CN113738575A - 一种漂浮式风机抑制纵摇方法及系统 - Google Patents

一种漂浮式风机抑制纵摇方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种漂浮式风机抑制纵摇方法及系统，在漂浮式风机的浮台与塔基的连接处以及漂浮式风机机舱的内部分别安装一个倾角仪，用于测量浮台纵摇角度和机舱纵摇角度，在风速及波浪载荷作用使漂浮式风机产生纵摇运动的情况下，将浮台纵摇角度作为反馈量输入到纵摇角度控制回路中，输出变桨角度的附加量到漂浮式风机的变桨控制回路，从而增加漂浮式风机的纵摇阻尼，抑制漂浮式风机的纵摇运动，从而稳定叶轮转速和电功率输出，降低塔筒所受载荷；本发明能够有效抑制大于额定风速的漂浮式风机浮台纵摇运动，并有效降低在大于额定风速的情况下的漂浮式风机塔架前后载荷，增加漂浮式风机的运行时间，同时提升漂浮式风机的年平均发电量。

Description

一种漂浮式风机抑制纵摇方法及系统
技术领域
本发明涉及风机纵摇抑制的技术领域，尤其是指一种漂浮式风机抑制纵摇方法及系统。
背景技术
漂浮式基础一般分为6个自由度，分别是纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡。相比于陆上和固定式基础机组，漂浮式风机气动-水动耦合非定常载荷更加复杂，一方面风海波耦合的动态激励增加基础运动的6个自由度使得结构力学和振动模态耦合更加复杂；另一方面海上平均风速更大，风轮尺寸更大，叶片柔性增强，使得载荷复杂性增加，因此降载是必要的措施。
对于漂浮式风机而言，6个自由度中的纵摇的对降载的影响是最为显著的。因此本发明针对浮台纵摇运动，通过增加浮台纵摇运动模态阻尼，减小浮台纵摇运动，在一定程度上降低塔筒所受载荷。
发明内容
本发明目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种漂浮式风机抑制纵摇方法及系统，在风速及波浪载荷作用使漂浮式风机产生纵摇运动的情况下，通过漂浮式风机变桨时对其施加的主动阻尼来抑制漂浮式风机纵摇运动，从而稳定叶轮转速和电功率输出，降低塔筒所受载荷。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种漂浮式风机抑制纵摇方法，包括以下步骤：
1)在漂浮式风机的浮台与塔基的连接处以及漂浮式风机机舱的内部分别安装一个倾角仪，用于测量浮台纵摇角度和机舱纵摇角度；
2)将测量得到的浮台纵摇角度与预设的动态阈值比较，当浮台纵摇角度大于动态阈值时，将浮台纵摇角度作为反馈量输入到纵摇角度控制回路中，输出变桨角度的附加量到漂浮式风机的变桨控制回路，通过改变漂浮式风机的变桨角度来增加漂浮式风机的纵摇阻尼，抑制漂浮式风机的纵摇运动；
3)在完成增加纵摇阻尼后，测量机舱纵摇角度，并将该机舱纵摇角度与预设的倾角保护值比较，若机舱纵摇角度仍大于倾角保护值，则直接触发漂浮式风机的快速停机，从而控制漂浮式风机的纵摇影响。
进一步，所述纵摇角度控制回路包括依次电连接的超前校正网络、二阶低通滤波、叶轮3P频率陷波器和传动链频率陷波器。
进一步，所述倾角仪的量程为±30°，且所述倾角仪的分辨率为0.05°。
进一步，在步骤2)中，所述纵摇角度控制回路的增益的设置，需根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，计算得到浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差范围，以及浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比范围，从而确定纵摇角度控制回路的增益，具体执行以下操作：
计算海上风浪联合力到浮台纵摇角度的闭环传递函数：
Figure BDA0003188018390000021
其中，FCombine表示风浪联合力的拉普拉斯变换，ΔF表示波浪力和气动力互相作用产生的推力差的拉普拉斯变换，αPitch表示纵摇角度的拉普拉斯变换，
Figure BDA0003188018390000022
表示风浪联合力到推力的传递函数，
Figure BDA0003188018390000023
表示推力到纵摇角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000024
表示变桨角度指令到实际变桨角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000025
表示变桨角度到推力的传递函数，CPitch表示纵摇加阻补偿器，θ表示变桨角度，F表示推力；
将式(1)简化为：
Figure BDA0003188018390000026
其中，
Figure BDA0003188018390000031
C(s)＝CPitch，s＝jω，其中j表示复数单位；
使式(2)的分母大于1，即能够抑制风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，要使式(2)的分母大于1，等价为：
|1+G2(jω)C(jω)|＞1 (3)
将式(3)等价为：
Figure BDA0003188018390000032
其中，
Figure BDA0003188018390000033
Figure BDA0003188018390000034
为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差，A(jω)为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比，式(4)计算得到
Figure BDA0003188018390000035
或A(jω)＞2；
最终，根据
Figure BDA0003188018390000036
或A(jω)＞2，确定纵摇角度控制回路的增益。
本发明所提供的一种漂浮式风机抑制纵摇系统，包括：
浮台纵摇角度测量模块，用于测量漂浮式风机的浮台纵摇角度；
机舱纵摇角度测量模块，用于测量漂浮式风机的机舱纵摇角度；
数据输入模块，用于将测量得到的浮台纵摇角度导入到纵摇角度控制模块中，并将测量得到的机舱纵摇角度导入到停机触发模块中；
纵摇角度控制模块，根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，确定纵摇角度控制模块的增益设置，同时根据输入的浮台纵摇角度，输出变桨角度的附加量到漂浮式风机的变桨控制回路，从而增加纵摇阻尼；
停机触发模块，用于在机舱纵摇角度大于倾角保护值时，触发漂浮式风机的快速停机。
进一步，所述纵摇角度控制模块的增益设置，需根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，计算得到浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差范围，以及浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比范围，从而确定纵摇角度控制模块的增益，具体执行以下操作：
计算海上风浪联合力到浮台纵摇角度的闭环传递函数：
Figure BDA0003188018390000041
其中，FCombine表示风浪联合力的拉普拉斯变换，ΔF表示波浪力和气动力互相作用产生的推力差的拉普拉斯变换，αPitch表示纵摇角度的拉普拉斯变换，
Figure BDA0003188018390000042
表示风浪联合力到推力的传递函数，
Figure BDA0003188018390000043
表示推力到纵摇角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000044
表示变桨角度指令到实际变桨角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000045
表示变桨角度到推力的传递函数，CPitch表示纵摇加阻补偿器，θ表示变桨角度，F表示推力；
将式(1)简化为：
Figure BDA0003188018390000046
其中，
Figure BDA0003188018390000047
C(s)＝CPitch，s＝jω，其中j表示复数单位；
使式(2)的分母大于1，即能够抑制风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，要使式(2)的分母大于1，等价为：
|1+G2(jω)C(jω)|＞1 (3)
将式(3)等价为：
Figure BDA0003188018390000048
其中，
Figure BDA0003188018390000051
Figure BDA0003188018390000052
为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差，A(jω)为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比，式(4)计算得到
Figure BDA0003188018390000053
或A(jω)＞2；
最终，根据
Figure BDA0003188018390000054
或A(jω)＞2，确定纵摇角度控制模块的增益。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明能够有效抑制大于额定风速的漂浮式风机浮台纵摇运动，并有效降低在大于额定风速的情况下的漂浮式风机塔架前后载荷，增加漂浮式风机的运行时间，同时由于在抑制漂浮式风机的纵摇的过程中无需停机，提升了漂浮式风机的年平均发电量，稳定漂浮式风机的叶轮转速和电功率输出，降低漂浮式风机塔筒所受载荷。
附图说明
图1为漂浮式风机抑制纵摇方法的流程图。
图2为纵摇角度控制回路的原理图。
图3为漂浮式风机的变桨控制回路和纵摇角度控制回路的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图3所示，为本实施例所提供的漂浮式风机抑制纵摇方法，包括以下步骤：
1)在漂浮式风机的浮台与塔基的连接处以及漂浮式风机机舱的内部分别安装一个倾角仪，用于测量浮台纵摇角度和机舱纵摇角度，所述倾角仪的量程为±30°，且所述倾角仪的分辨率为0.05°；
2)将测量得到的浮台纵摇角度与根据风速查表设置的动态阈值比较，当浮台纵摇角度大于动态阈值时，将浮台纵摇角度作为反馈量输入到纵摇角度控制回路中，所述纵摇角度控制回路包括依次电连接的超前校正网络、二阶低通滤波、叶轮3P频率陷波器和传动链频率陷波器，纵摇角度控制回路输出变桨角度的附加量到漂浮式风机的变桨控制回路，通过改变漂浮式风机的变桨角度来增加漂浮式风机的纵摇阻尼，抑制漂浮式风机的纵摇运动；
所述纵摇角度控制回路的增益的设置，需根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，计算得到浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差范围，以及浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比范围，从而确定纵摇角度控制回路的增益，具体执行以下操作：
计算海上风浪联合力到浮台纵摇角度的闭环传递函数：
Figure BDA0003188018390000061
其中，FCombine表示风浪联合力的拉普拉斯变换，ΔF表示波浪力和气动力互相作用产生的推力差的拉普拉斯变换，aPitch表示纵摇角度的拉普拉斯变换，
Figure BDA0003188018390000062
表示风浪联合力到推力的传递函数，
Figure BDA0003188018390000063
表示推力到纵摇角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000064
表示变桨角度指令到实际变桨角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000065
表示变桨角度到推力的传递函数，CPitch表示纵摇加阻补偿器，θ表示变桨角度，F表示推力；
将式(1)简化为：
Figure BDA0003188018390000066
其中，
Figure BDA0003188018390000067
C(s)＝CPitch，s＝jω，其中j表示复数单位；
使式(2)的分母大于1，即能够抑制风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，要使式(2)的分母大于1，等价为：
|1+G2(jω)C(jω)|＞1 (3)
将式(3)等价为：
Figure BDA0003188018390000071
其中，
Figure BDA0003188018390000072
Figure BDA0003188018390000073
为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差，A(jω)为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比，式(4)计算得到
Figure BDA0003188018390000074
或A(jω)＞2；
最终，根据
Figure BDA0003188018390000075
或A(jω)＞2，确定纵摇角度控制回路的增益。
在所述变桨控制回路中，θPitch_Blade是转速-变桨控制回路得到的变桨角度指令拉普拉斯变换，θPitch_Platform是纵摇加阻控制得到的变桨角度附加量指令拉普拉斯变换，
Figure BDA0003188018390000076
是变桨角度指令到实际变桨角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000077
是变桨角度到气动力矩的传递函数，
Figure BDA0003188018390000078
是风速到气动力矩的传递函数，
Figure BDA0003188018390000079
是转矩增量到发电机转速的传递函数，Cθ是转速-变桨补偿器，Ω是发电机转速的拉普拉斯变换，ΩRef是发电机转速的指令值的拉普拉斯变换，v表示风速的拉普拉斯变换，ΔT表示转矩增量的拉普拉斯变换；
3)在完成增加纵摇阻尼后，测量机舱纵摇角度，并将该机舱纵摇角度与预设的倾角保护值比较，若机舱纵摇角度仍大于倾角保护值，则直接触发漂浮式风机的快速停机，从而控制漂浮式风机的纵摇影响。
下面为本实施例所提供的漂浮式风机抑制纵摇系统，包括：
浮台纵摇角度测量模块，用于测量漂浮式风机的浮台纵摇角度；
机舱纵摇角度测量模块，用于测量漂浮式风机的机舱纵摇角度；
数据输入模块，用于将测量得到的浮台纵摇角度导入到纵摇角度控制模块中，并将测量得到的机舱纵摇角度导入到停机触发模块中；
纵摇角度控制模块，根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，确定纵摇角度控制模块的增益设置，同时根据输入的浮台纵摇角度，输出变桨角度的附加量到漂浮式风机的变桨控制回路，从而增加纵摇阻尼；
停机触发模块，用于在机舱纵摇角度大于倾角保护值时，触发漂浮式风机的快速停机。
其中，所述纵摇角度控制模块的增益设置，需根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，计算得到浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差范围，以及浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比范围，从而确定纵摇角度控制模块的增益，具体执行以下操作：
计算海上风浪联合力到浮台纵摇角度的闭环传递函数：
Figure BDA0003188018390000081
其中，FCombine表示风浪联合力的拉普拉斯变换，ΔF表示波浪力和气动力互相作用产生的推力差的拉普拉斯变换，aPitch表示纵摇角度的拉普拉斯变换，
Figure BDA0003188018390000082
表示风浪联合力到推力的传递函数，
Figure BDA0003188018390000083
表示推力到纵摇角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000084
表示变桨角度指令到实际变桨角度的传递函数，
Figure BDA0003188018390000085
表示变桨角度到推力的传递函数，CPitch表示纵摇加阻补偿器，θ表示变桨角度，F表示推力；
将式(1)简化为：
Figure BDA0003188018390000086
其中，
Figure BDA0003188018390000091
C(s)＝CPitch，s＝jω，其中j表示复数单位；
使式(2)的分母大于1，即能够抑制风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，要使式(2)的分母大于1，等价为：
|1+G2(jω)C(jω)|＞1 (3)
将式(3)等价为：
Figure BDA0003188018390000092
其中，
Figure BDA0003188018390000093
Figure BDA0003188018390000094
为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差，A(jω)为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比，式(4)计算得到
Figure BDA0003188018390000095
或A(jω)＞2；
最终，根据
Figure BDA0003188018390000096
或A(jω)＞2，确定纵摇角度控制模块的增益。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种漂浮式风机抑制纵摇方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在漂浮式风机的浮台与塔基的连接处以及漂浮式风机机舱的内部分别安装一个倾角仪，用于测量浮台纵摇角度和机舱纵摇角度；
2)将测量得到的浮台纵摇角度与预设的动态阈值比较，当浮台纵摇角度大于动态阈值时，将浮台纵摇角度作为反馈量输入到纵摇角度控制回路中，输出变桨角度的附加量到漂浮式风机的变桨控制回路，通过改变漂浮式风机的变桨角度来增加漂浮式风机的纵摇阻尼，抑制漂浮式风机的纵摇运动；
3)在完成增加纵摇阻尼后，测量机舱纵摇角度，并将该机舱纵摇角度与预设的倾角保护值比较，若机舱纵摇角度仍大于倾角保护值，则直接触发漂浮式风机的快速停机，从而控制漂浮式风机的纵摇影响。
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机抑制纵摇方法，其特征在于：所述纵摇角度控制回路包括依次电连接的超前校正网络、二阶低通滤波、叶轮3P频率陷波器和传动链频率陷波器。
3.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机抑制纵摇方法，其特征在于：所述倾角仪的量程为±30°，且所述倾角仪的分辨率为0.05°。
4.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机抑制纵摇方法，其特征在于，在步骤2)中，所述纵摇角度控制回路的增益的设置，需根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，计算得到浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差范围，以及浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比范围，从而确定纵摇角度控制回路的增益，具体执行以下操作：
计算海上风浪联合力到浮台纵摇角度的闭环传递函数：
Figure FDA0003188018380000011
其中，FCombine表示风浪联合力的拉普拉斯变换，ΔF表示波浪力和气动力互相作用产生的推力差的拉普拉斯变换，aPitch表示纵摇角度的拉普拉斯变换，
Figure FDA0003188018380000021
表示风浪联合力到推力的传递函数，
Figure FDA0003188018380000022
表示推力到纵摇角度的传递函数，
Figure FDA0003188018380000023
表示变桨角度指令到实际变桨角度的传递函数，
Figure FDA0003188018380000024
表示变桨角度到推力的传递函数，CPitch表示纵摇加阻补偿器，θ表示变桨角度，F表示推力；
将式(1)简化为：
Figure FDA0003188018380000025
其中，
Figure FDA0003188018380000026
C(s)＝CPitch，s＝jω，其中j表示复数单位；
使式(2)的分母大于1，即能够抑制风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，要使式(2)的分母大于1，等价为：
|1+G2(jω)C(jω)|＞1 (3)
将式(3)等价为：
Figure FDA0003188018380000027
其中，
Figure FDA0003188018380000028
Figure FDA0003188018380000029
为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差，A(jω)为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比，式(4)计算得到
Figure FDA00031880183800000210
或A(jω)＞2；
最终，根据
Figure FDA00031880183800000211
或A(jω)＞2，确定纵摇角度控制回路的增益。
5.一种漂浮式风机抑制纵摇系统，其特征在于，包括：
浮台纵摇角度测量模块，用于测量漂浮式风机的浮台纵摇角度；
机舱纵摇角度测量模块，用于测量漂浮式风机的机舱纵摇角度；
数据输入模块，用于将测量得到的浮台纵摇角度导入到纵摇角度控制模块中，并将测量得到的机舱纵摇角度导入到停机触发模块中；
纵摇角度控制模块，根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，确定纵摇角度控制模块的增益设置，同时根据输入的浮台纵摇角度，输出变桨角度的附加量到漂浮式风机的变桨控制回路，从而增加纵摇阻尼；
停机触发模块，用于在机舱纵摇角度大于倾角保护值时，触发漂浮式风机的快速停机。
6.根据权利要求5所述的一种漂浮式风机抑制纵摇系统，其特征在于，所述纵摇角度控制模块的增益设置，需根据抑制海上风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，计算得到浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差范围，以及浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比范围，从而确定纵摇角度控制模块的增益，具体执行以下操作：
计算海上风浪联合力到浮台纵摇角度的闭环传递函数：
Figure FDA0003188018380000031
其中，FCombine表示风浪联合力的拉普拉斯变换，ΔF表示波浪力和气动力互相作用产生的推力差的拉普拉斯变换，aPitch表示纵摇角度的拉普拉斯变换，
Figure FDA0003188018380000032
表示风浪联合力到推力的传递函数，
Figure FDA0003188018380000033
表示推力到纵摇角度的传递函数，
Figure FDA0003188018380000034
表示变桨角度指令到实际变桨角度的传递函数，
Figure FDA0003188018380000035
表示变桨角度到推力的传递函数，CPitch表示纵摇加阻补偿器，θ表示变桨角度，F表示推力；
将式(1)简化为：
Figure FDA0003188018380000036
其中，
Figure FDA0003188018380000041
C(s)＝CPitch，s＝jω，其中j表示复数单位；
使式(2)的分母大于1，即能够抑制风浪联合力对浮台纵摇角度的影响，要使式(2)的分母大于1，等价为：
|1+G2(jω)C(jω)|＞1 (3)
将式(3)等价为：
Figure FDA0003188018380000042
其中，
Figure FDA0003188018380000043
Figure FDA0003188018380000044
为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的相位差，A(jω)为浮台纵摇角度与变桨角度附加量的幅值比，式(4)计算得到
Figure FDA0003188018380000045
或A(jω)＞2；
最终，根据
Figure FDA0003188018380000046
或A(jω)＞2，确定纵摇角度控制模块的增益。
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