CN114162263B - 一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统和控制方法。风力发电装置和主动系泊装置连接，控制系统安装在风力发电装置上，状态监测装置安装在主动系泊装置上，控制系统和状态监测装置电连接；可控弹簧阻尼器安装在系泊缆上，状态监测装置和可控弹簧阻尼器连接。步骤包括：运动传感器监测风电机组的瞬时运动数据传输至控制系统；状态监测装置监测可控弹簧阻尼器的实际受力传输至控制系统，控制系统控制和调节可控弹簧阻尼器。本发明通过主动控制系泊系统调节系泊缆和浮筒间的作用力，降低漂浮式风力机系统在恶劣海况条件下的运动响应，减小结构载荷并提高稳定性和安全性，结构简单、施工便利、安装成本低、适用水深范围广。

Description

一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统和控制方法
技术领域
本发明涉及一种系泊系统，尤其是涉及一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统和控制方法。
背景技术
风能是最具前景的可再生能源之一，且我国海上风能资源储量丰富，尤其是深远海区域。由于近海区域的风电开发逐渐趋于饱和，深远海区域的风电开发越发受到关注。考虑到固定式风力机的成本随着水深增加而显著上升，更具经济效益的漂浮式风力机成为深远海风能利用的有效方式。但目前漂浮式风力机仍存在许多关键技术瓶颈，其大规模的利用面临巨大的挑战。深远海区域的海况十分恶劣，漂浮式风力机受到更为剧烈的载荷冲击，其结构疲劳载荷相较于陆上风力机可达数倍之，对风力机的安全运行造成了极大的威胁，也使得发电机组的输出功率产生振荡。因此，如何提高漂浮式风力机在深远海恶劣条件下的稳定性，降低运动响应和结构载荷，降低浮式风电的平准化度电成本是漂浮式风力机发展的关键。
系泊系统为漂浮式风力机提供了恢复力矩，可以有效提高浮式平台的稳定性。如何优化设计系泊系统，基于主动控制的系泊系统进一步提高漂浮式风力机的稳定性与安全性，是漂浮式风力机发展的有效途径。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统和控制方法，通过系泊系统降低漂浮式风力机的运动响应、抑制结构疲劳载荷和平稳功率输出，提高漂浮式风力机的安全性与经济性，推动其在工业上的应用。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统：
本发明风力机系泊系统包括风力发电装置、主动系泊装置、控制系统和状态监测装置，风力发电装置和主动系泊装置铰接连接，控制系统安装在风力发电装置上，状态监测装置安装在主动系泊装置上，控制系统和状态监测装置电连接。
风力发电装置包括风电机组和漂浮式平台，风电机组安装在塔筒的顶端，塔筒的下部安装有漂浮式平台；控制系统安装在风电机组上，风力发电装置漂浮于海面。
主动系泊装置包括若干系泊缆件，每个系泊缆件包括可控弹簧阻尼器和系泊缆，可控弹簧阻尼器安装在系泊缆上，系泊缆的一端铰接系在漂浮式平台各自对应的一个浮筒的下部，系泊缆的另一端连接至海底；状态监测装置安装在可控弹簧阻尼器上，状态监测装置和可控弹簧阻尼器电连接。
所述的漂浮式平台包括桁架结构和若干浮筒，若干浮筒通过桁架结构与塔筒的下部固定连接，若干浮筒以塔筒为中心沿周向均匀间隔布置。
所述的系泊缆分为上部系泊缆和下部系泊缆，上部系泊缆的一端铰接各自对应的一个塔筒的下部，上部系泊缆的另一端和下部系泊缆的一端通过可控弹簧阻尼器连接，下部系泊缆的另一端连接至海底。
所述的控制系统安装在风电机组的机舱上，风电机组的机舱上还安装有运动传感器，控制系统和运动传感器电连接。
运动传感器实时监测风电机组六个自由度的瞬时运动数据，并传输至控制系统，状态监测装置实时监测可控弹簧阻尼器的实际受力，并传输至控制系统，控制系统根据实际受力控制保持、开启或停止可控弹簧阻尼器的运行：当可控弹簧阻尼器的运行被开启或保持时，控制系统根据接收到的瞬时运动数据实时监测和调节可控弹簧阻尼器的刚度和阻尼值，当可控弹簧阻尼器的运行被停止时，则控制系统无需调节可控弹簧阻尼器的刚度和阻尼值，直至可控弹簧阻尼器的运行被重新开启。
通过控制系统和状态监测装置的合理调控能够降低漂浮式风力机系泊系统的运动响应，抑制漂浮式风力机系泊系统的结构的疲劳载荷，使得漂浮式风力机系泊系统能够平稳的输出功率，提高了整体系统的安全性。
所述的主动系泊装置还包括若干配重，每个配重安装在各自对应的一个下部系泊缆上。
二：一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统控制方法：
方法包括如下步骤：
1)运动传感器实时监测风电机组六个自由度的瞬时运动，并将监测到的瞬时运动传输至控制系统。
预设可控弹簧阻尼器的最大设计受力，状态监测装置实时监测可控弹簧阻尼器的实际受力，并将监测到的实际受力传输至控制系统。
2)当可控弹簧阻尼器正在运行时，若实时监测到的可控弹簧阻尼器的实际受力大于最大设计受力，则控制系统停止可控弹簧阻尼器的运行；若实时监测到的可控弹簧阻尼器的实际受力小于最大设计受力，则继续保持可控弹簧阻尼器的运行。
当可控弹簧阻尼器停止运行时，若实时监测到的可控弹簧阻尼器5的实际受力小于最大设计受力，则开启可控弹簧阻尼器的运行。
3)当可控弹簧阻尼器的运行被开启或保持，控制系统根据接收到的瞬时运动数据实时监测和调节可控弹簧阻尼器的刚度和阻尼值：设可控弹簧阻尼器位于风力发电装置的前方，即风力发电装置朝向可控弹簧阻尼器的一侧为前侧；若控制系统根据瞬时运动数据，如速度v的方向，监测到风力发电装置的纵摇方向为向后，则控制系统调节增大可控弹簧阻尼器的刚度和阻尼值；若控制系统根据瞬时运动数据监测到风力发电装置的纵摇方向为向前，则控制系统调节减小可控弹簧阻尼器的刚度和阻尼值。
当可控弹簧阻尼器的运行被停止，则不进行操作，直至可控弹簧阻尼器的运行被开启，继续重复步骤2)-3)。
可通过主动系泊装置增加风力发电装置的恢复力矩，有效降低风力发电装置的纵摇振荡，提高稳定性。
本发明的有益效果是：
1)基于主动控制的系泊系统，结构简单、施工便利、安装成本低、适用水深范围广，适用于大型海上漂浮式平台。
2)基于主动控制的系泊系统有助于提高浮式平台稳定性，降低结构疲劳载荷，提高安全性。
3)基于主动控制的系泊系统有助于提高发电机组输出功率质量，提高发电效率。
4)本发明充分结合现有的浮式风机技术，提供了一种可靠有效系泊系统设计，有利于降低深远海风能的开发成本，推动浮式风电的发展。
附图说明
图1是本发明的风力机系泊系统立体结构示意图；
图2是本发明的主动系泊系统控制方法流程图；
图3是本发明的弹簧阻尼器控制方法原理图；
图中：1、风电机组，2、塔筒，3、桁架结构，4、浮筒，5、可控弹簧阻尼器，6、配重，7、系泊缆。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明系统包括风力发电装置、主动系泊装置、控制系统和状态监测装置，风力发电装置和主动系泊装置铰接连接，控制系统安装在风力发电装置上，状态监测装置安装在主动系泊装置上，控制系统和状态监测装置电连接。
风力发电装置包括风电机组1和漂浮式平台，风电机组1安装在塔筒2的顶端，塔筒2的下部安装有漂浮式平台；控制系统安装在风电机组1上，风力发电装置漂浮于海面；漂浮式平台包括桁架结构3和若干浮筒4，若干浮筒4通过桁架结构3与塔筒2的下部固定连接，若干浮筒4以塔筒2为中心沿周向均匀间隔布置；控制系统安装在风电机组1的机舱上，风电机组1的机舱上还安装有运动传感器，控制系统和运动传感器电连接。
主动系泊装置包括若干系泊缆件，每个系泊缆件包括可控弹簧阻尼器5和系泊缆7，可控弹簧阻尼器5安装在系泊缆7上，系泊缆7的一端铰接系在漂浮式平台各自对应的一个的浮筒4的下部，系泊缆7的另一端连接至海底；状态监测装置安装在可控弹簧阻尼器5上，状态监测装置和可控弹簧阻尼器5电连接；系泊缆7分为上部系泊缆和下部系泊缆，上部系泊缆的一端铰接各自对应的一个塔筒2的下部，上部系泊缆的另一端和下部系泊缆的一端通过可控弹簧阻尼器5连接，下部系泊缆的另一端连接至海底；主动系泊装置还包括若干配重6，每个配重6安装在各自对应的一个下部系泊缆上。
运动传感器实时监测风电机组1六个自由度的瞬时运动数据，并传输至控制系统，状态监测装置实时监测可控弹簧阻尼器5的实际受力Fi，并传输至控制系统，控制系统根据实际受力Fi控制保持、开启或停止可控弹簧阻尼器5的运行：当可控弹簧阻尼器5的运行被开启或保持时，控制系统根据接收到的瞬时运动数据实时监测和调节可控弹簧阻尼器5的刚度K和阻尼值C，当可控弹簧阻尼器5的运行被停止时，则控制系统无需调节可控弹簧阻尼器5的刚度K和阻尼值C，直至可控弹簧阻尼器5的运行被重新开启。
通过控制系统和状态监测装置的合理调控能够降低漂浮式风力机系泊系统的运动响应，抑制漂浮式风力机系泊系统的结构的疲劳载荷，使得漂浮式风力机系泊系统能够平稳的输出功率，提高了整体系统的安全性。
如图2所示，本发明系统的控制方法包括如下步骤：
1)运动传感器实时监测风电机组1六个自由度的瞬时运动，并将监测到的瞬时运动传输至控制系统；
预设可控弹簧阻尼器5的最大设计受力Fmax，状态监测装置实时监测可控弹簧阻尼器5的实际受力Fi，并将监测到的实际受力Fi传输至控制系统；
2)当可控弹簧阻尼器5正在运行时，若实时监测到的可控弹簧阻尼器5的实际受力Fi大于最大设计受力Fmax，则控制系统停止可控弹簧阻尼器5的运行；若实时监测到的可控弹簧阻尼器5的实际受力Fi小于最大设计受力Fmax，则继续保持可控弹簧阻尼器5的运行；
当可控弹簧阻尼器5停止运行时，若实时监测到的可控弹簧阻尼器5的实际受力Fi小于最大设计受力Fmax，则开启可控弹簧阻尼器5的运行；
3)当可控弹簧阻尼器5的运行被开启或保持，控制系统根据接收到的瞬时运动数据实时监测和调节可控弹簧阻尼器5的刚度K和阻尼值C，如图3所示：设可控弹簧阻尼器5位于风力发电装置的前方，即风力发电装置朝向可控弹簧阻尼器5的一侧为前侧；若控制系统根据瞬时运动数据，如速度v的方向，监测到风力发电装置的纵摇方向为向后，则控制系统调节增大可控弹簧阻尼器5的刚度K和阻尼值C；若控制系统根据瞬时运动数据监测到风力发电装置的纵摇方向为向前，则控制系统调节减小可控弹簧阻尼器5的刚度K和阻尼值C；
当可控弹簧阻尼器5的运行被停止，则不进行操作，直至可控弹簧阻尼器5的运行被开启，继续重复步骤2)-3)。
可通过主动系泊装置增加风力发电装置的恢复力矩，有效降低风力发电装置的纵摇振荡，提高稳定性。
由此，本发明采用的基于主动控制的系泊系统和控制方法能够提高浮式平台稳定性，降低结构关键部件的疲劳载荷，如塔筒和叶片等，提高安全性；同时有助于提高发电机组输出功率质量，提高发电效率，进而提高系统的可靠性和经济性，具有显著的技术效果。

Claims (5)

1.一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统，其特征在于：
包括风力发电装置、主动系泊装置、控制系统和状态监测装置，风力发电装置和主动系泊装置铰接连接，控制系统安装在风力发电装置上，状态监测装置安装在主动系泊装置上，控制系统和状态监测装置电连接；
风力发电装置包括风电机组(1)和漂浮式平台，风电机组(1)安装在塔筒(2)的顶端，塔筒(2)的下部安装有漂浮式平台；控制系统安装在风电机组(1)上，风力发电装置漂浮于海面；
主动系泊装置包括若干系泊缆件，每个系泊缆件包括可控弹簧阻尼器(5)和系泊缆(7)，可控弹簧阻尼器(5)安装在系泊缆(7)上，系泊缆(7)的一端铰接系在漂浮式平台的下部，系泊缆(7)的另一端连接至海底；状态监测装置安装在可控弹簧阻尼器(5)上，状态监测装置和可控弹簧阻尼器(5)电连接；
所述的控制系统安装在风电机组(1)的机舱上，风电机组(1)的机舱上还安装有运动传感器，控制系统和运动传感器电连接；运动传感器实时监测风电机组(1)的瞬时运动数据，并传输至控制系统，状态监测装置实时监测可控弹簧阻尼器(5)的实际受力，并传输至控制系统，控制系统根据实际受力控制保持、开启或停止可控弹簧阻尼器(5)的运行：当可控弹簧阻尼器(5)的运行被开启或保持时，控制系统根据接收到的瞬时运动数据实时监测和调节可控弹簧阻尼器(5)的刚度和阻尼值，当可控弹簧阻尼器(5)的运行被停止时，则控制系统无需调节可控弹簧阻尼器(5)的刚度和阻尼值，直至可控弹簧阻尼器(5)的运行被重新开启。
2.根据权利要求1所述的一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统，其特征在于：
所述的漂浮式平台包括桁架结构(3)和若干浮筒(4)，若干浮筒(4)通过桁架结构(3)与塔筒(2)的下部固定连接，若干浮筒(4)以塔筒(2)为中心沿周向均匀间隔布置。
3.根据权利要求1所述的一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统，其特征在于：
所述的系泊缆(7)分为上部系泊缆和下部系泊缆，上部系泊缆的一端铰接各自对应的一个塔筒(2)的下部，上部系泊缆的另一端和下部系泊缆的一端通过可控弹簧阻尼器(5)连接，下部系泊缆的另一端连接至海底。
4.根据权利要求3所述的一种基于主动控制的漂浮式风力机系泊系统，其特征在于：
所述的主动系泊装置还包括若干配重(6)，每个配重(6)安装在各自对应的一个下部系泊缆上。
5.应用于权利要求1-4任一所述系统的控制方法，其特征在于：
包括如下步骤：
1)运动传感器实时监测风电机组(1)的瞬时运动，并将监测到的瞬时运动传输至控制系统；
预设可控弹簧阻尼器(5)的最大设计受力，状态监测装置实时监测可控弹簧阻尼器(5)的实际受力，并将监测到的实际受力传输至控制系统；
2)当可控弹簧阻尼器(5)正在运行时，若实时监测到的可控弹簧阻尼器(5)的实际受力大于最大设计受力，则控制系统停止可控弹簧阻尼器(5)的运行；若实时监测到的可控弹簧阻尼器(5)的实际受力小于最大设计受力，则继续保持可控弹簧阻尼器(5)的运行；
当可控弹簧阻尼器(5)停止运行时，若实时监测到的可控弹簧阻尼器(5)的实际受力小于最大设计受力，则开启可控弹簧阻尼器(5)的运行；
3)当可控弹簧阻尼器(5)的运行被开启或保持，控制系统根据接收到的瞬时运动数据实时监测和调节可控弹簧阻尼器(5)的刚度和阻尼值，针对其中一个可控弹簧阻尼器(5)：设可控弹簧阻尼器(5)位于风力发电装置的前方，即风力发电装置朝向可控弹簧阻尼器(5)的一侧为前侧；若控制系统根据瞬时运动数据监测到风力发电装置的纵摇方向为向后，则控制系统调节增大可控弹簧阻尼器(5)的刚度和阻尼值；若控制系统根据瞬时运动数据监测到风力发电装置的纵摇方向为向前，则控制系统调节减小可控弹簧阻尼器(5)的刚度和阻尼值；
当可控弹簧阻尼器(5)的运行被停止，则不进行操作，直至可控弹簧阻尼器(5)的运行被开启，继续重复步骤2)-3)。
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