CN106089577A - 基于tmd及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TMD及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法，一)在锚链处于悬链状态：1)通过分析得到阻尼器力与活塞相对于缸体的位移之间的对应关系，2)分别建立浮台、塔架和TMD的运动方程；二)在锚链处于张紧状态：1)建立浮台及锚链的相关动力学方程，2)对控制锚链的电机进行主动控制，以收缩和释放连接浮台的锚链，从而使浮台减少纵荡，横荡和艏摇的现象。本发明通过采用被动TMD调节的同时，并针对不同海况改变悬链状态，对海上驳船式结构的漂浮式风力机组的载荷响应进行控制，从而可以有效降低浮式风力机在不同工况下的总体载荷和机舱、浮台的俯仰运动，进而提高漂浮式风电机组的输出电能质量并增加其使用寿命。

Description

基于TMD及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法

技术领域

本发明专利涉及漂浮式风电机组减载控制方法，尤其涉及一种基于TMD及主动锚链结构的控制方法，它是一种可以有效降低浮式风电机组在不同海况下的总体载荷，在一定程度上保证浮台的平稳，进而提高风力机的使用寿命和输出电能质量的减载控制方法。

背景技术

漂浮式海上风力发电机组本身虽然能够较大程度利用深海的风能资源，但其外界载荷条件比陆地上固定式风力发电机组更加复杂,其原因是除了受到通常的风和浪载荷以外,还要考虑风、浪载荷的大小问题。同时相对固定式海上风力发电机来说，浮式平台的运动对系统发电也有很大的影响。由于风和浪具有随机性的特点，环境载荷波动会造成风电机组的载荷波动变化，使风电机组输出功率不稳定。特别是风和波浪引起的浮台和塔架的倾斜运行，由于大惯性和重力作用，大大增加风机的结构载荷，从而影响风力机的使用寿命和输出电能质量。

在载荷控制方面，目前更多的采用独立变桨距控制和在机舱中加大振动能量耗散方法对风电机组载荷进行控制研究。但采用以上方法对受到较大波浪载荷作用的浮式风电系统而言，其载荷控制无法满足要求，同时荷载控制也以牺牲部分功率为代价。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于TMD及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法，以实现有效减小海上浮式风电机组的总体载荷，并在一定程度上保证浮台的平稳，提高风力机的使用寿命和输出电能质量。

本发明基于TMD及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法，包括：

一)在锚链处于悬链状态

1)对浮台内被动TMD的结构进行分析，得到阻尼器力F与活塞相对于缸体的位移x之间的对应关系：式中，F_tmd为变阻尼力；d_tmd为阻尼系数；为活塞相对缸体的速度；k_tmd为弹簧系数；x_tmd为弹簧伸缩位移；

2)利用Kane动力学方程，分别建立浮台、塔架和TMD的运动方程：

$I_p{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_p=-d_p{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p-k_p{\mathrm{\θ}}_p-m_p{\mathrm{gR}}_p{\mathrm{\θ}}_p+h_t({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_p)+d_t({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p)-F_{tmd}{R}_{tmd}-m_{tmd}g(R_{tmd}{\mathrm{\θ}}_p-x_{tmd}),$

$I_t{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_t=m_t{\mathrm{gR}}_t{\mathrm{\θ}}_t-k_t({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_p)-d_t({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p),$

$m_{tmd}{\stackrel{\·\·}{x}}_{tmd}=F_{tmd}+m_{tmd}{\mathrm{g\θ}}_p;$

其中，θ_p表示浮台偏离垂直平面的角度，θ_t表示塔架偏离垂直平面的角度；k_p表示浮台的弹性常数，k_t表示塔架的弹性常数；d_p表示浮台的阻尼系数，d_t表示塔架的阻尼系数；R_tmd为到阻尼器质心到铰链的距离；R_t为塔架质心到铰链的距离；R_p为浮台质心到铰链的距离；I_p表示浮台转动惯量，I_t表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；m_tmd为阻尼器的质量；m_t为塔架的质量；m_p为浮台质量；x_tmd表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离；F_tmd为变阻尼力；

二)在锚链处于张紧状态

1)在锚链处于张紧状态时，建立海上漂浮式风机组浮台及锚链的相关动力学方程：

Tsinθ＝wl＝T_v，

Tcosθ＝T′，

其中，T'是长为l的锚链在水深h处于张紧状态时受到的水平力，T_V是长为l的锚链在水深h处于张紧状态时受到的垂向力，θ为链部上端切线方向与水平面的夹角，w为锚链在水中单位长度的重量；

在考虑浮台与锚链之间的关系时，平衡状态的情况如下：

$\begin{array}{c}{F}_f=M_{z}g+T_1{\mathrm{sin\θ}}_1+T_2{\mathrm{sin\θ}}_2+T_3{\mathrm{sin\θ}}_3+T_4{\mathrm{sin\θ}}_4\\ =M_{z}g+{\Σ}_{i=1}^4{T}_i{\mathrm{sin\θ}}_i\end{array},$

式中，θ_i为第i根锚链与海底水平面的夹角；T_i为第i根锚链所受到的拉力；F_f为浮台所受浮力；M_z为漂浮式风机和浮台总质量；g为重力加速度；

2)将以上的平衡状态作为参考状态，在受到风和浪作用时，利用传感器实时检测浮台相对于参考状态的俯仰角加速度角速度和角位移θ，并将各量的检测值与期望值相比较；

通过比较后的结果制定电机的转向和转速大小的规则库；

利用上述规则库编写相应的程序，导入PLC控制器，从而对电机进行主动控制，以收缩和释放连接浮台的锚链，从而使浮台减少纵荡，横荡和艏摇的现象。

本发明的有益效果：

本发明一种基于TMD及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法，通过采用被动TMD调节的同时，并针对不同海况改变悬链状态，对海上驳船式基础结构的漂浮式风力机组的载荷响应进行控制；针对实际中，当波浪和风作用引起浮台的仰俯运动较小时，通过在浮台内安装被动TMD阻尼器，并对其进行结构减振控制；当波浪和风作用引起浮台的仰俯运动很大时，通过改变悬链状态后，实时监测浮台的状态，利用拉紧后悬链的收放对浮台进行主动控制。从而可以有效降低浮式风力机在不同工况下的总体载荷和机舱、浮台的俯仰运动，进而提高漂浮式风电机组的输出电能质量并增加其使用寿命。

附图说明

图1为浮台中配置了被动TMD的漂浮式风力机结构示意图，图中：1-海平面，2-浮台，3-塔架，4-被动TMD；

图2为多阶段TMD及锚链控制示意图，图中海况1指锚链处于悬链状态，海况2指锚链处于张紧状态；

图3为被动TMD的力-相关参数结构图；

图4为张紧式锚泊线示意图；

图5为浮台受力示意图，图中：5-第一锚，6-第二锚，7-第三锚，8-第四锚；

图6为浮台受力分析俯视图，图中-第一锚链水平分力，-第二锚链水平分力，-第三锚链水平分力，-第四锚链水平分力；

图7为PLC控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图所示，本实施例基于TMD及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法，包括：

一)在锚链处于悬链状态，此时为海况1一般海况下：

1)对浮台内被动TMD的结构进行分析，得到阻尼器力F与活塞相对于缸体的位移x之间的对应关系：式中，F_tmd为变阻尼力；d_tmd为阻尼系数；为活塞相对缸体的速度；k_tmd为弹簧系数；x_tmd为弹簧伸缩位移；TMD即调谐质量阻尼器；

2)由于风电机组的浮台是承受整个风电机组的关键部分，如果浮台减少纵荡，横荡和艏摇的现象，那么风电机组的稳定性大大增加；因此，本发明只考虑浮台的俯仰模式。在海况1下，风电机组配置了被动TMD后，风机在原有模型中耦合了新的自由度，附图1给出了耦合纵向自由度的风机模型，耦合模型多了与被动TMD相关的驱动力和惯性力；

利用Kane动力学方程，分别建立浮台、塔架和TMD的运动方程：

$I_p{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_p=-d_p{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p-k_p{\mathrm{\θ}}_p-m_p{\mathrm{gR}}_p{\mathrm{\θ}}_p+h_t({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_p)+d_t({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p)-F_{tmd}{R}_{tmd}-m_{tmd}g(R_{tmd}{\mathrm{\θ}}_p-x_{tmd}),$

$I_t{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_t=m_t{\mathrm{gR}}_t{\mathrm{\θ}}_t-k_t({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_p)-d_t({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p),$

$m_{tmd}{\stackrel{\·\·}{x}}_{tmd}=F_{tmd}+m_{tmd}{\mathrm{g\θ}}_p;$

其中，θ_p表示浮台偏离垂直平面的角度，θ_t表示塔架偏离垂直平面的角度；k_p表示浮台的弹性常数，k_t表示塔架的弹性常数；d_p表示浮台的阻尼系数，d_t表示塔架的阻尼系数；R_tmd为到阻尼器质心到铰链的距离；R_t为塔架质心到铰链的距离；R_p为浮台质心到铰链的距离；I_p表示浮台转动惯量，I_t表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；x_tmd表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离；F_tmd为变阻尼力；m_tmd为阻尼器的质量；m_t为塔架的质量；m_p为浮台质量；进而可得到附图2中选择海况1模式，在受到风和浪作用后，通过控制被动TMD产生一个与浮台振动方向相反的惯性力作用在浮台上，使浮台的振荡衰减并受到抑制，即能调节浮台的稳定性；

二)在锚链处于张紧状态，此时为海况2极端海况下：

先将整个风电机组做如附图4,5和6所示考虑，假设在没有风和浪作用时，作为最佳平衡状态(参考状态)，受到风和浪影响时风电机组的状态都期望朝着平衡状态运动；

1)在锚链处于张紧状态时，先对平衡状态做数学分析，建立海上漂浮式风机组浮台及锚链的相关动力学方程：

Tsinθ＝wl＝T_v，

Tcosθ＝T′，

其中，T'是长为l的锚链在水深h处于张紧状态时受到的水平力，T_V是长为l的锚链在水深h处于张紧状态时受到的垂向力，θ为链部上端切线方向与水平面的夹角，w为锚链在水中单位长度的重量；本实施例以连接浮台的锚链为四根为例，一根锚链对应一个控制其收缩和释放的电机，在考虑浮台与锚链之间的关系时，平衡状态的情况如下：

$\begin{array}{c}{F}_f=M_{z}g+T_1{\mathrm{sin\θ}}_1+T_2{\mathrm{sin\θ}}_2+T_3{\mathrm{sin\θ}}_3+T_4{\mathrm{sin\θ}}_4\\ =M_{z}g+{\Σ}_{i=1}^4{T}_i{\mathrm{sin\θ}}_i\end{array},$

$T_1^{\′}cos\left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)+T_2^{\′}cos\left({\mathrm{\θ}}_2^{\′}\right)=T_3^{\′}cos\left({{\mathrm{\θ}}_3}^{\′}\right)+T_4^{\′}cos\left({{\mathrm{\θ}}_4}^{\′}\right),$

$T_1^{\′}\sin \left({{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}\right)+T_2^{\′}\sin \left({\mathrm{\θ}}_2^{\′}\right)=T_3^{\′}\sin \left({{\mathrm{\θ}}_3}^{\′}\right)+T_4^{\′}\sin \left({{\mathrm{\θ}}_4}^{\′}\right),$

式中，θ_i为第i根锚链与海底水平面的夹角；T_i为第i根锚链所受到的拉力；T_i′为第i根锚链水平分力；θ_i′为第i根锚链水平分力方向与浮台一边的夹角；F_f为浮台所受浮力；M_z为漂浮式风机和浮台总质量，i＝1,2,3,4；

以上分析的量均为参考量，所有的不平衡状态都要将此状态作为参考状态；

2)电机的转向和大小与浮台俯仰角位移，角速度及角加速度均有相关的联系，故如附图5所示在风电机组受到风和浪作用时(考虑单一方向作用)，浮台偏移参考位置，发生了俯仰运动，产生浮台俯仰角位移、角速度及角加速度；

利用传感器实时检测浮台相对于参考状态的俯仰角加速度角速度和角位移θ，并将各量的检测值与期望值相比较；

通过比较后的结果制定电机的转向和转速大小的规则库：

上述规则库中，通过对俯仰角位移的正负性，角速度以及角加速度变化方向确定，将各个变化量的组合分为6组不同的情况；

然后通过分析每种情况确定电机工作电压μ的方向和大小，从而控制电机的转向和大小，偏移量方程如下所示：

其中为位移观测量，θ_i为位移参考量；

电机工作电压的表达式如下：

${\mathrm{\μ}}_i=k_i(a_i{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_i+b_i{\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}_i+c_i{\widehat{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}}_i),i=1,2,3,4;$

其中，μ_i表示第i个电机的工作电压；为浮台俯仰角位移偏移量；为浮台俯仰角速度；为浮台俯仰角加速度；a_i，b_i和c_i分别角位移偏移量，角速度，角加速度相关系数；k_i为放大系数；

利用上述规则库编写相应的程序，导入PLC控制器，从而对控制锚链的电机的工作电压实时控制，进而使电机转向和大小得到确定，以收缩或释放连接浮台的锚链，从而使浮台减少纵荡，横荡和艏摇的现象。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于TMD及主动锚链结构控制的浮式风电机组减载方法，其特征在于：包括：

一)在锚链处于悬链状态

1)对浮台内被动TMD的结构进行分析，得到阻尼器力F与活塞相对于缸体的位移x之间的对应关系：式中，F_tmd为变阻尼力；d_tmd为阻尼系数；为活塞相对缸体的速度；k_tmd为弹簧系数；x_tmd为弹簧伸缩位移；

2)利用Kane动力学方程，分别建立浮台、塔架和TMD的运动方程：

$I_p{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_p=-d_p{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p-k_p{\mathrm{\θ}}_p-m_p{\mathrm{gR}}_p{\mathrm{\θ}}_p+k_t({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_p)+d_t({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p)-F_{tmd}{R}_{tmd}-m_{tmd}g(R_{tmd}{\mathrm{\θ}}_p-x_{tmd}),$

$I_t{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_t=m_t{\mathrm{gR}}_t{\mathrm{\θ}}_t-k_t({\mathrm{\θ}}_t-{\mathrm{\θ}}_p)-d_t({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_t-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_p),$

$m_{tmd}{\stackrel{\·\·}{x}}_{tmd}=F_{tmd}+m_{tmd}{\mathrm{g\θ}}_p;$

其中，θ_p表示浮台偏离垂直平面的角度，θ_t表示塔架偏离垂直平面的角度；k_p表示浮台的弹性常数，k_t表示塔架的弹性常数；d_p表示浮台的阻尼系数，d_t表示塔架的阻尼系数；R_tmd为到阻尼器质心到铰链的距离；R_t为塔架质心到铰链的距离；R_p为浮台质心到铰链的距离；I_p表示浮台转动惯量，I_t表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；x_tmd表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离；F_tmd为变阻尼力；m_tmd为阻尼器的质量；m_t为塔架的质量；m_p为浮台质量；

二)在锚链处于张紧状态

1)在锚链处于张紧状态时，建立海上漂浮式风机组浮台及锚链的相关动力学方程：

T sinθ＝wl＝T_v，

T cosθ＝T′，

其中，T′是长为l的锚链在水深h处于张紧状态时受到的水平力，T_V是长为l的锚链在水深h处于张紧状态时受到的垂向力，θ为链部上端切线方向与水平面的夹角，w为锚链在水中单位长度的重量；

在考虑浮台与锚链之间的关系时，平衡状态的情况如下：

$\begin{array}{c}{F}_f=M_{z}g+T_1{\mathrm{sin\θ}}_1+T_2{\mathrm{sin\θ}}_2+T_3{\mathrm{sin\θ}}_3+T_4{\mathrm{sin\θ}}_4\\ =M_{z}g+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^4{T}_i{\mathrm{sin\θ}}_i\end{array},$

式中，θ_i为第i根锚链与海底水平面的夹角；T_i为第i根锚链所受到的拉力；F_f为浮台所受浮力；M_z为漂浮式风机和浮台的质量；g为重力加速度；

2)将以上的平衡状态作为参考状态，在受到风和浪作用时，利用传感器实时检测浮台相对于参考状态的俯仰角加速度角速度和角位移θ，并将各量的检测值与期望值相比较；

通过比较后的结果制定电机的转向和转速大小的规则库；

利用规则库编写相应的程序，导入PLC控制器，从而对控制锚链的电机进行主动控制，以收缩和释放连接浮台的锚链，从而使浮台减少纵荡，横荡和艏摇的现象。