CN112749429A - 一种基于多元插值的海上风电固定式基础结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多元插值的海上风电固定式基础结构设计方法，包括以下步骤：1)基于灵敏度分析确定各环境参数与风电基础结构耗钢量的相关系数，2)采用风电基础结构分析软件对相关程度较大的环境参数进行严格正交参数分析，3)选取实际工程的环境参数开展设计参数的多元插值计算，该方法可用于快速确定海上风电基础结构的设计参数。

Description

一种基于多元插值的海上风电固定式基础结构设计方法

技术领域

本发明属于海上风电基础结构设计领域，涉及一种基于多元插值的海上风电固定式基础结构设计方法。

背景技术

随着我国工业的快速发展，对能源的需求日益增大。风能资源因利用成本低，分布区域广成为国家缓解能源供需矛盾、减轻环境污染的重要途径。2019年，我国风电 并网容量达到2.09亿千瓦，同比增长14％，风电发电量在全国发电量的比重为5.5％。 我国的风电场建设初期主要集中在陆上传统风资源优势区域(三北地区)，但面临电力 消纳能力不足、弃风限电等问题。近年来，由于陆上风电市场趋于饱和，海上风力发 电成为风能资源开发新的增长点。我国具有较长的海岸线，海上风资源不仅平稳丰富， 而且区域平坦广阔，在开发过程中不会面临征地和噪音等问题。海上风电场在运行期 间基础不仅承受水动力载荷，还会受到上部风机气动载荷的长期作用，结构内部频繁 的交变应力计算会严重影响结构的设计进度。本发明提出了基于参数插值的海上风电 基础结构设计参数计算方法，通过提前开展正交参数分析建立海上风电基础结构的数 据库，在得到实际工程的环境勘测报告后可通过插值的方法快速得到结构的设计参数， 有利于海上风电场建设的“降本增效”。

发明内容

技术问题：本发明提供一种简单准确、快速合理的海上风电固定式基础结构设计方法。

技术方案：一种基于多元插值的海上风电固定式基础结构设计方法，包括以下步骤：

1)根据已有工程建立海上风电基础结构的基准有限元模型，利用蒙特卡罗模拟技术对海水深度、风机载荷、土体参数、波浪高度、波浪周期、海水流速、淤泥层厚 度等所有环境参数进行灵敏度分析，在选定环境参数取值范围和概率分布函数后，进 行N次以上随机抽样计算，得到各环境参数{EV}^T和风电基础结构耗钢量SC之间的 线性相关系数矩阵，{EV}^T为环境参数全集；

2)选取相关系数大于Sum的q个环境参数开展严格正交参数计算，每次计算时 仅改变一个环境参数，其他环境参数保持不变，计算目标为泥面处桩变形和侧摩阻力 满足设计限值条件下基础结构耗钢量最小。每个环境参数EV_x共变换三次取值，分别 为上限值EV_xu、基准值EV_xb和下限值EV_xl，EV_x代表第x个环境参数，x为环境参数 序号，通过对每个工况进行设计计算，得到海上风电基础结构的设计参数值 {DV}^T＝(DV₁，DV₂…DV_y…DV_p)，DV_y代表第y个设计参数值，y为设计参数序号，p 为设计参数总数，数据库中共包含3^q个海上风电结构设计工况；

3)对实际工程环境参数{EV}^T＝(EV₁，EV₂…EV_x…EV_q)进行多元插值计算，起 始设计组包含3^q个工况，可以取出3^q-1个除了EV₁不同其余环境参数均相同的插值组， 分别采用每个插值组EV_1u、EV_1b与EV_1l形成的曲线插值确定EV₁对应的设计参数值， 经过第一次插值后设计组包含3^q-1个工况，在这些工况中取出3^q-2个除了EV₂不同其 余环境参数均相同的插值组，分别采用每个插值组EV_2u、EV_2b与EV_2l形成的曲线插 值确定EV₂对应的设计参数值，经过第二次插值后设计组包含3^q-2个工况，以此类推， 当进行第q次插值时，仅剩余一个插值组，采用EV_qu、EV_qb与EV_ql形成的曲线插值 确定EV_q对应的设计参数值后计算结束。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明提出的设计方法在预先建立海上风电基础结构设计标准库的基础上，通过插值的计算方法来快速实现实际工程的参数设计，便于在招投标过程中快速得出 结构的合理设计方案和工程造价。而传统设计方法是在明确结构的环境参数后再进行 设计，载荷分析和内力校核等会涉及多次疲劳计算和迭代过程，使其难以满足实际工 程设计的时间要求；

(2)本发明提出的数据库大小是由选取的环境参数数量决定的，多元插值的方 法仅需将每个环境参数的取值进行三次变换，总样本的计算量相对较小。而通过传统 回归分析的思路则需要对每个环境参数进行数百次变换，以反映各个环境参数的变化 规律，拟合的回归公式才能较为准确，总样本的计算量往往在5000次以上，大大增 加了数据库的计算成本。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

1)根据已有工程建立海上风电基础结构的基准有限元模型，利用蒙特卡罗模拟技术对海水深度、风机载荷、土体参数、波浪高度、波浪周期、海水流速、淤泥层厚 度等所有环境参数进行灵敏度分析，每个环境参数的上下限范围和概率分布函数可基 于大量实际工程的地质勘探、水文资料和经验取值等进行确定，常用的概率分布函数 有均匀分布、指数分布、正态分布、对数正态分布和截断高斯分布等，如风机载荷的 取值应覆盖海上风机最小兆瓦数和最大兆瓦数对应的弯矩值，一般服从截断高斯分布， 共进行N次以上随机抽样计算，建议采用拉丁超立方抽样技术，可以避免直接抽样法 数据点集中导致计算效率低的问题。在得到各环境参数{EV}^T和风电基础结构耗钢量 SC之间的线性相关系数矩阵后，便可以判断环境参数与结构耗钢量相关程度排名， {EV}^T为环境参数全集；

2)选取相关系数大于Sum的q个环境参数开展严格正交参数计算，以排除影响 不大的环境参数，每次计算时仅改变一个环境参数，其他环境参数保持不变，计算目 标为泥面处桩变形和侧摩阻力满足设计限值条件下基础结构耗钢量最小。每个环境参 数EV_x共变换三次取值，分别为上限值EV_xu、基准值EV_xb和下限值EV_xl，这样可以 确保后续插值采用的是内插方法，而不是计算精度较低的外插方法，EV_x代表第x个 环境参数，x为环境参数序号，通过Bladed和Sesam等数值分析软件对每个工况仅改 变一个环境参数进行设计计算，得到各个工况下海上风电基础结构设计参数值 {DV}^T＝(DV₁，DV₂…DV_y…DV_p)，DV_y代表第y个设计参数值，y为设计参数序号，p 为设计参数总数，设计参数一般为基础结构各个组件的长度、直径和径厚等，数据库 中共包含3^q个海上风电结构设计工况；

3)对实际工程环境参数{EV}^T＝(EV₁，EV₂…EV_x…EV_q)进行多元参数插值计算， 起始设计组包含3^q个工况，由于数据库是通过严格正交参数分析计算得到的，可以取 出3^q-1个除了EV₁不同其余环境参数均相同的插值组，分别采用每个插值组EV_1u、EV_1b与EV_1l形成的曲线插值确定EV₁对应的设计参数值，经过第一次插值后设计组包含 3^q-1个工况，在这些工况中取出3^q-2个除了EV₂不同其余环境参数均相同的插值组， 分别采用每个插值组EV_2u、EV_2b与EV_2l形成的曲线插值确定EV₂对应的设计参数值， 经过第二次插值后设计组包含3^q-2个工况，以此类推，当进行第q次插值时，仅剩余 一个插值组，采用EV_qu、EV_qb与EV_ql形成的曲线插值确定EV_q对应的设计参数值后 计算结束，经过上述过程插值得到的最后一组设计参数即为实际环境参数下海上风电 基础结构的计算结果。

Claims (1)

1.一种基于多元插值的海上风电固定式基础结构设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据已有工程建立海上风电基础结构的基准有限元模型，利用蒙特卡罗模拟技术对海水深度、风机载荷、土体参数、波浪高度、波浪周期、海水流速、淤泥层厚度等所有环境参数进行灵敏度分析，在选定环境参数取值范围和概率分布函数后，进行N次以上随机抽样计算，得到各环境参数{EV}^T和风电基础结构耗钢量SC之间的线性相关系数矩阵，{EV}^T为环境参数全集；

2)选取相关系数大于Sum的q个环境参数开展严格正交参数计算，每次计算时仅改变一个环境参数，其他环境参数保持不变，计算目标为泥面处桩变形和侧摩阻力满足设计限值条件下基础结构耗钢量最小。每个环境参数EV_x共变换三次取值，分别为上限值EV_xu、基准值EV_xb和下限值EV_xl，EV_x代表第x个环境参数，x为环境参数序号，通过对每个工况进行设计计算，得到海上风电基础结构的设计参数值{DV}^T＝(DV₁，DV₂…DV_y…DV_p)，DV_y代表第y个设计参数值，y为设计参数序号，p为设计参数总数，数据库中共包含3^q个海上风电结构设计工况；

3)对实际工程环境参数{EV}^T＝(EV₁，EV₂…EV_x…EV_q)进行多元插值计算，起始设计组包含3^q个工况，可以取出3^q-1个除了EV₁不同其余环境参数均相同的插值组，分别采用每个插值组EV_1u、EV_1b与EV_1l形成的曲线插值确定EV₁对应的设计参数值，经过第一次插值后设计组包含3^q-1个工况，在这些工况中取出3^q-2个除了EV₂不同其余环境参数均相同的插值组，分别采用每个插值组EV_2u、EV_2b与EV_2l形成的曲线插值确定EV₂对应的设计参数值，经过第二次插值后设计组包含3^q-2个工况，以此类推，当进行第q次插值时，仅剩余一个插值组，采用EV_qu、EV_qb与EV_ql形成的曲线插值确定EV_q对应的设计参数值后计算结束。

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