CN110192028B - 用于浮式风力涡轮机结构的控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种控制浮式风力涡轮机结构的涡轮机以减小其系泊设备的疲劳的方法，所述方法包括基于风力涡轮机结构的纵摇运动，以及基于相对于风力涡轮机结构的系泊设备的方向在风力涡轮机结构处的风力方向削减涡轮机。可选地，所述削减可以进一步基于风力涡轮机从参考位置位移的程度。

Description

用于浮式风力涡轮机结构的控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于浮式风力涡轮机结构的控制系统。
背景技术
风力涡轮机结构通常由包括细长塔架的支撑结构，以及附接至支撑结构的上端的机舱和转子形成。发电机及其相关联的电子器件通常位于机舱中。
固定至陆地或海床的固定基座式风力涡轮机已建立完善。然而，最近期望改进浮式风力涡轮机，并且已经提出了各种各样的结构。一个示例为将传统的风力涡轮机结构安装在诸如浮力平台或筏状结构的浮式基座上的风力涡轮机结构。另一提议为“柱形浮标”型结构。这种结构由在顶部安装有转子的细长浮力支撑结构形成。支撑结构可以是整体结构，或者基座部分可以形成为在其上安装有标准塔架的细长下层结构。
当浮式风力涡轮机结构受诸如那些由风速或水流的改变引起的力的作用时，整体结构在水中移动。这些运动可能具有高振幅但具有相对低的频率，即，它们是大的慢速运动——这些运动是低频率的，因为在它们比涡轮机本身的旋转频率低得多。
风力涡轮机结构所经历的运动被描述为“垂荡”，即线性垂直(上/下)运动，“横荡”，即线性横向(侧对侧)运动，“纵荡”，即线性纵向(前/后)运动，“横摇”，即本体绕其水平(前/后)轴线的旋转，“纵摇”，即本体绕其横向(侧对侧)轴线的旋转，以及“艏摇”，即本体绕其垂直轴线的旋转。
浮式风力涡轮机结构通常通过一个或多个具有锚的系泊线系泊至海床，以约束这些运动。传统的用于浮式风力涡轮机的系泊系统设计是基于在海洋气象学设计基础上制定的疲劳极限状态(FLS)和最终极限状态(ULS)载荷情况的仿真，并且使用来自相关标准的相应的安全系数以说明不确定性。然而，这些安全系数考虑到了与来自海洋设计基础的环境载荷相关的不确定性，系泊设备通常明显地过度设计以用于实际运行情况。
已提出在某些装置中利用推进器抵消风力涡轮机结构的浮式基座的运动，并且因此减小系泊设备上的载荷。然而，仍然存在对于减小系泊设备载荷中的不确定性的代替或改进方法的需求。
发明内容
本发明提供了一种控制浮式风力涡轮机结构的涡轮机的方法，优选地以减小其系泊设备的疲劳，方法包括基于风力涡轮机结构的运动，优选地为纵摇运动，以及相对于风力涡轮机的系泊设备的方向在风力涡轮机结构处的风力方向来削减涡轮机。
风力涡轮机结构的振荡运动和风力的方向被认为是对风力涡轮机结构的系泊结构的疲劳寿命具有显著影响的两个系数。纵摇运动在涡轮机上存在振荡载荷时发生，例如由于风速变化和/或波浪载荷，这继而引起系泊中的振荡载荷。在这些运动连同系泊设备上已有的重载荷一起发生的情况下，这可以显著增加系泊设备中的疲劳。风力方向影响系泊结构如何受载。例如，不利的风力方向可能将载荷中的大部分加至单个系泊线上，反之更有利的风力方向可能将其分散在两个系泊线之间。
通过监控运行期间的风力涡轮机结构的运动(尤其是纵摇运动，这对风力载荷有指示性，并且同样与波浪载荷强相关)和风力方向，并且在它们不利时削减风力涡轮机(因此减小风力涡轮机结构上的气动转子推力)，可以显著减小风力涡轮机结构的系泊设备中的载荷和疲劳，从而增加其运行寿命。
此外，通过提供这种形式的控制，可以在风力涡轮机结构的设计阶段使用更低的安全系数，因为在不利条件下涡轮机将能够减小功率输出(以及之后的载荷)，意味着系泊结构不需要设计为在最坏条件下以最大功率输出承受最大载荷。
风力涡轮机结构优选地包括浮式基座、从浮式基座延伸的塔架以及安装至塔架的涡轮机。涡轮机优选地包括通常在机舱内的转子和发电机。风力涡轮机结构可以设置有系泊设备，诸如从风力涡轮机结构延伸至海床以保持风力涡轮机的位置的悬链式系泊设备。
在不同的实施例中，风力涡轮机结构的(纵摇)运动和/或风力方向可被直接测量，例如使用位于浮式风力涡轮机上的或在其附近的仪器测量，或可被估量，例如基于风力涡轮机结构的其他被测量的特性或其环境估量。
如本文所使用的术语“削减”旨在指对于同样的风速相比风力涡轮机的正常功率输出减小风力涡轮机的功率输出。因此，削减涡轮机相对于非削减运行减小了施加至风力涡轮机结构的风力推力载荷。削减方法通常包括施加叶片螺距偏离(以减小气动升力)或增大发电机的电阻(以对转子施加较大的对抗扭矩)。
削减优选地为基于(纵摇)运动的可变性。即，(纵摇)运动当时变化的程度的某种度量。例如，削减可基于在一段预定时间内的纵摇运动的标准偏差。优选地，一段时间为至少1分钟，并且优选地小于1小时。更优选地，一段时间在5分钟与15分钟之间。
削减优选地包括至少一个基于(纵摇)运动的分量和/或基于风力方向的分量。
优选地，当(纵摇)运动度量处于可变性的临界水平以下时，基于(纵摇)运动的分量和/或基于风力方向的分量的每一个可以为常量，例如零。这是因为是变化的运动导致了系统中的疲劳，并且最大的运动导致了最大的疲劳。大的静力不引起疲劳损坏并且因此需要更少的削减。可以理解，然而，除基于(纵摇)运动的削减和/或基于风力方向的削减之外的削减可能仍然应用于可变性的临界水平以下。例如，出于诸如由于高于额定速度的风速或抵抗基于水流的漂移的其他原因的削减，甚至可能应用于纵摇运动的临界水平以下。
基于(纵摇)运动的分量优选地随(纵摇)运动的度量而增大。更具体地，基于(纵摇)运动的分量优选地随(纵摇)运动可变性(例如，一段预定时间内(纵摇)运动的标准偏差)而增大。增大可以是线性或非线性的。
基于风力方向的分量优选地相对于系泊设备的方向至少部分地随风力方向线性地增大。也就是说，至少对于风力方向的特定值，基于风力方向的分量线性地增大。然而，在其他实施例中，基于风力方向的分量可以相对于系泊设备的方向随风力方向非线性地变化。
基于风力方向的分量优选地在风力接近风力涡轮机结构直接越过系泊设备中的一个时(即，风力沿平行于从其锚端朝向风力涡轮机结构的系泊设备的方向的方向朝向涡轮机吹动)具有最大值，并且在风力接近风力涡轮机直接在两个相邻系泊设备之间时具有最小值。在风力接近风力涡轮机结构直接越过系泊设备中的一个时，系泊设备将承担风力载荷中的多数。优选地基于风力方向的分量对在风力直接接近越过系泊设备中的一个处的每一风力方向具有最大值，并且对在风力直接接近在两个相邻系泊设备之间时的每一风力方向具有最小值。基于风力方向的分量可以随风力方向在最大值与最小值之间线性地变化。然而，在某些实施例中变化可以是非线性的。
此布置方式说明了当风力接近越过单个系泊设备时，载荷的大部分将施加至该系泊设备，反之当其接近两系泊设备之间时，每一系泊设备上的载荷将会降低，因为风力载荷将分散在两系泊设备之间。同样地，当风力加载至单个系泊设备使得系泊设备上的载荷可能显著提高时，涡轮机应当被削减。
削减可通过对涡轮机的一个或多个叶片施加叶片螺距偏离来实施，以便于减小浮式风力涡轮机结构上的气动转子推力。间距偏离优选地与叶片可以正常运行以达到涡轮机的期望功率输出(例如，低于额定风速的最大功率输出，或者高于额定风速的额定功率输出)所在的方向相关。叶片螺距偏离优选地使叶片相对于相对气流变平，使得功率削减减小。
叶片螺距偏离可以至少部分地基于以下公式确定：
βoffset(αW,ηSTD)＝βwind_offset(αW)+βpitch_offset(ηSTD)
其中βoffset为叶片螺距偏离，αw为风力方向，ηSTD为在一段预定时间内的纵摇运动的标准偏差或由此得到的值，βpitch_offset为基于ηSTD的偏离，并且βwind_offset为基于风力方向的偏离。
换言之，叶片偏离包括随风力方向变化的分量和随纵摇运动的标准偏差变化的分量。可以理解的是除此分量之外，也可以完成其他叶片螺距变型。例如，叶片螺距变型也可以应用于当高于额定风速时抑制对于额定功率输出的功率输出。
基于风力方向的偏离至少部分地基于以下公式确定：
Figure GDA0003475376000000041
其中β2为常量，α0为常量，并且θ为相邻的系泊线之间的角距离。
此公式输出了相对于系泊设备的方向随风力方向线性地增大和减小的折线函数。常量α0优选地选定为使得当风力直接接近越过系泊线时公式有最大值。
基于纵摇运动的偏离至少部分地基于以下公式确定：
Figure GDA0003475376000000051
其中ηSTD_0为常量，β1为常量。
因此，叶片偏离可以随标准偏差或由此得到的值线性地变化。例如，得到的值可为加至最重载荷的系泊线上的在一段预定时间内的纵摇运动的标准偏差的映射。
对于ηSTD<ηSTD_0的βoffset(αW,ηSTD)的值优选地设定为零。换言之，低于ηSTD_0，此分量不适用叶片偏离。如上述所讨论的，小纵摇振荡已被发现在系泊设备中引起相对低级的疲劳损坏，并且考虑到这些因此不必要减小功率输出。
作为应用叶片螺距变型的一个可选方式，削减可以通过增大由涡轮机的发电机施加的对抗扭矩代替地实现，即，以便于减小涡轮机的气动转子推力。这可以例如使用齿轮而机械地实现，或例如通过增大从发电机引入的电流而电力地实现。
除了基于风力方向和纵摇运动而削减风力涡轮机，方法还包括基于风力涡轮机结构相对于参考位置的位置而削减风力涡轮机。此类型的偏离通常指示高水流力。承受了高水流力，连同高风力载荷，系泊设备会承受增大的疲劳载荷并且也有更接近其拉伸失效载荷点的风险。因此，大的位置的偏离的缺点也是施加至涡轮机的转子推力载荷应当减小以延长系泊设备的寿命(即，通过削减风力涡轮机)的实用的指示。
参考位置优选地为在无外部力作用至风力涡轮机结构时，即零水流载荷和零风力载荷的风力涡轮机结构的位置。
风力涡轮机结构的位置可以使用诸如导航星全球定位系统(GPS)的基于卫星的定位系统或来自系泊线中的平均张力来确定。风力涡轮机结构的参考位置优选地在风力涡轮机结构的浮式基座中，并且可以位于风力涡轮机结构的导缆水平面处。
基于风力涡轮机结构的位置的削减可以基于风力涡轮机的频率滤波位置，频率滤波位置优选地已被低通滤波。例如，该值可被低通滤波以移除较高频率的分量。低通滤波器可以衰减具有低于至少1分钟，优选地低于至少5分钟，最优选地低于至少10分钟的振荡周期的频率。这是为了使由于波浪载荷或诸如此类的削减中的波动最小化。相反，这抑制了处于较低频率下发生的对于基于水流的载荷的加载。
基于风力涡轮机的位置的削减可包括基于位置的分量。如上述所讨论的，这可以与风力涡轮机的基于(纵摇)运动的削减和相对于风力涡轮机的系泊设备的方向的风力方向组合。换言之，削减可以包括基于(纵摇)运动的分量、基于风力方向的分量和基于位置的分量。
基于位置的分量仅在涡轮机的位置自参考位置大于预定的临界距离时可应用。临界距离可以依赖于自参考位置的位移/偏离的方向而变化。例如，允许的位移/偏离在载荷不直接拉动任一系泊设备时可变大，因为与由于系泊设备的推力相反，位移/偏离的部分然后将由系泊设备的旋转引起。
基于位置的分量优选地包括至少一个成比例的分量，其与涡轮机自参考位置的距离成比例。更具体地，成比例的分量与从涡轮机超出临界距离的距离、或从涡轮机超出临界距离的距离得到的值成比例。
基于位置的分量优选地包括至少一个积分分量，其与涡轮机超出临界距离的距离积分、或从涡轮机超出临界距离的距离得到的值的积分成比例。积分控制的使用允许叶片偏离动态地增大直至涡轮机返回与参考位置的可接受的距离之内。
在一个或多个实施例中，从涡轮机超出临界距离的距离得到的值可以为频率过滤值。例如，该值可被低通过滤以移除处于高频率下的分量。因此，控制将主要抵抗主要由水流力引起的低速移动的位置变化的影响。
如上述所提到的，除了出于减小系泊结构上的不期望的载荷的目的的削减之外，方法还包括削减风力涡轮机以在高于涡轮机的额定风速的风速下产生不大于额定功率的输出。此类型的控制通常见于所有的风力涡轮机中，并且除了上述所讨论的进一步的削减技术会期望于仍然存在。
此外，高于额定风速的削减优选地也包括控制削减以便于抑制大约处于风力涡轮机结构的共振频率下的沿纵摇方向的风力涡轮机结构的刚体运动。再一次地，此类型的控制通常见于所有的浮式近海风力涡轮机结构中以抵消负阻尼，因为负阻尼可能导致大约处于共振频率下的沿纵摇方向的涡轮机结构的大的刚体运动。然而，此类型的控制需要防止塔架和非主要的系泊设备的疲劳损坏。
浮式风力涡轮机结构优选地具有浮式柱形构造。系泊设备优选地包括远离浮式风力涡轮机延伸的悬链式系泊线。优选地存在至少三条悬链式系泊线并且悬链式系泊线沿等间隔的方向远离风力涡轮机延伸。
可以理解的是，从第二方面，本发明还提供了包括涡轮机以及构造为根据前述的方法控制涡轮机的控制器的浮式风力涡轮机结构。
本发明还提供了计算机程序产品，计算机程序产品包括计算机可读指令，在执行时，其将引起控制器根据上述所描述的方法来控制浮式风力涡轮机结构的涡轮机，以及储存这样的计算机可读指令的有形的计算机可读介质。
附图说明
现在将通过仅示例以及参考附图的方式来更详细地描述本发明的某些优选实施例，其中：
图1为风力涡轮机装置的侧视图；
图2为示出装置的风力涡轮机的细节的侧视图；
图3为风力涡轮机装置的立体图，其示出了该装置的系泊结构的细节；
图4为用于对风力涡轮机应用叶片螺距调整的第一控制器的简化原理图；
图5为用于对风力涡轮机应用叶片螺距削减的第二控制器的简化原理图；
图6为示出示例性系泊结构的方向的风力涡轮机的俯视图；
图7为示出关于对应于在系泊上布置可接受的推力的位移的风力涡轮机的参考半径的曲线图；以及
图8为示出在最重载荷的系泊线中的张力上的基于水流的叶片螺距控制的影响的曲线图。
具体实施方式
图1至图3示出了近海浮式风力涡轮机装置。浮式风力涡轮机结构包括支撑机舱4的塔架2。机舱4容纳发电机和相关联的电子器件，并且支撑包括三个叶片8的转子6。塔架2支撑在浮式柱形浮标结构10上，并且浮式柱形浮标结构10通过包括三条锚链12a、12b、12c的系泊系统12系泊。
现有的示出的浮式风力涡轮机具有2.3MW的涡轮机、机舱高度在水位线以上大约65m、转子直径大约82m，并且在水位线处的直径大约6m。然而，所描述的控制技术也可以应用于诸如在6-12MW范围内的大型涡轮机。通常，这种浮式风力涡轮机将在深度大于100m的水中使用。
如图2所示，浮式结构10为典型的柱形浮标形状，即高的、细的、垂直的圆柱形柱体。结构10包括上圆锥体14、平均水位线(MWL)所在的过渡段16、下圆锥体结构18以及包括压载物22、24的下层结构20。直径大于主柱体的水平的圆形板(未示出)可以为底板的一部分。该板的功能为通过增加阻尼和流体惯性来调整系统的动力性能。
压载物包括固定压载物22和非固定压载物24。固定压载物22由诸如高密度混凝土的永久性压载物，和/或诸如高密度骨料的散装压载物制成。非固定压载物24可以为通过将水泵入罐中或泵出罐外来调整的水压载物。可调整的压载物24允许结构10的动力特性中的一些被调整。例如可以改变重心和系泊线12中的张力，这可以改变浮式结构的共振频率。通常涡轮机的固有周期将调整至高于25秒，使得共振运动不被波浪力激发。
系泊系统12用于保持浮式结构10处于所期望的位置中。如通常在风力涡轮机中的，在塔架2的顶部上的发电机可控制地可旋转，所以其能够转为面向到来的风向。系泊系统12因此也设计为防止当安装在其上的机舱4旋转时塔架2和浮式结构10的旋转。
系泊系统12包括三条系泊线12a、12b、12c，并且在图3中示出了系泊线中的一个的细节视图。每一系泊线12a、12b、12c均包括系泊索段26，系泊索段26通过三板28连接至线绳30，线绳30又连接至链32。在图示实施例中，每一系泊线12a、12b、12c均延伸超过600m。
系泊索段26为由通常为84mm的链的两条分离的线制成的三角形形状的布置方式，当浮式结构10就位时，这两条分离的线连接至在海平面下面的浮式结构10。系泊索段26的分离的线在相隔120°的点处连接至浮式结构10，并且系泊索26的每个线通过共享托架34在与相邻系泊索结构26的线的相同点处连接至浮式结构10。系泊索26的分离的线在三角形形状的布置方式中从浮式结构10延伸至公共点(三板28)。确定系泊索段26的长度以给予系泊系统适当的艏摇刚度。在图示实施例中，系泊索段26为大约50m长。
三板28连接至线绳30，线绳30连接至锚链32，锚链32通常也为大约84mm的链。每一系泊线12a、12b、12c以悬链式形状从浮式结构10延伸至海床。
风力涡轮机的控制系统基于标准控制系统，该标准控制系统使用纵摇控制，以将额定功率输出保持在涡轮机的额定风速(该额定风速为达到最大功率的最低风速)以上。控制系统还构造为改变叶片螺距以防止负阻尼高于额定风速。
在传统的风力涡轮机中，转子叶片8的螺距基于转子速度被控制，以调控功率输出。当在低于额定风速的风力下运行时，叶片螺距在提供最大功率输出的角度保持近似恒定。相反，当高于额定风速运行时，调整叶片螺距以产生恒定的功率输出并防止可能损坏发电机和/或其相关联的电子器件的过高的功率输出。该恒定的功率称作风力涡轮机的额定功率。
当低于额定风速运行时，因为叶片螺距保持近似恒定，作用在转子6上的推力随风速增大(推力近似地与风速的平方成比例)。这意味着风力涡轮机结构在水中的运动是稳定的，因为涡轮机的推力有助于正阻尼，并且浮力作用于平衡位置。
当高于额定风速运行时，调整叶片螺距使得转子6上的推力随风速增大而减小以产生恒定的功率输出。当风速增大时，叶片螺距增大，即，使得更加平行于风力方向，这减小了推力。然而，与以此方式调整叶片螺距相关联的一个问题是，它可能引起负阻尼。这可能增大风力涡轮机的振荡沿风力方向的振幅。
浮式风力涡轮机中的负阻尼产生是因为涡轮机结构在水中作为刚体移动，即它们可能趋于来回“点头”。随着风力涡轮机朝向风力移动，作用在风力涡轮机上的相关的风速增大，这趋于增大转子扭矩或速度。响应于转子扭矩或速度的增大，使用上述所描述的螺距控制用于恒定的功率输出(即，上述的高于额定风速)，调整叶片螺距角以减小作用在转子上的扭矩，因此减小了推力从而保持了恒定的功率。然而，因为作用在风力涡轮机上的推力减小，所以平衡位置改变并且涡轮机将向前纵摇。这随后造成相关风速的进一步改变以及对叶片螺距的进一步调整，使得运动甚至更大。当风力涡轮机远离风力移动时适用相反的情况。
通过提供一控制系统来防止与刚体运动相关联的负阻尼的问题，在该控制系统中，叶片角调整被校正，以考虑处于刚性单元运动的频率下发生的速度波动。在图4和图5中示出了提供这样功能的两个示例性的控制器——这些控制器仅示出了控制系统的基础原理，实际上，控制器更复杂。
控制装置包括标准控制器部分38，标准控制器部分38响应于相对以传统方式的涡轮机的相关风速下的变化来控制发电机。进一步地，控制器包括运动稳定控制器部分44，运动稳定控制器部分44布置为在塔架速度的基础上对涡轮机叶片的叶片角增加增量以抵消刚体运动。控制器44的第二部分通过基于塔架速度确定叶片角增量的稳定器来实现。
稳定器部件44通过控制涡轮机叶片的叶片角来阻尼塔架的刚体运动，使得处于该频率下的运动被抵消。稳定器通过接收与来自加速计或相似物的形式的传感器的塔架速度的变化相关联的信号45，并且使用传递函数以将其转换为叶片角增量来起作用。稳定器44设置有低通滤波器使得其仅作用为响应于低频率运动，即，处于刚体运动的频率下的那些运动而增加叶片角增量。
在图4中示出了控制器36的第一实施例的原理图。下部框38示出了采用参考转子速度39(即，用于额定功率输出的转子速度)作为输入，并且包括对风力涡轮机42提供标准叶片螺距控制以便于保持额定功率输出的PI控制器40的传统叶片螺距控制系统。上部框44提供了采用机舱的速度(诸如机舱的纵摇速度)的度量作为其输入，并且包括信号处理和低通滤波器的块46以及主动阻尼增益(Kd)48的主动阻尼装置。
块46中的低通滤波器为锐化滤波器，该锐化滤波器传递具有对应于在纵摇中的塔架的自由的刚体运动振荡的固有频率(通常约为0.03Hz至0.04Hz)的频率的信号，并且阻止具有对应于波浪诱导运动的频率(通常约为0.05Hz至0.2Hz)的频率的信号。这可以是二阶或三阶巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器。
主动阻尼增益(Kd)48将已过滤且已处理的机舱的水平速度的度量转化为由于运动引起的转子速度误差。PI控制器40使用传递函数将包括由于运动引起的转子速度误差的转子速度误差转化为对叶片螺距的调整。对叶片螺距的调整在风力涡轮机42的螺距致动器中使用以控制叶片螺距使得不引起负阻尼。
在图5中示出了可替换的控制器50，其与在图4中示出的控制器36不同在，主动阻尼部分44’包括独立的PI控制器52。在这种情况下，来自主动阻尼控制器44’和传统阻尼控制器38’的信号在它们已被转化为叶片螺距调整后组合。
根据本公开，用于风力涡轮机的控制器进一步适用于改变气动转子推力以减小系泊设备上的过载。
概括地，下列技术使用风力涡轮机削减方法以软化系泊系统上的环境载荷。更具体地，其涉及通过根据系泊系统响应于环境载荷的静态和动态非线性的分析，对上述所描述的传统风力涡轮机控制系统增加叶片螺距偏离角来修改风力涡轮机的气动转子推力曲线。
已开发出两种补充性的控制器设计以软化系泊系统上的环境载荷：
1.一种控制器，该控制器在测得的风力方向和纵摇运动的程度的基础上计算叶片螺距偏离角，以在具有不利风力载荷的情况下减小系泊系统中的载荷。
2.一种控制器，该控制器基于测得的涡轮机的GPS位置计算叶片螺距偏离角，以在具有大水流速度的情况下减小系泊系统中的载荷。
控制器1
在确定控制器设计中，首先开发一种在系泊系统的损坏最严重部分中的疲劳损坏的实际水平的基础上计算叶片螺距偏离角的参考控制器。在仿真中，该数据可以从计算机建模软件中容易地获得。然而，这样的控制器在实际中是不可能的，因为系泊系统中的实际疲劳损坏率不能轻易测得。
在分析期间，对88种载荷情况的仿真进行了研究，这些载荷情况均是基于对于涡轮机的现场预期的海洋气象学条件。对于示例涡轮机，这些88种载荷情况产生的疲劳损坏值(D)在每年0.1％与每年12％之间。低于D0＝每年0.8％的值被认为是可接受的(相当于125年的寿命)，并且因此要求零叶片螺距偏离水平。这包括88种载荷情况中的24种。
在所有88种载荷情况中的平均损坏水平DMEAN＝1.2％的情况下，叶片螺距偏离角βoffset选定为βoffset,MEAN＝4°，具有从D0通过DMEAN的线性曲线，直至达到最大叶片螺距偏离角βoffset,MAX＝8°。
上述可用公式表示为：
Figure GDA0003475376000000121
控制器2
接下来，开发一种用于在风力方向αW以及纵摇运动的标准偏差η5STD的基础上计算叶片螺距偏离角的控制器。零叶片螺距偏离水平设定为纵摇运动的标准偏差η5STD_0＝0.4°，载荷情况中的24种低于该水平。
控制器构造为应用随风力方向αW变化的线性叶片螺距偏离角策略βoffset(αW)。函数βoffset(αW)随风力方向αW从最小线性风力方向偏离角βoffset,DIR_MIN＝0°至最大线性风力方向偏离角βoffset,DIR_MAX＝4°线性地变化。最大偏离在风力直接接近越过单个系泊线时使用，最小偏离在风力直接接近两系泊线之间时使用。也就是说，当所有风力荷载施加到单个系泊线时，偏移最大，当它在两条系泊线之间分开时，偏移最小。例如，图6示出了具有三条系泊线12a、12b、12c的涡轮机系泊系统12。函数βoffset(αW)在风力方向朝向15°行进时具有其第一最大值，以及在风力方向朝向75°行进时具有其第一最小值。
附加线性叶片螺距偏离角策略也适用于塔架纵摇运动的标准偏差η5STD的变化并且适用于η5STD>η5STD_0＝0.4°。在塔架纵摇运动的参考标准偏差的两倍2η5STD_0处，叶片螺距偏离角βoffset选定为βoffset_2＝5°，具有始于η5STD_0的线性曲线，直至达到最大叶片螺距偏离角。
考虑到由于风力方向和塔架纵摇运动引起的组合偏离，最大叶片螺距偏离角再次选定为βoffset_MAX＝8°。例如，最大值可以通过极高的纵摇偏差或通过在不利风力方向下的较低的纵摇偏差达到。
上述可用公式表示为：
Figure GDA0003475376000000122
控制器3
用于叶片螺距偏离角的计算的第三步骤使用风力方向以及投影在最重载荷的系泊线上的角运动的标准偏差为基础。
零叶片螺距偏离水平在投影在最重载荷的系泊线上的角运动的标准偏差为ηPSTD_0＝0.35°处计算。此外，该水平对应于低于载荷情况中的24种的水平。
如上所述，使用随风力方向αW变化的线性叶片螺距偏离角策略βoffset(αW)，函数βoffset(αW)再次随风力方向αW从最小线性风力方向偏离角βoffset,DIR_MIN＝0°至最大线性风力方向偏离角βoffset,DIR_MAX＝4°线性地变化。
然后，随投影在最重载荷的系泊线上的角运动的标准偏差ηPSTD变化的附加线性叶片螺距偏离角策略适用于ηPSTD>ηPSTD_0＝0.35°。在塔架纵摇运动的参考标准偏差的两倍2ηPSTD_0处，叶片螺距偏离角βoffset再次选定为βoffset_2＝5°，具有始于η5STD_0的线性曲线，直至达到最大叶片螺距偏离角。
再一次地，考虑到由于风力方向和塔架纵摇运动引起的组合偏离，最大叶片螺距偏离角选定为βoffset_MAX＝8°
上述可用公式表示为：
Figure GDA0003475376000000131
总之，第二和第三控制器策略被发现与第一参考控制器策略具有良好的一致性，因为对于相同的载荷情况大、中和小偏离叶片螺距角经常发生。
控制器4
第四控制器考虑由于水流引起的系泊载荷中的变化，并且基于测得的涡轮机的GPS位置应用叶片螺距偏离。
水平参考半径r0(θ)在给出的平台偏离的方向θ的基础上从垂直导缆水平面(系泊附接至塔架所在的水平面)限定在塔架的中心。水平参考包络线r0(θ)为处于额定转子推力以及零水流速度下的塔架的位置。在图7中示出了示例性的包络线。该半径之外的运动是非期望的，并且控制器设计为通过附加叶片螺距偏离角βoffsetC的应用以减小空气转子推力来抵抗这样的运动。
在下列公式中，xFL和yFL给出了处于垂直导缆位置的塔架的中心的水平位置，这可以在平台上的GPS度量以及参考到下层结构的水位线中的纵摇运动和滚动运动的MRU(运动参考单元)度量的基础上计算：
xFL＝xGPS-hη5
yFL＝yGPS+hη4,
其中h为从平台水平面至导缆水平面的垂直高度，xGPS和yGPS为在平台水平面处GPS测得的位置，并且η4和η5为由MRU测得的参考到下层结构的水位线中的纵摇运动和滚动运动。
因此，处于垂直导缆位置的塔架的中心的水平径向位置rm由下式确定：
Figure GDA0003475376000000141
由于水流速度的缓慢地变化的性质，仅rm的缓慢地变化的分量对于水流控制是有意义的。三阶巴特沃斯滤波器可以用于过滤：
Figure GDA0003475376000000142
其中s为拉普拉斯变量，并且ωc为应当选定为足够低的值的过滤频率，例如，十分钟的周期：
Figure GDA0003475376000000143
提出下列PI控制器步骤：
βoffsetC＝KP(θ)ΔP+KI(θ)ΔI
其中KP(θ)和KI(θ)为通常可以随风力方向θ变化的比例和积分作用控制器增益，以及
Figure GDA0003475376000000144
Figure GDA0003475376000000145
此外，无论rmf-r0(θ)≤0与否，公式ΔI中的积分必须重置为0。理想地，该重置以柔和的方式执行，使得积分器值在预定时间，例如200秒内衰减至零。
控制器5
第四控制器方案的一个替代方式为通过多项式函数或指数函数或相似的应用和/或组合对参考半径r0的大偏差上的非线性控制作用而不是积分控制作用的应用。一个示例为非线性控制器：
βoffsetC＝KP1(θ)ΔP+KP2(θ)ΔP 2
结论
存在的两种补充性的控制器设计，即，控制器2或控制器3与控制器4或控制器5的组合，可能软化系泊系统上的环境载荷的影响。
在利用这些策略的全FLS(疲劳载荷状态)仿真研究中，控制器减小了系泊系统中的载荷，但代价是功率产生略有减少。平均而言，在减少1％的生产成本的情况下，系泊线寿命可增加约10％。在图8中示出了来自仿真的数据。如从图8可见的，系泊线张力中的峰值减小，否则可能会显著地降低系泊系统的疲劳寿命。然而，功率产生仅有较小的减小。对于在图8中示出的具体仿真，系泊线中的损坏减小了56％，代价是功率减小了7.6％。
在系泊设计期间控制器可以以三种不同方法使用：
1.控制器可以考虑到系泊系统的系泊设计分析。
2.在环境载荷比预期更差的情况下，在近海设计基础中的不确定性可以由控制器处理的基础上，控制器可以用于减小要求的安全系数。
3.控制器及其设置可以在涡轮机的运行阶段期间改变。设置将基于真实测得的系泊线张力。因此相比设计中使用的估量，相关于系泊线的疲劳寿命的不确定性可以显著地减小。
用于辅助系泊设计的转子推力的进一步的方法是单个叶片螺距控制的应用以抵抗浮式风力涡轮机的艏摇运动，以便于减小或消除系泊系统的艏摇刚度要求。这种方法在WO2014/096419中有描述，其内容通过引用合并至本文。其中所描述的技术可与上述所描述的技术组合合并。这些技术的单个作用已被发现在共同应用时增大。
同时上述技术通过应用叶片螺距偏离来削减浮式风力涡轮机，可以理解可以使用任何适当形式的削减。例如，在一个实施例中，发电机扭矩可能增大以削减转子速度。在其他的实施例中，控制器可以减小在叶片螺距的控制的其他方面中使用的目标额定功率输出或者额定风速以便于在低于将另外应用的风速下应用额定风速削减。
此外，同时上述控制系统中的一些包括阶梯函数，可以理解，在风力涡轮机系统的实际实施中，控制器可能应用为使这些控制器平稳或过滤。
再进一步地，同时控制器示出了使用简单线性函数，实际中控制器可能实施为使用更复杂的、非线性的控制函数，诸如合并的多项式函数和/或指数函数。

Claims (24)

1.一种控制浮式风力涡轮机结构的涡轮机以减小其系泊设备的疲劳的方法，所述方法基于以下方面来减小所述涡轮机的输出功率：
所述风力涡轮机结构的纵摇运动，以及
相对于所述风力涡轮机的系泊设备的方向的在所述风力涡轮机结构处的风力方向，
其中所述涡轮机的输出功率的减小包括基于风力方向的分量，所述基于风力方向的分量在所述风力直接接近越过所述系泊设备中的一个时具有最大值，并且在所述风力直接接近两个相邻的系泊设备之间时具有最小值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述涡轮机的输出功率的减小为基于所述风力涡轮机结构的纵摇运动的可变性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述基于所述风力涡轮机结构的所述纵摇运动的减小所述涡轮机的输出功率的分量和/或所述基于所述风力方向的减小所述涡轮机的输出功率的分量恒定地处于纵摇运动的临界水平以下。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于所述风力涡轮机结构的所述纵摇运动的减小所述涡轮机的输出功率的分量随所述风力涡轮机结构的所述纵摇运动而增大。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小所述涡轮机的输出功率包括对所述涡轮机的一个或多个叶片施加叶片螺距偏离，以减小所述浮式风力涡轮机结构上的气动转子推力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述叶片螺距偏离至少部分地基于以下公式确定：
βoffset(αW，ηSTD)＝βwind_offset(αW)+βpitch_offset(ηSTD)
其中βoffset为叶片螺距偏离，αw为风力方向，ηSTD为在一段预定时间内的所述风力涡轮机结构的纵摇运动的标准偏差或由此得到的值，βpitch_offset为基于ηSTD的偏离，并且βwind_offset为基于所述风力方向的偏离。
7.根据权利要求6所述的方法，其中基于所述风力方向的所述偏离至少部分地基于以下公式确定：
Figure FDA0003470789120000021
其中β2为常量，α0为常量，并且θ为所述系泊设备的相邻的系泊线之间的角距离。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中基于纵摇运动的所述偏离至少部分地基于以下公式确定：
Figure FDA0003470789120000022
其中ηSTD_0为常量，β1为常量。
9.根据权利要求6所述的方法，其中对于ηSTD<ηSTD_0的值，所述公式βoffset(αW,ηSTD)设定为零。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述减小所述涡轮机的输出功率包括增大所述涡轮机的发电机的扭矩以减小所述浮式风力涡轮机结构的气动转子推力。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述风力涡轮机结构相对于参考位置的位置而减小所述涡轮机的输出功率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述风力涡轮机结构的所述位置使用基于卫星的定位系统来确定。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述风力涡轮机结构的所述位置通过考虑所述系泊设备的系泊线中的张力来确定。
14.根据权利要求11、12或13所述的方法，其中基于所述风力涡轮机结构的所述位置的所述涡轮机的输出功率的减小为基于所述风力涡轮机结构的频率滤波位置，所述频率滤波位置已被低通滤波。
15.根据权利要求12所述的方法，其中基于所述风力涡轮机结构的所述位置的所述涡轮机的输出功率的减小包括基于位置的分量，所述基于位置的分量仅在所述风力涡轮机结构的所述位置自所述参考位置大于预定的临界距离时施加。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述基于位置的分量包括至少一个分量，所述至少一个分量与所述风力涡轮机结构自所述参考位置的距离、或从所述风力涡轮机结构自所述参考位置的所述距离得到的值成比例。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述基于位置的分量包括至少一个分量，所述至少一个分量与所述风力涡轮机结构超出所述临界距离的距离积分、或从所述风力涡轮机结构超出所述临界距离的所述距离得到的值的积分成比例。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述基于位置的分量包括至少一个分量，所述至少一个分量与所述风力涡轮机结构超出所述临界距离的距离的多项式函数或指数函数、或从所述风力涡轮机结构超出所述临界距离的距离得到的值的多项式函数或指数函数成比例。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括减小所述涡轮机的输出功率以在高于所述涡轮机的额定风速的风速下产生不大于额定功率的输出。
20.根据权利要求19所述的方法，其中高于额定风速的所述涡轮机的输出功率的减小包括控制所述涡轮机的输出功率的减小以抑制处于所述风力涡轮机结构的共振频率下的所述风力涡轮机结构沿纵摇方向的刚体运动。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述系泊设备包括远离所述浮式风力涡轮机结构延伸的悬链式系泊线。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述浮式风力涡轮机结构具有浮式柱形构造。
23.一种用于浮式风力涡轮机结构的涡轮机，其包括控制器，所述控制器构造为根据权利要求1-22中的任一项所述的方法控制所述涡轮机。
24.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读指令，在执行时，所述计算机可读指令将致使控制器根据权利要求1至22中的任一项所述的方法来控制浮式风力涡轮机结构的涡轮机。
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