019年，田德等人考虑基础对极限设计载荷的影响，在考虑基础柔性条件下以最小化结构重量为目标对某5MW近海单桩式风电机组支撑结构进行优化，总体重量降低了7.14％。2019年，周昳鸣等人对比了整体优化设计方法与分步迭代设计方法的流程和优化列式，把设计域扩大到整体支撑结构寻找全局最优的设计。

但是，以上研究工作没有针对国内海上风电行业的分工综合了环境参数精细化处理，机组-控制-塔架-基础一体化设计，标准规范参数改进形成系统性方案。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于代理模型的海上风机支撑结构优化设计方法，满足并完成对工程项目降本创新和成果申报的需求，突破海上风机-塔架-基础一体化优化设计技术，解决了支撑结构分割孤立设计的难题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海上风机支撑结构整体化降本优化设计方法，包括以下步骤：