由于区域气候环境和结构设计体系的差异性，我国在海上风力机抗台风设计标准方面的研究仍然面临着重大挑战。虽然已经有不少研究者认识到了抗台风设计标准的重要性，但目前还没有较为系统的适用于国内海域的海上风力机抗台风设计标准。考虑到国内海域在没有台风风险的情况下可开发的海上风力潜力只占12%，同时并非所有海上风力潜力都具有经济竞争力。因此，制定适用于国内海域的海上风力机抗台风设计标准具有重要意义。针对上述背景，本文从设计角度定性和定量地分析了现有设计标准对海上风力机抗台风安全性的适用性，旨在为我国南方和东南地区的海上风力发电机组提供参考。
本文首先对中国近海风环境的特点进行了简要概述，并在第2节中详细比较了极端风况，同时针对多级台风对海上风力机的影响，提出了一种工程增强模型来改进风剖面的预测。其次，在第3节中模拟分析了包括现有设计标准中和台风引起的不同极端风况下，风力机的极限风致响应。在此基础上，第4节中讨论了设计标准对海上风力机结构安全性的影响。最后，本文在第5节中指出了我国现有海上风力机抗台风设计标准的不足之处。
图1 1980-2018年台风路径和强度的全球分布图
02是什么让台风与众不同?
通常情况下，成熟的台风是一种具有低压中心、闭合低层大气环流和强风的快速旋转风暴系统。成熟台风的直径通常超过100公里，有些甚至可达1000公里以上。台风不同区域的气象特征存在显著差异，这些区域包括台风眼区、眼壁影响区和台风外围区，如图2所示。因此，针对海上风力机位置固定的特点，台风影响应分为不同的台风影响阶段。
基于这些特征，我们可以推断出台风和正常风对海上风力机安全性的两个主要区别。首先，在典型的海上风电台风影响阶段中，包括前部外围阶段(FPS)、前眼壁阶段(FES)、台风眼阶段(TES)、后眼壁阶段(BES)和后边缘阶段(BPS)。其中，台风眼阶段(TES)的影响几乎不会对海上风力机的安全性能产生影响。其次，在各典型台风影响阶段中，除了台风眼阶段以外，台风风况相对于正常风具有平均风速较大、风廓线奇特、时空变化较大的特点，如图3所示。然而，目前在海上风力机的抗台风设计研究中，大多缺乏对中国海域这些风特性的考虑。
图2 成熟台风示意图
图3 台风与正常风的主要区别示意图
03风速场的模拟
本研究选择在东海广泛应用的轮毂高度为100m的海上风力发电机组作为研究对象，表1中列出了关于海上风力机的一些基本信息。在风速模拟过程中，将来流平面划分为20×18个节点(高×宽)，以10m为间隔设置一个格点，通过三次插值得到格点中间位置的风速。图4展示了电网与风力机的相对位置。IECs和M/Cs的仿真分别使用公共软件GH-Bladed和内部程序进行实现。
表1 本文模拟海上风力发电机组的基本信息
图4 模拟风速场示意图
04结果与分析
根据表2比较不同工况与IEC工况的极限响应增量(极值)，发现基于IEC设计风条件计算的台风外围影响具有60%~90%的安全裕度。因此，即使在受到一些台风影响的情况下，一些海上风电场仍能继续运行。然而，这并不意味着它们的结构安全性达到完全可靠的水平。从表中可以看出，6MW海上风力机在台风眼壁冲击下的响应明显超过了IEC设计工况的计算值，增量超过35%。这些数据表明，即使考虑了一定的安全系数，也无法涵盖台风引起的响应。此外，根据现有经验，如果加入横摆控制失效，结果可能更为保守。这些因素可能解释了我国华东地区在台风袭击期间风电场结构故障频繁发生的现象。此外，后眼壁阶段的一些响应指标如Mxyt较前眼壁阶段更大，进一步强调了多阶段分析对台风研究的重要性。
通过对比台风风况与设计标准，可以发现参考风速的选择是造成差异的主要因素之一。当强台风经过我国南部或东南部海域时，10米高度处10分钟平均风速可达近60米/秒，远高于IEC标准值。然而，这并不意味着IEC标准在风况设置方面必然存在不足，因为IEC标准在湍流强度和湍流模型上与台风诱导风况存在显著差异，并且存在一些保守的参数设置。低空急流的存在和台风异常的能量分布也是导致台风风况与设计极值风况存在差异的原因。需要指出的是，在台风的整个袭击过程中，如台风"威马逊"，前眼壁阶段不一定是对海上风力机造成最大破坏的阶段。
表2的结果显示，与IEC标准状况相比，M/Cs标准状况提供了更为保守的设计值，这可能与风力机设计参考高度的选择有关。我们注意到，对于参考高度的选择，IEC标准和M/Cs设计标准具有不同的设计理念。考虑到风力发电技术潜力对风力机尺寸非常敏感，需要建立新的设计规则，使参考风速与轮毂高度相关。DNV GL Renewables认证发布的《Technical Note for the Certification of Wind Turbines for Tropical Cyclones》遵循了与M/Cs标准相同的设计理念。建议在设计过程中校准参考风速以固定高度，然后使用风剖面模型计算轮毂高度处的风速。
表2 各工况相对于IECs工况的响应极值增量
05结论
本研究通过基于现有设计标准和我国南方及东南海域实际台风案例的对比研究，对海上风力机的极端风况和风致响应进行了系统分析。为减小分析误差，采用了算法验证、控制变量和极值分析等方法。同时提出了以下的建议：
针对我国南方和东南部海域海上风电的大规模开发，建议根据全生命周期内强台风眼墙发生的频率，调整极端风况的技术参数进行海上风电结构设计。具体而言，在大型海上风力机的抗台风设计中，应根据当地风环境设置10m高度处的参考风速，而不是在轮毂高度处设置固定风速。综合考虑，这些发现可能是解决海上风力机维护困难、发电效率和制造成本之间差距的合理方法。
需要指出的是，每个设计标准都是一个完整的体系。本研究的目的是更好地了解我国南方及东南海域海上风力机抗台风设计现行设计风况的合理性，并不是评价哪个标准更优。综合考虑技术、成本、保险等多个方面因素，建立完整的中国南部和东南部海域海上风电设计框架仍需要进一步的工作。
备注：
论文题目： Assessing code-based design wind loads for offshore wind turbines in China against typhoons
论文作者： Hao Wang，Tongguang Wang，Shitang Ke，Liang Hu，Jiaojie Xie，Xin Cai，Jiufa Cao，Yuxin Ren
关键词： Offshore wind turbine;China waters;Typhoon-resistant design;Design wind condition;Typhoon condition
发表期刊： Renewable Energy
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.05.052
全文链接：
https://authors.elsevier.com/a/1h8mn3QJ-dpRSY
