Validation of aero-hydro-servo-elastic load and motion simulations in BHawC/OrcaFlex for the Hywind Scotland floating offshore wind farm

Abstract

Klimaendringer, som et resultat av global oppvarming, krever en energiovergang: reduksjon av klimagassutslipp fra fossilt brensel og en radikal innovasjon av det globale energisystemet for å gå videre. Offshore vind er en viktig kilde til ren, fornybar energi, og den spiller en nøkkelrolle i overgangen. 80% av den verdensomspennende offshore vinden skal produseres på steder i dypt vann. her kreves flytende fundamenter, som til dags dato er langt dyrere enn deres bunnfaste kolleger. For å redusere kostnadene for flytende vindkraft er pålitelige, detaljerte spådommer om systemets belastninger og bevegelsesrespons avgjørende. Flytende offshore vindturbinkonstruksjoner er designet med 'aero-hydro-servo-elastisk' programvarekoder som simulerer den dynamiske responsen til et flytende havvindmølle-system til offshore-miljøet. Forutsigbar nøyaktighet kan forbedres ved å sammenligne simuleringsresultater fra en modell av et kjent system mot målinger hentet fra det virkelige verden, en såkalt modellvalidering. En lovende topp moderne aero-hydro-servo-elastisk programvarekode er BHawC / OrcaFlex, utviklet av Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE). På grunn av nyheten har validering av koden imidlertid bare blitt utført i begrenset grad, noe som gir usikkerhet rundt tolkningen av simuleringsresultater. Hensikten med denne MSc. avhandlingsprosjektet er å validere ytelsen til BHawC / OrcaFlex ved å sammenligne simulerte belastnings- og bevegelsesresultater med målinger på en reell flytende turbin fra Hywind Scotland flytende havvindpark (Hywind). Måledata og en beskrivelse av 'as-bygget' systemet ble gjort tilgjengelig av vindparkens eier Equinor ASA. For å etablere et oppnåelig nivå av modelleringsnøyaktighet og forutsigbar verdi av BHawC / OrcaFlex, ble koden bekreftet mot en annen aero-hydro-servo-elastisk programvarekode: OrcaFlex, ved å sette opp en lignende modell av Hywind-systemet i begge kodene. Begrenset informasjon er tilgjengelig om ytelsen til OrcaFlex i flytende vindbelastning og bevegelsesforutsigelser. Derfor ble det på sin side bekreftet mot et bredt spekter av bransjestandard aero-servo-hydroelastisk programvarekoder, ved bruk av et modellert system som lignet Hywind-turbinen og lastesaker som steg for steg økte i kompleksitet, for å videreføre isolere årsaker til avvik mellom modellene. OrcaFlex-spådommer samsvarte veldig godt med alle belastningssaker. Hovedforskjellene ble tilskrevet ulik modellerte ytterligere lineær hydrodynamisk demping, ettersom den offisielle dempningsresepten resulterte i prediksjonsfeil. I BHawC / OrcaFlex-verifiseringen mot OrcaFlex ble begge modellene utsatt for flere belastningstilfeller som steg for steg økte i kompleksitet, for ytterligere å isolere årsakene til avvik mellom modellene. Simuleringsresultater fra å kjøre begge modellene så ut til å være tilnærmet identiske, selv om det ble observert noe avvik på grunn av den forenklede aero-servo-elastiske OrcaFlex-koden. Den endelige valideringen av BHawC / OrcaFlex til fullskala Hywind-målinger blir utført ved undervurderte, rangerte og over utskårne vindhastigheter med fleretningsbølge og strømkomponenter. Generelt syntes BHawC / OrcaFlex bevegelsesfrekvensdomenes forutsigelser å svare til de faktiske Hywind-målingene. De fleste fenomener i lavfrekvens-, bølgefrekvens- og høyfrekvensområdet ble fanget opp av simuleringene. Imidlertid ble det observert store feil i spenningsspådommene for gjennomsnittlig bølge-, svai- og bridslinjespenning. De fleste avvikene ble funnet stammer fra feil i modelloppsettet, f.eks. mangel på hydrodynamisk demping, forenklinger i bølgemodellen eller feil i fortøyningssystemoppsettet. Tuning av fortøyningssystemet viste forbedring av resultatene, men ytterligere forbedringer kunne gjøres. Flere følsomhetsstudier ble lagt til på parametere, for eksempel hydrodynamisk drag, tårndemping og fortøyning. Dette viste overprediksjon av bølgen / svaien, og rulle / stigningsfrekvensresponsene kan dempes ved både ytterligere lineær og viskøs hydrodynamisk demping. Hovedanbefalingene for videre forskning er å analysere feil identifisert i modelloppsettet ytterligere. I tillegg skal noen, men likevel uforklarlige fenomener som ikke fanges opp av BHawC / OrcaFlex i dagens modell, tas opp. Til slutt kan utviklingen av en standardisert tilnærming for å relatere modellvalideringsstudier innen flytende vind til kostnadsforbedringer ytterligere kvantifisere verdien av fremtidige sammenligningsstudier.

Climate change, as a result from global warming, requires an energy transition: the reduction of greenhouse gas emissions from fossil fuels and a radical innovation of the global energy system to proceed apace. Offshore wind is an important source of clean, renewable energy, and it plays a key role in the transition. 80% of the worldwide offshore wind is to be produced on locations in deep waters; here floating foundations are required, that to date are far more expensive than their bottom-fixed counterparts. To reduce costs of floating wind energy, reliable, detailed predictions of the system’s loads and motion response are crucial. Floating offshore wind turbine structures are designed using ’aero-hydro-servo-elastic’ software codes that simulate the dynamic response of a floating offshore wind turbine system to the offshore environment. Predictive accuracy can be improved by comparing simulation results from a model of a known system against measurements taken from the real-world system, a so-called model validation. One promising state-of-the-art aero-hydro-servo-elastic software code is BHawC/OrcaFlex, developed by Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE). Due to its novelty, however, validation of the code has only been carried out to a limited extend, giving rise to uncertainty about the interpretation of simulation results. The purpose of this MSc. thesis project is to validate the performance of BHawC/OrcaFlex by comparing its simulated load and motion results to measurements on a real-world floating turbine from the Hywind Scotland floating offshore wind farm (Hywind). Measurement data and a description of the ’as-built’ system were made available by the wind farm owner Equinor ASA. In order to establish an achievable level of modelling accuracy and predictive value of BHawC/OrcaFlex, the code was verified against another aero-hydro-servo-elastic software code: OrcaFlex, by setting up a similar model of the Hywind system in both codes. Limited information is available on the performance of OrcaFlex in floating wind load and motion predictions. Therefore, it was in turn verified against a wide range of industry-standard aero-servo-hydro-elastic software codes, using a modeled system that closely resembled the Hywind turbine and load cases that step-by-step increased in complexity, to further isolate causes of discrepancies between the models. OrcaFlex predictions matched very well across all load cases. The main differences were attributed to differently modeled additional linear hydrodynamic damping, as the official damping prescription resulted in prediction errors. In the BHawC/OrcaFlex verification against OrcaFlex, both models were subjected to multiple load cases that step-by-step increased in complexity, to further isolate causes of discrepancies between the models. Simulation results from running both models appeared to be nearly identical, though some discrepancy was observed from due to the simplified aero-servo-elastic OrcaFlex code. The final validation of BHawC/OrcaFlex to full-scale Hywind measurements is performed at below-rated, rated and above cut-out wind speeds with multi-directional wave and current components. In general, BHawC/OrcaFlex motion frequency domain predictions appeared to correspond well to the actual Hywind measurements. Most phenomena in the low-frequency, wave-frequency and high-frequency region were captured by the simulations. However, large errors were observed in the mean surge, sway and bridle line tensions predictions. Most discrepancies were found originating from errors in the model set-up, e.g. lack of hydrodynamic damping, simplifications in the wave model or errors in the mooring system set-up. Tuning of the mooring system showed improvement of the results, but further improvements could be made. Several sensitivity studies were added on parameters, such as hydrodynamic drag, tower damping and mooring drag. This showed overprediction of the surge/sway and roll/pitch frequency responses can be mitigated by both additional linear and viscous hydrodynamic damping. The main recommendations for further research are to further analyse errors identified in the model set-up. In addition, some yet unexplained phenomena that are not captured by BHawC/OrcaFlex in the current model, are to be addressed. Finally, a the development of a standardized approach to relate model validation studies in the field of floating wind to cost improvements could further quantify the value of future comparison studies.