CN109737014A - 一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统、以及风力发电机组 - Google Patents

一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统、以及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统、以及风力发电机组，平衡控制系统用于控制半潜漂浮式基座的平衡状态，所述平衡控制系统包括安装在半潜漂浮式基座上的平衡监测机构、承载于半潜漂浮式基座的平衡配重物、驱动平衡配重物运动的平衡调整执行机构、以及与平衡监测机构和平衡调整执行机构都相连的控制单元，所述平衡监测机构用于监测半潜漂浮式基座的倾斜度。本发明涉及的平衡控制系统，能够进行实时有效的自动调节，控制半潜漂浮式基座工作时保持平衡状态。安装有本平衡控制系统的风力发电机组，能够保证风机保持好的平衡状态，从而确保风电机组安全运行，提高风力发电效率。

Description

一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统、以及风力发电机组
技术领域
本发明涉及海上发电设备领域，具体涉及一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统、以及风力发电机组。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，能源环保矛盾日趋严峻，海上风电是一种清洁、安全、可再生的能源，是世界上能源利用增长最快的能源，也是最具大规模商业化开发前景的发电方式，在各国能源战略中地位不断提高。
目前，世界上建成的海上风电场绝大多数为近海风电场。未来，海上风电由浅海走向深海将会是必然的发展趋势。深远海范围更广、风能资源更丰富、风速更强更稳定，风能利用率高、且不会与海上渔场、航线等发生冲突，发展海上风电具有得天独厚的优势。深远海区域通常水深较深，在这样的海域固定式风电机组不具备经济性优势，而半潜漂浮式海上风电机组以其结构稳定、运行可靠、移动灵活、适合深海等特点最具发展前景。
在深海海域风力等级较大，当风速过大时半潜漂浮式风电机组倾斜角度也会比较大，较大的倾斜角度会对上部风机的安全稳定运行和发电效率等产生不利影响，严重时会影响到半潜漂浮式风电机组的整体稳定性甚至发生整体倾覆的事故。而现有设计中对半潜漂浮式风电机组的控制主要都是被动式的，多数是通过调整半潜漂浮式风电机组中的平台的几何尺寸等来改善半潜漂浮式风电机组的运动性能，缺少主动平衡控制。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的一个技术问题在于提供一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统，能够及时有效地调整半潜漂浮式基座保持平衡状态。
为实现上述目的，本发明提供一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统，用于控制半潜漂浮式基座的平衡状态，所述平衡控制系统包括安装在半潜漂浮式基座上的平衡监测机构、承载于半潜漂浮式基座的平衡配重物、驱动平衡配重物运动的平衡调整执行机构、以及与平衡监测机构和平衡调整执行机构都相连的控制单元，所述平衡监测机构用于监测半潜漂浮式基座的倾斜度。
进一步地，所述半潜漂浮式基座包括浮体，所述平衡监测机构包括至少三个都安装于浮体、且不位于同一直线上的水压力传感器，每个水压力传感器都与控制单元相连；当所述半潜漂浮式基座位于平衡状态时，每个水压力传感器都处于水平面以下的相同水深处。
进一步地，所述水压力传感器布置在半潜漂浮式基座的外周边处。
进一步地，所述浮体包括至少三个不位于同一直线上的调节浮筒，每个调节浮筒的内部都具有调节腔室、且每个调节浮筒的外壁上都安装有一所述水压力传感器，所述平衡配重物为液体、且位于调节浮筒的调节腔室内，所述平衡调整执行机构包括连通任意相邻两个调节浮筒的调节腔室的输送管道、以及设置在每个输送管道上的双向泵。
进一步地，多个调节浮筒布置在半潜漂浮式基座的周边、且呈等边多边形布置。
进一步地，所述调节浮筒为三个。
进一步地，所述平衡配重物为水。
进一步地，所述平衡控制系统还包括蓄电池，所述蓄电池与平衡调整执行机构和平衡监测机构都相连接。
本发明还提供一种风力发电机组，包括半潜漂浮式基座、安装在半潜漂浮式基座上的塔架、以及安装在塔架上的风机，所述半潜漂浮式基座上安装有上述的平衡控制系统。
进一步地，所述风机、塔架和半潜漂浮式基座组成的整体的重心位于其浮心以下。
如上所述，本发明涉及的半潜漂浮式基座的平衡控制系统、以及风力发电机组，具有以下有益效果：
通过设置平衡监测机构、平衡配重物、平衡调整执行机构、以及控制单元，当平衡监测机构检测到半潜漂浮式基座出现倾斜时，平衡监测机构输出相应的信号给控制单元，控制单元根据半潜漂浮式基座的倾斜情况，控制平衡调整执行机构动作，平衡调整执行机构驱动平衡配重物从半潜漂浮式基座较低位置处向较高位置处运动，以此调整半潜漂浮式基座上的载重分布，使半潜漂浮式基座恢复平衡状态。本发明涉及的平衡控制系统，能够进行实时有效的自动调节，控制半潜漂浮式基座工作时保持平衡状态。安装有本平衡控制系统的风力发电机组，能够保证风机保持好的平衡状态，从而确保风电机组安全运行，提高风力发电效率。
附图说明
图1为本发明中的风力发电机组的结构示意图。
图2为本发明中的平衡控制系统的结构示意图。
图3为本发明中的平衡控制系统的工作流程示意图。
元件标号说明
1 风机
2 塔架
3 半潜漂浮式基座
31 调节浮筒
4 悬链线式系泊结构
5 输送管道
6 双向泵
7 水压力传感器
8 锚固点
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1和图2所示，本发明提供了一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统，用于控制半潜漂浮式基座3的平衡状态，平衡控制系统包括安装在半潜漂浮式基座3上的平衡监测机构、承载于半潜漂浮式基座3的平衡配重物、驱动平衡配重物运动的平衡调整执行机构、以及与平衡监测机构和平衡调整执行机构都相连的控制单元，平衡监测机构用于监测半潜漂浮式基座3的倾斜度。
本发明涉及的平衡控制系统的工作原理如下：安装有平衡控制系统的半潜漂浮式基座3安放在水上，半潜漂浮式基座3的上面可用于承载各种设备，平衡监测机构进行实时监测、并将监测到的半潜漂浮式基座3的倾斜度信息传输给控制单元。参考图3所示，半潜漂浮式基座3在水上正常工作时保持平衡状态，平衡调整执行机构处于停止状态。当出现风浪等情况导致半潜漂浮式基座3出现倾斜时，平衡监测机构输出相应的信号给控制单元，控制单元根据半潜漂浮式基座3的倾斜情况，控制平衡调整执行机构动作，平衡调整执行机构驱动平衡配重物在半潜漂浮式基座3上运动，具体地从半潜漂浮式基座3的较低位置处向较高位置运动处，以此来调整半潜漂浮式基座3上载重的分布，使半潜漂浮式基座3恢复平衡状态，平衡监测机构监测到半潜漂浮式基座3处于平衡状态后，控制单元根据平衡监测机构传来的信号，控制平衡调整执行机构停止动作。本发明涉及的平衡控制系统，能够进行实时有效的自动调节，控制半潜漂浮式基座3工作时有效地保持平衡状态，保证半潜漂浮式基座3工作的稳定性。
作为优选设计，如图1和图2所示，在本实施例中，半潜漂浮式基座3包括浮体，平衡监测机构包括至少三个都安装于浮体、且不位于同一直线上的水压力传感器7，每个水压力传感器7都与控制单元相连，当半潜漂浮式基座3位于平衡状态时，每个水压力传感器7都处于水平面以下的相同水深处，也即所有水压力传感器7都处于同一平面上，水压力传感器7的数量可以根据具体需要确定，此时水压力传感器7所测的压力都相同。当半潜漂浮式基座3出现倾斜时，水压力传感器7会处于不同的水深处，水压力传感器7所测得压力也不全相同，以此通过对比水压力传感器7所测的压力，来判断半潜漂浮式基座3是否处于平衡，具体地，对比任意两个水压力传感器7所测的压力的大小，当水压力传感器7所处的位置越深，所测的压力越大，以此确定半潜漂浮式基座3的倾斜方向和倾斜程度。优选地，水压力传感器7布置在半潜漂浮式基座3的外周边处，此时，当半潜漂浮式基座3出现较小的倾斜时，相应的水压力传感器7所测压力的差也会较大，从而提高对半潜漂浮式基座3倾斜度监测的灵敏度和精确度。本发明中的平衡监测机构也可以采用其他的用于监测平衡状态的检测设备，例如可以采用一些常用的传感器来检测半潜漂浮式基座3上不同点距离水平面的距离，例如激光传感器，红外线传感器等等，传感器可以安装在水上或者水下。
作为优选设计，如图1和图2所示，在本实施例中，浮体包括至少三个不位于同一直线上的调节浮筒31，每个调节浮筒31的内部都具有调节腔室、且每个调节浮筒31的外壁上都安装有一水压力传感器7，平衡配重物为液体，例如液压油、水等，优选地，在本实施例中，平衡配重物为水，水位于调节浮筒31的调节腔室内，平衡调整执行机构包括连通任意相邻两个调节浮筒31的调节腔室的输送管道5、以及设置在每个输送管道5上的双向泵6。调节浮筒31同时起到提供浮力和用于平衡配重物调整的作用，两个调节浮筒31之间的双向泵6可以将位于该两个调节浮筒31的调节腔室中的水通过输送管道5进行相互传输，从而实现半潜漂浮式基座3上载重的重新分配，以此使半潜漂浮式基座3恢复平衡。浮体可以只包括调节浮筒31，也可以还包括只提供浮力的浮筒，或者还包括其他类型的用于提供浮力的物体。调节浮筒31的数量可以根据实际需要确定，优选地，调节浮筒31布置在半潜漂浮式基座3周边、且呈等边多边形布置，更有利于调节半潜漂浮式基座3恢复平衡，具体在本实施中，如图1和图2所示，调节浮筒31为三个、且结构相同，三个调节浮筒31布置在半潜漂浮式基座3周边、且呈等边三角形布置，三个水压力传感器7分别安装在三个调节浮筒31的外壁上、且呈等边三角形布置，以此所需要的零部件少，同时调节方便快捷。优选地，平衡控制系统还包括蓄电池(附图中未示出)，蓄电池与双向泵6和水压力传感器7都相连接，进行供电。
以本实施例中的平衡控制系统为例，参考图3所示，平衡控制系统对半潜漂浮式基座3进行控制的方法说明如下：
将三个调节浮筒31分别标记为调节浮筒A、调节浮筒B和调节浮筒C，安装在调节浮筒A、调节浮筒B和调节浮筒C上的水压力传感器7分别标记为水压力传感器A、水压力传感器B、水压力传感器C，水压力传感器A、水压力传感器B、水压力传感器C所测的压力分别记为PA、PB、PC。调节浮筒A和调节浮筒B之间、调节浮筒B和调节浮筒C之间、调节浮筒A和调节浮筒C之间的输送管道5分别标记为输送管道AB、输送管道BC、输送管道CA，位于输送管道AB、输送管道BC、输送管道CA上的双向泵6分别标记为双向泵AB、双向泵BC、双向泵CA。
(a)无风无浪时，半潜漂浮式基座3处于平衡状态，此时PA＝PB＝PC，双向泵AB、双向泵BC和双向泵CA均处于关闭状态。
(b)半潜漂浮式基座3倾斜时，水压力传感器A、水压力传感器B、水压力传感器C不处于同一水深，所述测得的压力值PA、PB、PC也不全相同，会出现以下三种情况：
(1)当PA>PB>PC时，此时控制单元同时控制双向泵AB、双向泵BC和双向泵CA启动，双向泵AB将水由调节浮筒A通过输送管道AB抽向调节浮筒B，直到PA＝PB，双向泵CA将水由调节浮筒A通过输送管道CA抽向调节浮筒C，直到PA＝PC，双向泵BC将水由调节浮筒B通过输送管道BC抽向调节浮筒C，直到PB＝PC。通过三个双向泵6对调节浮筒A、调节浮筒B和调节浮筒C内的水载重的调节，最终达到PA＝PB＝PC，半潜漂浮式基座3重新恢复到平衡状态。
(2)当PA>PB＝PC时,控制单元同时控制双向泵AB、双向泵CA启动，双向泵AB将水由调节浮筒A通过输送管道AB抽向调节浮筒B，直到PA＝PB，双向泵CA将水由调节浮筒A通过输送管道CA抽向调节浮筒C，直到PA＝PC，双向泵BC最开始不启动，当调整过程中出现PB≠PC时，例如PB>PC时，控制单元控制双向泵BC启动，将水由调节浮筒B通过输送管道BC抽向调节浮筒C，直到PB＝PC。通过三个双向泵6对调节浮筒A、调节浮筒B和调节浮筒C内的水载重的调节，最终达到PA＝PB＝PC，半潜漂浮式基座3重新恢复到平衡状态。
(3)当PA＝PB>PC时,控制单元同时控制双向泵BC、双向泵CA启动，双向泵BC将水由调节浮筒B通过输送管道BC抽向调节浮筒C，直到PB＝PC，双向泵CA将水由调节浮筒A通过输送管道CA抽向调节浮筒C，直到PA＝PC，双向泵AB最开始不启动，当调整过程中出现PA≠PB时，例如PA>PB时，控制单元控制双向泵AB启动，将水由调节浮筒A通过输送管道AB抽向调节浮筒B，直到PA＝PB。通过三个双向泵6对调节浮筒A、调节浮筒B和调节浮筒C内的水载重的调节，最终达到PA＝PB＝PC，半潜漂浮式基座3重新恢复到平衡状态。
采用本实施例的平衡控制系统，由于三个水压力传感器7为实时监测，且三个双向泵6相互独立工作，只要出现两个调节浮筒31上水压力传感器7所测的压力不一样，控制单元就会及时控制该两个调节浮筒31之间的双向泵6启动，来调整两个调节浮筒31内的水载重分布，以此及时调整半潜漂浮式基座3上的载重分布，使半潜漂浮式基座3重新恢复到平衡状态，调节快速高效、效果好，且实现了自动调节。
如图1所示，本发明还提供了一种风力发电机组，包括半潜漂浮式基座3、安装在半潜漂浮式基座3上的塔架2、以及安装在塔架2上的风机1，半潜漂浮式基座3上安装有上述的平衡控制系统。半潜漂浮式基座3通过悬链线式系泊结构4连接在海底锚固点8上。优选地，风机1通过转换器与平衡控制系统的蓄电池相连接，为蓄电池充电，保证蓄电池能够持续的为平衡控制系统中的双向泵6和水压传感器器供电，避免需要频繁更换蓄电池。
作为优选设计，风机1、塔架2和半潜漂浮式基座3组成整体的重心位于其浮心以下，从而提高风力发电机组整体的稳定性，风力发电机组在平衡控制系统不工作时也仅发生倾斜而不会产生倾翻事故。
本发明涉及的风力发电机组，结构简单，平衡稳定性好，通过平衡控制系统对半潜漂浮式基座3的平衡控制，使得风力发电机组在水面上工作时能够保持良好的平衡状态，可有效的避免风力发电机组发生整体倾覆事故，保证风机1的安全稳定运行和发电效率。
综上所述，发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种半潜漂浮式基座的平衡控制系统，用于控制半潜漂浮式基座(3)的平衡状态，其特征在于：所述平衡控制系统包括安装在半潜漂浮式基座(3)上的平衡监测机构、承载于半潜漂浮式基座(3)的平衡配重物、驱动平衡配重物运动的平衡调整执行机构、以及与平衡监测机构和平衡调整执行机构都相连的控制单元，所述平衡监测机构用于监测半潜漂浮式基座(3)的倾斜度。
2.根据权利要求1所述的平衡控制系统，其特征在于：所述半潜漂浮式基座(3)包括浮体，所述平衡监测机构包括至少三个都安装于浮体、且不位于同一直线上的水压力传感器(7)，每个水压力传感器(7)都与控制单元相连；当所述半潜漂浮式基座(3)位于平衡状态时，每个水压力传感器(7)都处于水平面以下的相同水深处。
3.根据权利要求2所述的平衡控制系统，其特征在于：所述水压力传感器(7)布置在半潜漂浮式基座(3)的外周边处。
4.根据权利要求2所述的平衡控制系统，其特征在于：所述浮体包括至少三个不位于同一直线上的调节浮筒(31)，每个调节浮筒(31)的内部都具有调节腔室、且每个调节浮筒(31)的外壁上都安装有一所述水压力传感器(7)，所述平衡配重物为液体、且位于调节浮筒(31)的调节腔室内，所述平衡调整执行机构包括连通任意相邻两个调节浮筒(31)的调节腔室的输送管道(5)、以及设置在每个输送管道(5)上的双向泵(6)。
5.根据权利要求4所述的平衡控制系统，其特征在于：多个调节浮筒(31)布置在半潜漂浮式基座(3)的周边、且呈等边多边形布置。
6.根据权利要求4所述的平衡控制系统，其特征在于：所述调节浮筒(31)为三个。
7.根据权利要求4所述的平衡控制系统，其特征在于：所述平衡配重物为水。
8.根据权利要求1所述的平衡控制系统，其特征在于：还包括蓄电池，所述蓄电池与平衡调整执行机构和平衡监测机构都相连接。
9.一种风力发电机组，包括半潜漂浮式基座(3)、安装在半潜漂浮式基座(3)上的塔架(2)、以及安装在塔架(2)上的风机(1)，其特征在于：所述半潜漂浮式基座(3)上安装有权利要求1-8任一项所述的平衡控制系统。
10.根据权利要求8所述的风力发电机组，其特征在于：所述风机(1)、塔架(2)和半潜漂浮式基座(3)组成的整体的重心位于其浮心以下。
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