CN102495637B - 深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统 - Google Patents

深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统，该系统中风机和塔架固定在悬浮平台上，在悬浮平台上装置三个螺旋桨，悬浮平台通过钢缆系在海底的固定混凝土墩上；当风速较高或海浪较大，机组向某个方向倾斜或出现较大波动，传感器检测风机平台倾斜角度信号，集成在中心控制器中的实时平衡控制模块接收信号，经过分析计算，控制螺旋桨机构的转速与转向来保证风机平衡，防止由于风速较高或海浪较大而倾斜甚至倾翻，确保风电机组安全。

Description

深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统
技术领域
本发明涉及一种平衡控制系统，特别是一种深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统。
背景技术
随着全球能源短缺、能源供应安全形势的日趋严峻，可再生能源以其清洁、安全、永续的特点，在各国能源战略中的地位不断提高。风能作为可再生能源中成本较低、技术较成熟、可靠性较高的新能源，近年来发展很快并在新能源供应中发挥重要作用。
我国的风力发电在20世纪80年代开始发展。2010年，我国除台湾省外其他地区共新增风电装机18.93GW，保持全球新增装机容量第一的排名。中国正在对漫长海岸线上的海上风电开发前景进行细致的调研。2010年，首批海上风电项目——上海东海大桥10万KW已完成组装，安装了34台华锐3MW风机。海上风电的开发和建设，将为可再生能源的发展做出重要贡献。
海上风电机组中，悬浮式海上风电机组安装简单，便于迁移和制造，而且安装成本比海上塔架式风电机组低，得到了广泛的应用。
但海风的风力等级相比陆地风力等级要大很多，一旦遇到风速过大或者海浪过大，这些悬浮式风电机组倾斜角度会比较大，极易发生整体倾翻甚至毁机的事故。而且现有设计中对风电机组的控制基本都是被动式的，多数都是发现故障进行维修，缺少主动性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统，克服了现有深海悬浮风力发电机组被动平衡控制存在的缺陷。
为了解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：一种深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统，包括风机、塔架、悬浮平台、斜拉钢缆以及控制风机工作的风机中心控制器，所述风机安装在塔架上，塔架树立在悬浮平台上，悬浮平台通过斜拉钢缆连接在混凝土墩上。
所述悬浮平台上还设置有监测悬浮平台倾斜角度的传感器、集成在风机中心控制器中的实时平衡控制模块和螺旋桨，传感器实时监测悬浮平台倾斜角度信号，实时平衡控制模块接收倾斜角度信号，经过分析计算控制螺旋桨工作维持风机保持平衡。
所述风机、塔架、悬浮平台、斜拉钢索及混凝土墩组成整体的重心位于水面以下，以保证在风机正常运转过程中，轻微的倾斜不致使风机倾翻。
悬浮平台上对称安装有三根斜拉钢缆，用于牵引悬浮平台，斜拉钢缆对悬浮平台没有支撑作用，仅有限制平台在一定范围内的作用。
所述风机中心控制器通过蓄电池供电，风机正常工作时，通过转换器给蓄电池充电，以保证其能够正常提供控制器所需电能。
所述悬浮平台下装有对称的三个螺旋桨，螺旋桨控制计算方法如下：
三个螺旋桨分别标记为A、B、C，在X轴螺旋桨A附近安装传感器，风机倾斜时，传感器测得X轴剖面倾斜角度为α，Y轴剖面倾斜角度为β；
中心控制器接受的信号为：
θo＝(α，β)T
螺旋桨机构状态方程为：N＝(nA，nB，nC)T
其中，nA、nB、nC可为正，可为负，分别表示螺旋桨A、B、C的转速，当为负时，代表螺旋桨反转，当为正时，代表螺旋桨正转，螺旋桨转速方向不同，推力方向相反；
海上风浪较小时，风机状态近似为平衡状态，此时中心控制器接收的信号为：
θo＝(η，ξ)T
其中，η，ξ代表悬浮平台在X轴，Y轴倾斜的较小角度；
可以得出初始螺旋桨机构转速：
N0＝(0，0，0)T，N0＝f(θo)
风电机组倾斜时，传感器感应倾斜角度，此时中心控制器接收的信号为：
θ＝(α，β)T
其中α为X轴剖面倾斜角度，β为Y轴剖面倾斜角度；
可分析计算得出为保持平衡此时螺旋桨应有的转速：
N＝(nA，nB，nC)T，N＝f(θ)
本发明深海悬浮式的的主动平衡控制系统能有效的防止由于风速较高或海浪较大而引起的倾斜甚至倾翻，确保风电机组安全，提高风力发电效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明示意图；
图2为风力发电机组的仰视图；
图3为平衡控制流程图；
图4为风力发电机组倾斜时示意图。
具体实施方式
如图1所示，深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统，包括风机1、塔架2、悬浮平台3、斜拉钢缆6以及控制风机工作的风机中心控制器，所述风机1安装在塔架2上，塔架2树立在悬浮平台3上，悬浮平台3通过斜拉钢缆6连接在混凝土墩7上。
所述悬浮平台3上设置有监测悬浮平台3倾斜角度的传感器4、集成在风机中心控制器中的实时平衡控制模块和螺旋桨5，传感器4实时监测悬浮平台3倾斜角度信号，实时平衡控制模块接收倾斜角度信号，经过分析计算控制螺旋桨5工作维持风机1保持平衡
图2为风机仰视图，三个对称圆形分别为三根钢缆固定位置，三个螺旋桨5标记为A、B、C。为示意方便，在图中标出X轴和Y轴，在悬浮平台安装传感器4。风机倾斜时，传感器4测得X轴剖面倾斜角度为α，Y轴剖面倾斜角度为β。风机倾斜角度的测量通过VTI公司的SCA100T系列2自由斜角计来实现。
中心控制器接受的信号为：
θo＝(α，β)T
螺旋桨5机构状态方程为：N＝(nA，nB，nC)T
其中，nA、nB、nC可为正，可为负，分别为螺旋桨5各自的转速，当为负时，代表螺旋桨5反转，当为正时，代表螺旋桨5正转。螺旋桨5转速方向不同，推力方向相反。
海上风浪较小时，风机状态近似为平衡状态，此时中心控制器接收信号为：
θo＝(η，ξ)T
其中，η，ξ代表平台在X轴，Y轴倾斜的较小角度。
可以得出初始螺旋桨5转速：
N0＝(0，0，0)T，N0＝f(θ0)
风电机组倾斜时，传感器4感应倾斜角度，此时中心控制器接收的信号为：
θ＝(α，β)T
其中α为X轴剖面倾斜角度，β为Y轴剖面倾斜角度。
由此可得出为保持平衡此时螺旋桨应有的转速：
N＝(nA，nB，nC)T，N＝f(θ)
实时平衡控制模块的控制方式采用模糊控制。
图3为实时平衡控制模块内部控制流程。传感器4实时检测悬浮式底座的倾斜角度，并与平衡阀值比较。当风机在一定小的倾斜角度下，认为是平衡状态，只有传感器4角度绝对值信号都大于平衡阀值时，才通过计算进行控制输出。一般模糊控制器包括输入量模糊化接口、模糊推理机、数据库、规则库、模糊推理机和输出量解模糊接口。
模糊控制器的输入必须通过模糊化才能使用并进行模糊控制器的求解，模糊化接口就是模糊控制器的输入接口，用来将特定的输入量转换成一个模糊量。对于输入倾角变量，取模糊子集为{NB，NS，ZO，PS，PB}。对于输入变量α，角度在-10度到10度范围内设定为ZO，角度在-30到-10范围内设定为NS，角度在-30以上时设定为NB，角度在10到30范围内设定为PS，角度在30以上时设定为PB。对于另一个输入变量β，同样设定。如图4所示，X轴正方向向下倾斜时角度α为正，同样，Y轴正方向向下倾斜时角度β为正。
输入变量经过模糊化接口后，转换成模糊矢量，在模糊推理机中推理得出模糊控制量，在本发明中，模糊控制量就是三个螺旋桨5的转速以及方向。一般模糊推理的结果一般都是模糊值，不能直接用来作为被控制对象的控制量，因此要将得到的模糊控制量经过解模糊接口转化成一个可以被执行机构所实现的精确量。在本发明中，解模糊接口输出的控制量为各个螺旋桨电气量。
表1为模糊控制规则表，存放在规则库里。规则库用来存放全部模糊控制规则，在推理时为推理机提供控制规则。表中数据为螺旋桨A、B、C转速归一化后的数值，例如数据1表示正向最大转速。注意，表中数据以及实举例数据仅为方便对专利的理解，没有任何限定作用。
表1
例如：螺旋桨A、B、C的最大转速为15转/秒，20米/秒的风速工况下，风电机组发生倾斜，如图4所示，传感器4信号为：θ＝(15，0)T，经模糊控制器得到模糊控制量(0，-0.6，0.6)，即N＝(nA，nB，nC)T＝(0，-9，9)T，所以螺旋桨A停止，螺旋桨B反向转速为9转/秒，螺旋桨C正向转速为9转/秒。经过控制三个螺旋桨的转速，维持了风电机组的平衡，提高风电机组的效率。

Claims (3)

1.一种深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统，包括风机(1)、塔架(2)、悬浮平台(3)、斜拉钢缆(6)以及控制风机(1)工作的风机中心控制器，所述风机(1)安装在塔架(2)上，塔架(2)树立在悬浮平台(3)上，悬浮平台(3)通过斜拉钢缆(6)连接在混凝土墩(7)上，其特征在于：所述悬浮平台(3)上还设置有监测悬浮平台(3)倾斜角度的传感器(4)、集成在风机中心控制器中的实时平衡控制模块和螺旋桨(5)，传感器(4)实时监测悬浮平台(3)倾斜角度信号，实时平衡控制模块接收倾斜角度信号，经过分析计算控制螺旋桨(5)工作维持风机(1)保持平衡；所述悬浮平台(3)下装有对称的三个螺旋桨(5)，螺旋桨控制计算方法如下：
三个螺旋桨(5)分别标记为A、B、C，在X轴螺旋桨A附近安装传感器(4)，风机(1)倾斜时，传感器(4)测得X轴剖面倾斜角度为α，Y轴剖面倾斜角度为β；
中心控制器接受的信号为：
θ0＝(α，β)T
螺旋桨机构状态方程为：N＝(nA，nB，nc)T
其中，nA、nB、nc可为正，可为负，分别表示螺旋桨A、B、C的转速，当为负时，代表螺旋桨(5)反转，当为正时，代表螺旋桨(5)正转，螺旋桨(5)转速方向不同，推力方向相反；
海上风浪较小时，风机状态近似为平衡状态，此时中心控制器接收的信号为：
θ0＝(η，ξ)T
其中，η，ξ代表悬浮平台(3)在X轴，Y轴倾斜的较小角度；
可以得出初始螺旋桨(5)转速：
N0＝(0，0，0)T，N0＝f(θ0)
风电机组倾斜时，传感器(4)感应倾斜角度，此时中心控制器接收的信号为：
θ＝(α，β)T
其中α为X轴剖面倾斜角度，β为Y轴剖面倾斜角度；
可分析计算得出为保持平衡此时螺旋桨(5)应有的转速：
N＝(nA，nB，nc)T，N＝f(θ)。
2.根据权利要求1所述的深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统，其特征在于：所述风机(1)、塔架(2)、悬浮平台(3)、斜拉钢索(6)及混凝土墩(7)组成整体的重心位于水面以下。
3.根据权利要求1所述的深海悬浮式风力发电机组的主动平衡控制系统，其特征在于：所述风机中心控制器通过蓄电池供电，风机(1)正常工作时，通过转换器给蓄电池充电，以保证其能够正常提供控制器所需电能。
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