CN110440965A - 一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，包括重力质量块，用于固定安装六自由度姿态传感器并放置于漂浮式载体平台上；六自由度姿态传感器，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机通讯连接；流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机通讯连接；计算机，用于接收六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号；信号处理模块，内置于计算机内用于对六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。本发明通过一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统间接测量漂浮式海流能机组载荷，测量系统结构简单，易于推广利用。

Description

一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统及方法

技术领域

本发明属于海洋技术工程领域，涉及一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统及方法。

背景技术

海流能是一种新兴的可再生能源，由于海流能的高可预测性和稳定性，具有良好的前景。漂浮式海流能发电平台是一种适用于海流能机组的基于多点系泊系统的新型机组支撑结构。海流能发电机组处于复杂的海洋环境中，工况恶劣。因此，大多数的海流能机组，都采用了高裕度设计，使得海流能机组的成本过高。

海流能机组载荷的在线测量，可以为主动载荷控制技术提供可靠的信号来源，提高机组寿命；也可以根据测量数据，优化海流能机组设备，为设计提供宝贵的数据参考。参考风电领域的载荷测量方法，多采用应变片、压电陶瓷和光纤光栅等方法对叶片进行形变进行测量，从而得到机组载荷。但是，由于海洋环境的特殊性，装置的密封要求和测量信号的传输问题都使得海流能机组载荷的直接测量十分困难且成本高昂。因此，迄今为止，还不存在任何可靠的海流能载荷直接测量方法或者装置。

例如，中国专利CN201310631787，公开了一种分离发电机组叶片载荷测量装置，包括至少三光纤光栅传感器阵列，以解调模块及一载荷数据处理模块。其特征在于应变传感器由玻璃纤维封装而成，且应变传感器大致呈片状。应变传感器通过表面粘贴的方式装设在风力发电机组叶片根部的内圆表面。该发明并不能满足高压水底环境下机组实时载荷测量的要求。

例如，中国专利CN201410181040，公开了一种海上风机复合塔筒型基础沉放姿态实时监控方法，其特征在于将双轴倾角传感器与计算机连接起来，并放置在筒型基础上，将实时采集到的筒型基础的X轴和Y轴倾角数据传输到计算机。该发明没有信号处理能力，且不具有倾角和载荷对应关系的方法，不能满足漂浮式海流能机组的载荷实时测量的要求。

发明内容

本发明提供了一种能对海流能发电机组载荷进行测量、成本低、易于推广的漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统。

本发明还提供了一种安全有效的漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法。

本发明采用的技术方案是：

一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：包括

重力质量块，用于固定安装六自由度姿态传感器并放置于漂浮式载体平台上；

六自由度姿态传感器，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机通讯连接；

流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机通讯连接；

计算机，用于接收六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号；

信号处理模块，内置于计算机内用于对六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；

人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。本发明通过一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统间接测量漂浮式海流能机组载荷，测量系统结构简单，易于推广利用。

进一步，所述重力质量块为底面粗糙的扁平结构，其上平面设置有安装六自由度姿态传感器的螺孔。本发明的重力质量块静止放置于漂浮式载体平台时与漂浮式载体平台是相对静止的状态，没有相对位移，从而保证六自由度姿态传感器测量的准确度。

进一步，所述信号处理模块通过低通滤波器过滤高频信号得到稳态俯仰角信号，利用欧拉角坐标变化得到平台纵荡方向加速度，并通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度信号，再将处理得到的俯仰角信号和加速度信号，根据平台力学模型的参数计算轴向推力载荷和周期性载荷。

进一步，所述六自由度姿态传感器的采样频率在10Hz以上，加速度精度在0.01m²/s以内，角度精度在0.01°以内，以满足对较高频率下平台响应的完整采样。

进一步，所述六自由度姿态传感器和流速传感器与计算机之间均是通过串口或蓝牙通讯连接。

进一步，所述重力质量块放置于漂浮式载体平台的中轴线上。

一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，采用了上述的漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其步骤包括：

(1)建立漂浮式载体平台的三维模型，通过软件仿真确定漂浮式载体平台惯性特性，并对漂浮式载体平台在不同推力载荷作用下的系泊系统的动态响应进行仿真分析，并得到与漂浮式载体平台转动刚度和位移刚度相关的载荷数学模型；

(2)将漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统的六自由度姿态传感器放置于漂浮式载体平台的中轴线上，流速传感器放置于来潮方向的海水中；

(3)在机组停机过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对漂浮式载体平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态；

(4)在机组运行过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态；

(5)信号处理模块根据步骤(1)中的载荷数学模型分别计算机组的轴向推力载荷和周期性载荷。本发明是将漂浮式载体平台视作传感器系统的一部分，通过确定漂浮式载体平台的姿态参数和平台的力学模型，反演海流能机组的载荷，从而实现一种实际载荷的间接在线测量，载荷测量数据可用于实现两大功能：一是在线调控机组获能执行机构来保障海上漂浮平台整体的安全；二是离线提供机组、平台优化设计所需的实际载荷数据。

进一步，漂浮式载体平台惯性特性的仿真确定过程如下：将所建立的漂浮式载体平台三维模型导入ANSYS-Workbench，并在Workbench-Static Structural模块中，根据漂浮式载体平台实际吃水线，以及平台质量分布(包括集中质量和分布质量)，对三维结构进行质量调整使得模型吃水深度和平台实际的吃水线深度一致，并基于弱弹簧模型，得到结构的总质量、质心位置和转动惯量矩阵。本发明充分利用计算机强大的建模能力和数值仿真软件的强大计算能力，对平台特性进行再确定，即可不断根据仿真结果和具体平台的实际反馈数据，有针对性地调整优化仿真数学模型，保证仿真结果与实际参数的一致性。

进一步，轴向推力载荷的计算过程如下：

1)在机组停机过程中，平潮时测量获得漂浮式载体平台的初始倾角为α₀；

2)在机组停机过程中，来潮时测量获得浮式载体平台在相应流速下的停机倾角测量值，此时平台倾角偏移值β₀为停机倾角测量值减去初始倾角α₀；

3)在机组运行过程中，来潮时测量获得浮式载体平台在相应流速下的运行倾角测量值，此时平台实际倾角γ₀为运行倾角测量值减去初始倾角α₀再减去同流速下的平台倾角偏移值β₀；

4)根据平台实际倾角γ₀以及转动刚度和海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离，计算平台所受到的轴向推力载荷F，计算公式为：

式中，K为转动刚度，d为海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离。

进一步，周期性载荷的计算过程如下：

I、对加速度信号进行欧拉角坐标变化，将测得的运动参考系x’y’z’中的加速度坐标变换得到静止坐标系xyz下的加速度：

式中，x、y、z为静止坐标系下的传感器坐标，x’y’z’为运动坐标系中的传感器坐标；θ_x、θ_y、θ_z分别为绕x、y、z三轴的欧拉角，L为测量点离坐标原点的距离(质心)；在忽略小量的情况下，其加速度：

II、通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度幅值a₀，根据加速度幅值a₀和周期性变化的推力幅值F₀的关系：

即可得到周期性推力载荷F₀，其中ω为周期性载荷频率，M为平台质量，k为局部位移刚度。

本发明的有益效果：

1、本发明是将漂浮式载体平台视作传感器系统的一部分，通过确定漂浮式载体平台的姿态参数和平台的力学模型，反演海流能机组的载荷，从而实现一种实际载荷的间接在线测量，载荷测量数据可用于实现两大功能：一是在线调控机组获能执行机构来保障海上漂浮平台整体的安全；二是离线提供机组、平台优化设计所需的实际载荷数据。

2、本发明的漂浮式海流能机组载荷间接测量系统和方法能避免直接测量方法的高成本、高复杂以及高难度，较为简便地完成具有挑战性的大中型海流能机组载荷测量问题，测量系统结构简单，易于推广利用。

3、本发明充分利用计算机强大的建模能力和数值仿真软件的强大计算能力，对平台特性进行再确定，即可不断根据仿真结果和具体平台的实际反馈数据，有针对性地调整优化仿真数学模型，保证仿真结果与实际参数的一致性。

4、本发明使用的测量方法能安全有效且实时地测量机组运行过程中的载荷情况，可以为机组的载荷控制提供有效支持。所得的数据还可为优化海流能机组设计提供前所未有的参考数据，具有方法上的新颖性和工程上的实用性。

附图说明

图1是本发明的系统的部分结构示意图。

图2是本发明的方法的流程示意图。

图3是本发明的漂浮式载体平台的三维模型结构示意图。

图4是本发明的漂浮式载体平台的三维模型的仿真模块结构示意图。

图5是本发明的漂浮式载体平台的三维模型的倾角-推力响应曲线图。

图6是本发明的漂浮式载体平台的三维模型的位移-推力响应曲线图。

图7是本发明的系统在漂浮式载体平台的三维模型上的布置位置图。

图8是本发明的信号处理模块的信号处理流程图。

图9是本发明的欧拉角坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

实施例一

参见图1，本实施例提供了一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，包括

重力质量块3，用于固定安装六自由度姿态传感器2并放置于漂浮式载体平台上；

六自由度姿态传感器2，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机1通讯连接；

流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机1通讯连接；

计算机1，用于接收六自由度姿态传感器2和流速传感器的测量信号；

信号处理模块，内置于计算机1内用于对六自由度姿态传感器2和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；

人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。本发明通过一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统间接测量漂浮式海流能机组载荷，测量系统结构简单，易于推广利用。

本实施例所述重力质量块3为底面粗糙的扁平结构，其上平面设置有安装六自由度姿态传感器2的螺孔，所述重力质量块3放置于漂浮式载体平台的中轴线上。本发明的重力质量块3静止放置于漂浮式载体平台时与漂浮式载体平台是相对静止的状态，没有相对位移，从而保证六自由度姿态传感器2测量的准确度。

本实施例所述六自由度姿态传感器2通过外壳密封包装，并通过金属连接件5比如螺栓固定连接在重力质量块3上，其测量的采样频率在10Hz以上，加速度精度在0.01m²/s以内，角度精度在0.01°以内，以满足对较高频率下平台响应的完整采样。

本实施例所述信号处理模块通过低通滤波器过滤高频信号得到稳态俯仰角信号，利用欧拉角坐标变化得到平台纵荡方向加速度，并通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度信号，再将处理得到的俯仰角信号和加速度信号，根据平台力学模型的参数计算轴向推力载荷和周期性载荷。所述六自由度姿态传感器和流速传感器与计算机之间均是通过串口或蓝牙通讯连接，比如通过串口数据线4连接。

实施例二

参见图2-9，本实施例提供了一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，采用了实施例一所述漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其步骤包括：

一、建立漂浮式载体平台10的三维模型，通过软件仿真确定漂浮式载体平台惯性特性，并对漂浮式载体平台在不同推力载荷作用下的系泊系统的动态响应进行仿真分析，并得到与漂浮式载体平台转动刚度和位移刚度相关的载荷数学模型。具体的步骤如下：

1、建立漂浮式载体平台10三维模型。漂浮式载体平台10是一种海流能发电机组的新型支撑结构。根据其设计参数，利用三维建模软件(SolidWorks，AutoCAD或者ANSYSdesign model等)建立漂浮式载体平台的三维结构模型。本发明实施例中三维模型的如图3所示，漂浮式载体平台10包括两侧片体11，两侧片体11的对应端部分别通过片体连接平台12连接，两侧片体11的中部通过吊装横梁13、固定横梁14连接。片体11上设置有控制室15，片体连接平台12的下方设置有海流能发电机组16。

2、仿真确定漂浮式海流能发电平台的惯性特征。将步骤1所建立的三维模型导入ANSYS-Workbench，并在Workbench-Static Structural模块中，根据平台实际吃水线，以及平台质量分布(包括集中质量和分布质量)，对三维结构进行质量调整。并基于弱弹簧模型，得到结构的总质量、质心位置和转动惯量矩阵。

3、壳体建立和网格划分。建立漂浮式载体平台的三维壳体模型，导入Workbench-Hydrodynamic Diffraction模块中，将步骤2中得到的结果，作为壳体模型属性，并根据模型尺寸划分网格。

4、调整吃水线。在Workbench-Hydrodynamic Response中，建立系泊系统模型。将波浪激励设置为无，在无外力情况下得到平台竖直方向的位移响应。根据位移响应，计算平台吃水线深度。根据仿真得到的吃水线和平台实际吃水线，调整步骤2中三维结构质量分布和质量大小，直到仿真吃水线和实际吃水线一致。本发明实施例中的仿真模块如图4所示。

5、仿真平台在机组轴向推力下的位移刚度和转动刚度。在Workbench-Hydrodynamic Response中，在机组位置设置一系列恒定推力(0kN,5kN,10kN,15kN,20kN,25kN,30kN)，进行时域仿真，继而得到平台的位移-推力、倾角-推力响应曲线。本发明实施例中的响应曲线如图5和图6所示。根据位移-推力响应曲线和倾角-推力响应曲线的斜率即为平台位移刚度以及转动刚度得到载荷数学模型。

二、将漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统的六自由度姿态传感器放置于漂浮式载体平台10的中轴线上，测量放置点与中心位置的距离L，并将姿态传感器和流速传感器与计算机建立连接。流速传感器6放置于来潮方向的海水中，见图7。

三、在机组停机过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对漂浮式载体平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态。

测量过程包括：

1)在机组停机过程中，平潮时测量获得漂浮式载体平台的初始倾角为α₀；

2)在机组停机过程中，来潮时测量获得浮式载体平台在相应流速下的停机倾角测量值，此时平台倾角偏移值β₀为停机倾角测量值减去初始倾角α₀。

四、在机组运行过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态，信号处理模块根据步骤一中的载荷数学模型分别计算机组的轴向推力载荷和周期性载荷。具体步骤如下：

A、在机组发电运行时，计算机接受流速传感器和六自由度姿态传感器信号。在信号处理模块中，对采集得到的六自由度信号和流速信号进行处理，信号处理步骤如图7所示。机组平台倾角值经过低通滤波器滤波后，减去平台初始倾角α₀，再减去同流速下的机组停机时的平台倾角偏移值β₀，即得到平台实际倾角γ₀；再根据转动刚度和海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离，计算平台所受到的轴向推力载荷F，计算公式为：

式中，K为转动刚度，d为海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离。

B、由于平台的惯性很大，较高频变化的载荷无法通过直接计算得到。因此需要根据加速度响应，推导其周期性载荷的幅值。具体步骤如下：

I、由于姿态传感器和平台固定连接，因此，需要根据测得的平台欧拉角，进行坐标转换，将测得的运动参考系x’y’z’中的加速度坐标变换得到静止坐标系xyz下的加速度：

式中，x、y、z为静止坐标系下的传感器坐标，x’y’z’为运动坐标系中的传感器坐标。θ_x、θ_y、θ_z分别为绕x、y、z三轴的欧拉角，L为图7中测量点离坐标原点的距离(质心)。欧拉角坐标系示意图如图9所示。在忽略小量的情况下，其加速度：

II、通过带通滤波器(滤波器的截止频率根据海流能机组的转速设计)，获得变化的加速度幅值，加速度幅值a₀和周期性变化的推力幅值F₀的关系为：

即可得到周期性推力载荷F₀，其中ω为周期性载荷频率，M为平台质量，k为局部位移刚度。

C、将如上信号处理模块中得到的结果通过上位机显示界面显示，并做数据存储。

本发明是将漂浮式载体平台视作传感器系统的一部分，通过确定漂浮式载体平台的姿态参数和平台的力学模型，反演海流能机组的载荷，从而实现一种实际载荷的间接在线测量，载荷测量数据可用于实现两大功能：一是在线调控机组获能执行机构来保障海上漂浮平台整体的安全；二是离线提供机组、平台优化设计所需的实际载荷数据。

本发明的漂浮式海流能机组载荷间接测量系统和方法能避免直接测量方法的高成本、高复杂以及高难度，较为简便地完成具有挑战性的大中型海流能机组载荷测量问题，测量系统结构简单，易于推广利用。

本发明充分利用计算机强大的建模能力和数值仿真软件的强大计算能力，对平台特性进行再确定，即可不断根据仿真结果和具体平台的实际反馈数据，有针对性地调整优化仿真数学模型，保证仿真结果与实际参数的一致性。

本发明使用的测量方法能安全有效且实时地测量机组运行过程中的载荷情况，可以为机组的载荷控制提供有效支持。所得的数据还可为优化海流能机组设计提供前所未有的参考数据，具有方法上的新颖性和工程上的实用性。

Claims (10)

1.一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：包括

重力质量块，用于固定安装六自由度姿态传感器并放置于漂浮式载体平台上；

六自由度姿态传感器，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机通讯连接；

流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机通讯连接；

计算机，用于接收六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号；

信号处理模块，内置于计算机内用于对六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；

人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。

2.根据权利要求1所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述重力质量块为底面粗糙的扁平结构，其上平面设置有安装六自由度姿态传感器的螺孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述信号处理模块通过低通滤波器过滤高频信号得到稳态俯仰角信号，利用欧拉角坐标变化得到平台纵荡方向加速度，并通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度信号，再将处理得到的俯仰角信号和加速度信号，根据平台力学模型的参数计算轴向推力载荷和周期性载荷。

4.根据权利要求3所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述六自由度姿态传感器的采样频率在10Hz以上，加速度精度在0.01m²/s以内，角度精度在0.01°以内。

5.根据权利要求4所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述六自由度姿态传感器和流速传感器与计算机之间均是通过串口或蓝牙通讯连接。

6.根据权利要求5所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述重力质量块放置于漂浮式载体平台的中轴线上。

7.一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，采用了权利要求1所述的漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其步骤包括：

(1)建立漂浮式载体平台的三维模型，通过软件仿真确定漂浮式载体平台惯性特性，并对漂浮式载体平台在不同推力载荷作用下的系泊系统的动态响应进行仿真分析，并得到与漂浮式载体平台转动刚度和位移刚度相关的载荷数学模型；

(2)将漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统的六自由度姿态传感器放置于漂浮式载体平台的中轴线上，流速传感器放置于来潮方向的海水中；

(3)在机组停机过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对漂浮式载体平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态；

(4)在机组运行过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态；

(5)信号处理模块根据步骤(1)中的载荷数学模型分别计算机组的轴向推力载荷和周期性载荷。

8.根据权利要求7所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，其特征在于：漂浮式载体平台惯性特性的仿真确定过程如下：将所建立的漂浮式载体平台三维模型导入ANSYS-Workbench，并在Workbench-Static Structural模块中，根据漂浮式载体平台实际吃水线，以及平台质量分布，对三维结构进行质量调整使得模型吃水深度和平台实际的吃水线深度一致，并基于弱弹簧模型，得到结构的总质量、质心位置和转动惯量矩阵。

9.根据权利要求7所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，其特征在于：轴向推力载荷的计算过程如下：

1)在机组停机过程中，平潮时测量获得漂浮式载体平台的初始倾角为α₀；

2)在机组停机过程中，来潮时测量获得浮式载体平台在相应流速下的停机倾角测量值，此时平台倾角偏移值β₀为停机倾角测量值减去初始倾角α₀；

3)在机组运行过程中，来潮时测量获得浮式载体平台在相应流速下的运行倾角测量值，此时平台实际倾角γ₀为运行倾角测量值减去初始倾角α₀再减去同流速下的平台倾角偏移值β₀；

4)根据平台实际倾角γ₀以及转动刚度和海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离，计算平台所受到的轴向推力载荷F，计算公式为：

式中，K为转动刚度，d为海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离。

10.根据权利要求7所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，其特征在于：周期性载荷的计算过程如下：

I、对加速度信号进行欧拉角坐标变化，将测得的运动参考系x’y’z’中的加速度坐标变换得到静止坐标系xyz下的加速度：

式中，x、y、z为静止坐标系下的传感器坐标，x’y’z’为运动坐标系中的传感器坐标；θ_x、θ_y、θ_z分别为绕x、y、z三轴的欧拉角，L为测量点离坐标原点的距离(质心)；在忽略小量的情况下，其加速度：

II、通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度幅值a₀，根据加速度幅值a₀和周期性变化的推力幅值F₀的关系：

即可得到周期性推力载荷F₀，其中ω为周期性载荷频率，M为平台质量，k为局部位移刚度。