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美国机械工程师协会2015第三十四届国际海洋、离岸和极地工程会议

OMAE2015

2015年5月31日至6月5日，圣约翰，纽芬兰，加拿大

OMAE2015-41157

大西洋海岸海上风电场台风风险

V. Valamanesh

Northeastern University

Boston, MA, USA

K. Wei

University of Massachusetts, Amherst

Amherst, MA, USA

A.T. Myers

Northeastern University

Boston, MA, USA

S.R. Arwade

University of Massachusetts

Amherst, MA, USA

W. Pang

Clemson University

Clemson, SC, USA

摘要：可再生能源的开发是全球的一个重要需求。 美国的大西洋海岸和墨西哥湾，拥有大量风力资源，邻近主要人口中心，是这种发展的自然场所; 然而，这些区域也处于严重台风或热带气旋的相当大的风险之中。目前关于海上风力涡轮机（OWT）设计的国际准则没有明确考虑在飓风条件下的装载，预计随后的版本将包括飓风专用的语言。极端载荷的可变性在飓风是可能的并且安装的海上建筑的设计负荷和风险分布预计将被台风强烈影响的地方是更大的。对于很多海上建筑物，重现周期及以后的环境条件通常通过浮标得到的风和波浪的长期（即：几十年）测量值进行外推，然而，对于处于暴露在飓风中位置的海上建筑物，使用基于物理学的模型来增加大西洋飓风活动的历史记录并产生合成飓风的随机目录以提供一年的潜在飓风活动的成千上万的实现是公认的做法。一旦建立了一个随机目录，可以使用公知的风和波浪的参数模型对处于任何场所的每个风暴估计适当的危险强度测量（比如：一分钟的持续风速、有效波高和峰值的谱波周期）。在这个研究中，我们考虑大西洋沿岸的几个地点并且量化设计重现周期预计危险的影响。第一个就是建立在浮标得到的风和波浪测量值的外推上，第二个和第三个是建立在基于确定性与概率关系预计的风和波浪强度的合成风基础上的一个随机目录。

术语

B : 荷兰参数

F : 累积分布

: 有效波高

MRP: 平均回归周期（年）

Pc : 中心压力 (毫巴)

Pn : 环境压力(毫巴)

Rmax : 最大风速半径（米）

V : 一分钟持续风速（米／秒）

Vtr : 飓风转运速度（米／秒）

Vmax : 最大风速（米／秒）

X : 表示环境强度的随机变量

e: 自然数

f : 科里奥利参数

r : 到飓风眼的距离（米）

p : 空气密度（千克每立方米）

V : 飓风发生率

: 表示残差的随机变量

介绍

海上风能是一个巨大的资源，具有改变世界能源经济的潜能。在美国，国家可再生能源实验室（NREL）指出最佳的（即最小成本）为美国实现到2030年通过风能形成电力需求的20%的战略^[1] 。应该包括发展540亿瓦特的海上风能。虽然海上风电场的设计程序是公认的（例如： IEC 61400-3^[2] , DNV^[3] 和GL^[4] ），这种准则尚未应用于位于大西洋海岸和美国墨西哥湾附近的海上风电场。这些准则是为欧洲环境开发的，一个没有暴露于飓风中的区域，所以有许多关于直接在美国使用这些准则的有效性的问题美国船级社（ABS）发布了一个指导，建议如何考虑这种情况^[5]。飓风比非飓风更强烈，更不频繁，特别是对于平均回归周期(MRPs)高的飓风这些区别会影响设计负荷。需要提到的是飓风对海上建筑物的影响已被由石油和天然气行业通过例如API-2int-MET^[6] 和API 2A-WSD^[7]的文件广泛考虑。在这篇文章中，飓风和模型的不确定性的影响都是通过研究长期风速、波高和由于美国大西洋海岸飓风与非飓风事件引起的结构载荷。为此，美国大西洋海岸的三个地点被挑选出来，并且基于三种不同方法参考250万瓦的海上风力发电机计算了长期风速、波高和结构负荷。

在下一节中，介绍了三种考虑方法来估算海上风力发电机长期环境和结构条件。在本节之后，描述了三个被挑选地点的特点和这些地点的可使用的环境数据。最后，三个考虑方法和地点的风速、有效波高和不同平均回归周期的相关线时刻都被计算出来了，结果也做了比较和讨论。重点强调了在IEC61400-3中无设计的50年平均回归周期的结果和被认为包括了负荷因素条件的500年平均回归周期的结果。

海上环境极端危险预估技术

在本节中，介绍了三种方法估计两个海上危险强度，每小时平均风速V和有效波高Hs。第一个是基于测量的外推，第二个是基于给定的飓风参数的风和波确定性模型，第三是基于给定的飓风参数的风和波的概率模型。对于后两种方法，飓风参数及其变化的特点是一个随机目录的合成飓风。

方法1：测量值外推

在实践中最常用的估计长期海洋灾害的方法是通常从离岸浮标和气象塔的测量数据的统计外推。该方法的总体意图是使用风和波强度的测量分布来校准可以用于在长的平均回归周期中估计环境强度的概率模型。基本外推技术是IEC 61400-1^[8] 中描述的年度最大值方法。在这种方法中，每年测量观测数据的最大值被记录同时数据是适合概率分布的。当测量数据有限时，有优势的另一种方法就是R-LOS 方法^[9,10]，使用R-largest每年测量数据来校准风和波的极值的可能分布，其中R简单点就是每年考虑的测量值的数量。在这两种方法中，模型数据是建立在飓风和非飓风事件中的测量值，其中飓风事件发生的更不频繁所以在通常不超过几十年时长的整个数据测量期间对数据的影响小。在这篇文章中，使用R-LOS方法时取R＝7来获取特定地区风速和有效波高分布。在这个方法中，每年记录7次最大的风和波测量值然后从广义极值分布（GEV）功能中选择最适合的数据。最后，在校准了的广义极值分布的基础上计算了不同平均回归周期的风和波浪强度。这个方法的结果在这篇文章里面标记为（测量的）。注意这种方法认为风和波是独立随机变量。虽然这显然是真实条件的粗略近似，在这篇文章里面被普遍使用，因为这种方法能保证提供在特定的平均回归周期处的风和波浪强度的保守（即：高）视图。虽然对于石油和天然气结构而言，保守的方法在经济上是可行的，但对于海上风电场的经济利润率预计会更薄，通过减少设计保守性降低成本的方法可能被证明是值得的。这里概述了一个更复杂的建立在风和波共同分布的随机变量的基础上的方法^[11] 。

方法二：合成风确定性物理模型

众所周知，风的分布的尾部和飓风暴露地区的波强度会受到飓风特性的影响，这些不经常出现的的特性不能被生成仅仅几十年的测量数据可靠地估计。在这种情况下，常见的是考虑一个合成风的一个随机目录。这样一个目录目的在于通过模拟和简单的历史纪录一致的成千上万年的潜在飓风活动来代表特定地点潜在的飓风活动。这些目录根据几个参数例如在整个风暴持续过程中飓风眼的位置、中心压力、最大风速、最大风半径和向前转运速度来描述飓风事件。这些参数在事件的持续期间演变。其他研究人员考虑已经使用随机目录来计算不同平均回归周期的相应风速^[12,13]考虑潜在飓风活动的影响，并应用确定性模型来估计风强度。这种计算是维持美国风力负荷设计结构的一部分，因为ASCE 7-10^[14]中的飓风风速算法就是建立在这种方法基础上^[15,16] 。有一些关于岸上建筑的飓风风险评估主要集中于风速和风暴潮的综合危害^[17-20] ，然而很少有注重评估飓风对海上风电场风险^[21] 。在2012年Kim和Manuel提出了一个评估飓风对海上风电场危险的框架。这个由累积飓风路径组成的框架，估计飓风持续期间的风和波并且计算不同平均回归周期的风和波^[22] 。他们的方法包括以下步骤：首先，选择感兴趣地点的合成飓风事件的随机目录；之后，使用不考虑不确定性的物理模型来估计环境强度；然后，对于从物理模型获得的环境强度计算经验累积分布函数（CDF）。知道一个特定地点的飓风到达率v,使用公式(1)计算不同平均回归周期的环境强度，这里一般用变量X表示。

(1)

在本文中，定量结果计算并与其他方法进行比较。 这种方法的结果在这里被标记为“飓风wo / u”，其表示基于飓风目录（而不是测量）计算但不考虑物理模型中的不确定性的强度。

方法三：合成风概率模型

如前所述，完善的框架可以适应于表征海上暴露于飓风中地点的长期环境强度。到目前为止，这些适应措施都没有考虑到在给定飓风强度下估计强度的模型中的不确定性。

这样的信息对于概率地震危险分析是必不可少的，其中已经进行了几十年的研究以校准地面运动预测方程，其估计在特定位置处的地面振动强度，包括作为地震特性的函数的不确定性。 在这项研究中，采用了类似的技术，称为概率飓风危害分析。概述示意图如图1所示。

图1所示的第一和第二步骤与前一部分中描述的相同，即选择飓风目录，并且基于物理模型中的合成飓风的参数计算风和波（Holland的风模型和Young的波模型 - 有关这些模型的更多细节，参阅以下部分）。在下一步，量化了风和波模型中的不确定性。然后使用上一步中表征的不确定性，模拟每个事件的风和波的实现。在下一步中，对于每个实现，通过经验CDF计算风和波的每个值的超过的概率。最后，使用方程（1），每个实现的CDF值被转换为平均回归周期，并且计算所有实现的平均值。这种方法的结果在这里被标记为“飓风w / u”，其表示基于考虑了物理模型中不确定性的飓风目录（而不是测量）计算的强度。

地点特性和可用数据

择美国大西洋海岸的三个地点来比较概率和确定性的飓风强度和基于随机目录和测量外推估计的负荷效应。选择与国家海洋和大气管理局（NOAA）部署和维护的具有多个数十年记录数据的数据浮标位置有关的地点。三个考虑的地点的特征列于表1中。选择这些地点是因为它们适合于海上风能开发，并且代表适用于海上风力发电场的一系列地理、海洋和仪表条件。

图1－表示在暴露于飓风的近海地点评估长期危险强度的概率飓风危险分析概述

表1.本研究中考虑的三个NOAA浮标的场地信息

浮标测量在5米海面以上，8分钟平均风速和20分钟以上有效波高，并每小时报告。

物理模型

在本文中，两个参数模型用于预测风和波浪强度作为飓风参数的函数。 本研究中风模型由Holland在1980提出^[23]，Young 1988年修正^[24] 。本研究中的波模型是1988年Young提出的^[25]。 这两个模型自从介绍以来已经被广泛使用，因为它们是参数的，使得即使对于考虑到成千上万年的飓风活动的随机目录也易于计算。 每个物理模型在以下部分中描述。

Holland模型

在 Holland模型中，通过方程（2）中的循环平衡，切向风场作为压力场的函数给出

(2)

其中V是沿着最大风速和飓风眼之间的线的距离r处的风速，Rmax是最大风速的半径，rho;是空气密度，Pc是中心压力，Pn是环境压力，f是科里奥利参数[26]。 如果最大表面风速Vmax和中心压力Pc是已知的，则可以使用方程（3）来估计所谓的HollandB参数。

(3)

HollandB参数表示涡流的形状

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