CN114382659A - 漂浮式风力发电机及其压舱装置和压舱装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漂浮式风力发电机及其压舱装置，其包括设置在漂浮平台内部，并沿所述漂浮平台的周向布置的导轨；沿所述导轨移动以调节所述漂浮平台重心位置的压舱块。通过在漂浮平台内部设置导轨，并设置沿导轨移动的压舱块，从而改变漂浮平台的重心分布，减少平台的晃动，从而提高风机的稳定性，可减小叶片的颤振，延长风机的使用寿命，并增加发电量。此外，本发明还公开了一种上述压舱装置的控制方法。

Description

漂浮式风力发电机及其压舱装置和压舱装置的控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，特别涉及一种漂浮式风力发电机及其压舱装置和压舱装置的控制方法。

背景技术

随着全球风能行业快速发展，风电机组整机生产商也不断推出适应市场需要的新技术与新产品。

其中，漂浮式风力发电机是在基座内充满氦气，使得风力发电机漂浮在海面上，使风机升到距离地面300米的空中捕捉强风，带动附在水平轴两端的发电机发电。这种新型的风力发电机因其漂浮式特点几乎可以在任何地方工作。

但是，由于漂浮式风力发电机在海绵漂浮时会遇到海浪及风力的影响，使得风力发电机摇晃，在摇晃过程中可能会使与风力发电机连接的系泊绳损坏，甚至还可能造成风力发电机的倾倒。

因此，如何保证漂浮式风力发电机的平稳，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种漂浮式风力发电机的压舱装置，以保证漂浮式风力发电机的平稳。此外，本发明还提供了一种具有上述的压舱装置的漂浮式风力发电机和压舱装置的控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种漂浮式风力发电机的压舱装置，其包括：

设置在漂浮平台内部，并沿所述漂浮平台的周向布置的导轨；

沿所述导轨移动以调节所述漂浮平台重心位置的压舱块。

优选的，上述的压舱装置中，所述压舱块套设在所述导轨上，并且所述导轨上沿长度方向设置与齿条，所述压舱块通过转动齿轮与所述导轨啮合传动。

优选的，上述的压舱装置中，还包括用于控制所述压舱块移动位置、移动方向和移动速度的驱动电机。

优选的，上述的压舱装置中，所述漂浮平台为矩形平台，所述导轨拼接为矩形框架；

所述导轨包括平行且相对布置两个第一导轨和平行且相对布置的两个第二导轨，所述压舱块包括沿所述第一导轨移动的第一压舱块和沿所述第二导轨移动的第二压舱块；

所述驱动电机与所述第一压舱块和所述第二压舱块均一一对应设置。

优选的，上述的压舱装置中，还包括用于检测所述漂浮平台倾斜角度和倾斜方向的测量传感器，并且所述测量传感器与所述驱动电机信号连接，通过控制所述驱动电机使所述压舱块向所述漂浮平台的倾斜方向反方向移动。

优选的，上述的压舱装置中，所述压舱块的重量为机头重量的0.05％-2％。

一种漂浮式风力发电机，包括压舱装置，其中，所述压舱装置为上述任一项所述的压舱装置。

一种压舱装置的控制方法，应用于上述所述的压舱装置，其包括：

获取并存储漂浮平台循环运动一次的循环周期T，并同时获取该周期内单方向倾斜漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度θx和倾斜方向以及相对于第二导轨的倾斜角度θy和倾斜方向；

根据获取的倾斜角度θx，确定并存储第一压舱块的最终位置；根据获取的倾斜角度θy，确定第二压舱块的最终位置；

计算并存储第一压舱块的移动平均速度V1，V1＝d1/0.25T；

计算并存储第二压舱块的移动平均速度V2，V2＝d2/0.25T；

根据获取的漂浮平台相对于第一导轨的倾斜方向存储第一压舱块的运动方向，并根据获取的漂浮平台相对于第二导轨的倾斜方向存储第二压舱块的运动方向。

优选的，上述的压舱装置的控制方法中，所述漂浮平台的循环周期T包括漂浮平台在两个相反方向各运动一次的时间。

优选的，上述的压舱装置的控制方法中，所述第一压舱块的移动平均速度V1和最终位置以及所述第二压舱块的移动平均速度V2和最终位置的更新频率均为0.5T，且所述第一压舱块和所述第二压舱块同时分别从初始位置运动半个周期时启动更新。

优选的，上述的压舱装置的控制方法中，所述根据获取的倾斜角度θx，确定第一压舱块的最终位置，具体包括：

预设漂浮平台相对于第一导轨的最大倾斜角度θxmax，并确定第一压舱块初始位置到该倾斜方向的最远端的距离Lx；

获取漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度θx；

计算并存储在倾斜角度θx时第一压舱块的移动距离d1，d1＝L*θx/θxmax；

根据获取的倾斜角度θy，确定第二压舱模块的最终位置具体包括：

预设漂浮平台相对于第二导轨的最大倾斜角度θymax，并确定第二压舱块初始位置到该倾斜方向的最远端的距离Ly；

获取漂浮平台相对于第二导轨的倾斜角度θy；

计算并存储在倾斜角度θy时第二压舱块的移动距离d2，d2＝Ly*θy/θymax。

优选的，上述的压舱装置的控制方法中，所述第一压舱块的初始位置为第一导轨长度方向的中心，且所述第二压舱块的初始位置为第二导轨长度方向的中心。

本发明提供了一种漂浮式风力发电机的压舱装置，通过在漂浮平台内部设置导轨，并设置沿导轨移动的压舱块，从而改变漂浮平台的重心分布，减少平台的晃动，从而提高风机的稳定性，可减小叶片的颤振，延长风机的使用寿命，并增加发电量。

此外，本发明还提供了一种上述压舱装置的控制方法，通过对压舱装置进行控制，实现该漂浮式风力发电机的自适应压舱过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中公开的漂浮式风力发电机的压舱装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中公开的第一导轨和第一压舱块的装配图；

图3为图2中A的局部拆解图；

图4为本发明实施例中公开的漂浮式风力发电机的压舱装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种漂浮式风力发电机的压舱装置，以保证漂浮式风力发电机的平稳。此外，本发明还公开了一种具有上述的压舱装置的漂浮式风力发电机和压舱装置的控制方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请公开了一种漂浮式风力发电机的压舱装置，具体包括矩形的漂浮平台1、第一导轨21、第二导轨22、第一压舱块31和第二压舱块32。

其中，漂浮平台1为整个漂浮式风力发电机的漂浮基础，并作为风机的安装基础。本申请中的漂浮平台1为矩形平台，并且四个顶角分别连接有系泊绳。该漂浮平台1内部中空形成容置空间，在容置空间内设置有两个第一导轨21和两个第二导轨22，并且第一导轨21和第二导轨22相间连接形成矩形框架，两个第一导轨21平行且相对布置，相应的，两个第二导轨22平行且相对布置。

两个第一导轨21上分别设置有一个第一压舱块31，两个第二导轨22上分别设置有一个第二压舱块32。在实际中，这些第一压舱块31和第二压舱块32的形状和尺寸可均相同，也可根据不同的需要选择对应的压舱块。为了防止漂浮平台1倾斜，优选的，两个第一导轨21上的第一压舱块31相同，两个第二导轨22上的第二压舱块32相同。

对于第一导轨21和第二导轨22的长度需要根据漂浮平台1的尺寸设置，优选的，将第一导轨21的长度方向设置为X轴方向，将第二导轨22的长度方向设置为Y轴方向。

通过在漂浮平台内部设置导轨，并设置沿导轨移动的压舱块，从而改变漂浮平台的重心分布，减少平台的晃动，从而提高风机的稳定性，可减小叶片的颤振，延长风机的使用寿命，并增加发电量。

如图2所示，公开了第一导轨21与第一压舱块31的连接，在实际中，对于第二导轨22与第二压舱块32的连接也如图2的装配关系。具体的，第一压舱块31套设在第一导轨21上，并且本方案中限定第一压舱块31能够沿第一导轨21的长度方向移动。

如图3所示，公开了第一导轨21与第一压舱块31的具体连接方式：第一压舱块31包括上壳311、下壳312、第一侧板313和第二侧板314。其中，上壳311、下壳312、第一侧板312和第二侧板313拼接成套设在第一导轨21上的结构。

具体的，第一导轨21为侧面具有齿条的矩形条，因此相应的，上壳311、下壳312、第一侧板313和第二侧板314之间形成与第一导轨21适配的矩形腔。第一侧板313上设置有可转动的齿轮，并且第一侧板313沿第一导轨21的长度方向设置有三个齿轮，并且这三个齿轮均与第一导轨21上的齿条啮合。需要说明的是，第一侧板313和第二侧板314的结构相同，且相应的，第一导轨21的两个相对的侧面上均设置有齿条。在驱动时，第一侧板313和第二侧板314上的齿轮同时转动使得第一压舱块31沿第一导轨21移动，如此可提高第一压舱块31移动的平稳，防止卡滞。

在实际中，第一导轨21与第一压舱块31的连接方式同样适配于第二导轨22与第二压舱块32，因此，相同的连接方式和结构在此不再赘述，直接参照图2和图3所示即可。

此外，本领域技术人员可以理解的是，对于第二导轨22和第二压舱块32的连接方式和结构以及第一导轨21和第一压舱块31的连接方式和结构还可均设置为丝杠螺母的结构。即第一导轨21和第二导轨22均设置为丝杠，相应的，第一压舱块31和第二压舱块32均为与对应丝杠螺纹配合的螺母结构。为了实现直线运动，优选的，可对螺母结构进行限位，防止其转动，从而实现沿丝杠的移动。

此外，第一导轨21和第一压舱块31的连接方式和结构还可与第二导轨22和第二压舱块32的连接方式和结构不同。

在上述技术方案的基础上，本申请中还设置了与第一压舱块31和第二压舱块32一一对应驱动的驱动电机，通过驱动电机的作用可实现第一压舱块31和第二压舱块32的移动。

由于本方案的核心在于对漂浮平台1的晃动进行缓解，以尽量保证漂浮平台1平稳，抵消风浪的影响，因此，本申请中需要对上述公开的第一压舱块31和第二压舱块32的移动进行控制。鉴于此，本申请中公开的压舱装置还包括测量传感器。其中，测量传感器用于检测漂浮平台1的倾斜角度和倾斜方向，将测量传感器检测到的信号转换为驱动电机的电信号，以控制上述的驱动电机使压舱块向漂浮平台的倾斜方向的反方向移动。

以第一导轨21为例，当第一导轨21为齿条，第一压舱块31上设置有齿轮时，驱动电机通过驱动第一压舱块31实现移动；当第一导轨21为丝杠时，第一压舱块31周向限位安装，驱动电机可驱动第一导轨21转动。

通过驱动电机的转速和启停控制第一压舱块31的移动速度和移动距离。

在实际中，上述的第二导轨22和第二压舱块32的驱动方式可参照上述内容。

具体的实施例中，上述的压舱块的重量为机头重量的0.05％-2％。上述设置避免压舱块的重量过大，而影响漂浮平台1的正常漂浮，并能够缓解倾斜的问题。实际中，对于压舱块的具体重量可根据不同的需要设置，且均在保护范围内。

此外，本申请还公开了一种漂浮式风力发电机，包括压舱装置，其中，该压舱装置为上述实施例中公开的压舱装置，因此，具有该压舱装置的漂浮式风力发电机也具有上述所有技术效果，在此不再一一赘述。

如图4所示，本申请中还公开了一种压舱装置的控制方法，主要应用与上述实施例中公开的压舱装置，具体包括以下控制步骤：

步骤S1：获取参数。

获取漂浮平台循环运动一次的循环周期T，并同时获取该周期内单方向倾斜的漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度θx和倾斜方向以及相对于第二导轨的倾斜角度θy和倾斜方向。

需要说明的是，由于漂浮平台漂浮过程中因风浪的作用而做出摇摆运动，即在两个相反的方向往复摇摆。在实际中为了方便计算和模拟，优选的，在预设时间内可将风浪对漂浮平台的作用看作是相同的，即在该时间段内漂浮平台的摇摆运动是多个完整的运动周期。此外，漂浮平台在风浪的作用下会在两个方向来回摆动，优选的，可将漂浮平台在两个方向的最远端设置为对称，如此，可将漂浮平台的运动看作对称摇摆运动。

在风浪的作用下，漂浮平台的摇摆会沿上述设定的X轴方向和Y轴方向均有分量。而本申请的核心则是通过运动压舱块以缓解对应方向的摇摆。

综上，本申请获取漂浮平台往复运动一个周期的运动时间，并获取单方向倾斜时的漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度并确定倾斜方向，以及相对于第二导轨的倾斜角度和倾斜方向，结合漂浮平台运动的特性，可同时得出另一方向倾斜时相对于第一导轨的倾斜角度和相对于第二导轨的倾斜角度，需要说明的是，这两个倾斜方向的相对于第一导轨的倾斜角度均相同，仅是倾斜方向不同，同理，这两个倾斜方向的相对于第二导轨的倾斜角度均相同，仅是倾斜方向不同。

步骤S2：确定第一压舱块的最终位置并确定第二压舱块的最终位置。

具体的，根据获取的倾斜角度θx，确定第一压舱块的最终位置，以抵消漂浮平台在倾斜端的浮力，缓解晃动。根据获取的倾斜角度θy，确定第二压舱块的最终位置，抵消漂浮平台在倾斜端的浮力，缓解晃动。

在实际中，对于第一压舱块的最终位置的确定方式具体包括：

步骤S21:预设漂浮平台相对于第一导轨的最大倾斜角度θxmax，并确定第一压舱块初始位置到该倾斜方向的最远端的距离Lx。

在实际中可将第一压舱块的初始位置设置为第一导轨沿长度方向的中心位置，即第一压舱块初始位置时，漂浮平台的重心处于几何中心。当设定第一导轨的长度为D1时，优选的，上述的Lx＝D1/2。

对于预设的最大的倾斜角度θxmax，可为该漂浮式风力发电机承受最大风浪时的倾斜角度。

步骤S22：获取漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度θx。

在实际摇摆过程中，漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度θx是不同的，因此，需要获取实时的倾斜角度。

步骤S23：计算并存储在倾斜角度θx时第一压舱块的移动距离d1，d1＝L*θx/θxmax。

即本方案中通过等比例设定第一压舱块的移动距离，该比例的获取是按倾斜角度与最大倾斜角度的比值获取的。

参照上述第一压舱块的最终位置的确定方式，本申请中公开的第二压舱块的最终位置的确定方法可采用上述确定方式，具体的：

步骤S31：预设漂浮平台相对于第二导轨的最大倾斜角度θymax，并确定第二压舱块初始位置到该倾斜方向的最远端的距离Ly。

步骤S32：获取漂浮平台相对于第二导轨的倾斜角度θy；

步骤S33：计算并存储在倾斜角度θy时第二压舱块的移动距离d2，d2＝Ly*θy/θymax。

由于方式相同，因此，第二压舱块最终位置的确定方法也具有上述效果，在此不赘述。

步骤S3：计算并存储第一压舱块的移动平均速度V1，V1＝d1/0.25T。

通过上述步骤已经确定了第一导轨在第一倾斜角度时的最终位置，并计算存储了倾斜角度θx对应的移动距离d1，此外，由于整个循环周期T包括漂浮平台从初始位置到第一方向的最大倾斜角度，然后恢复至初始位置，再向第二方向到最大倾斜角度，再复位，整个过程可看作用时均相同，因此，第一压舱块的移动平均速度为V1，V1＝d1/0.25T。在实际中，第一压舱块由停止到最大速度再逐渐减小，对于具体的速度变化在此不限定。

步骤S4：计算并存储第二压舱块的移动平均速度V2，V2＝d2/0.25T。

对于第二压舱块的移动平均速度的分析可参照上述对第一压舱块的移动平均速度的分析，在此不再赘述。

步骤S5：根据获取的漂浮平台相对于第一导轨的倾斜方向存储第一压舱块的运动方向，并根据获取的漂浮平台相对于第二导轨的倾斜方向存储第二压舱块的运动方向。

通过对压舱装置进行控制，实现该漂浮式风力发电机的自适应压舱过程。

需要说明的是，第一压舱块的运动方向为向漂浮平台相对于第一导轨的倾斜且高度较高的方向移动，以使漂浮平台较高的位置下沉，缓解晃动。同理，第二压舱块的运动方向为向漂浮平台相对于第二导轨的倾斜且高度较高的方向移动。

上述的控制逻辑是存储在测量传感器内，以对驱动电机进行控制，实现驱动的压舱块的移动。

在实际中，对于存储在测量传感内的控制逻辑的更新频率为0.5T。具体的，第一压舱块和第二压舱块同时分别从初始位置运动半个周期时启动更新。以实际应用中为例：

可根据实际首先预存上述循环周期T、倾斜角度θx、倾斜角度θy以及第一压舱块的最终位置、第二压舱块的最终位置、移动平均速度V1和移动平均速度V2。当启动该压舱装置时，漂浮平台开始摇摆，并在漂浮平台在第一方向运动至最大倾斜角度并回到初始位置时，此时获取第一次的循环周期T、倾斜角度θx、倾斜角度θy以及第一压舱块的最终位置、第二压舱块的最终位置、移动平均速度V1和移动平均速度V2，此时测量传感内的控制逻辑开始更新，即更新上述的循环周期T、倾斜角度θx、倾斜角度θy以及第一压舱块的最终位置、第二压舱块的最终位置、移动平均速度V1和移动平均速度V2的参数。

漂浮平台继续向第二方向运动，并从初始位置运动至最大倾斜角度后再回复至初始位置，此时完整第二次更新。

通过上述分析可知，本申请中驱动电机执行的是上一次获取的参数。

上述漂浮平台的循环周期T包括漂浮平台在两个相反方向各运动一次的时间。即整个的运动过程包括由初始位置沿第一方向运动至最远端再回复至初始位置，再由初始位置沿第二方向运动至最远端再回复至初始位置，其中，第一方向和第二方向相反，对于具体的方向不限定。

在实际中，将初始位置设置为第一压舱块和第二压舱块均位于各自中心位置时。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种漂浮式风力发电机的压舱装置，其特征在于，包括：

设置在漂浮平台内部，并沿所述漂浮平台的周向布置的导轨；

沿所述导轨移动以调节所述漂浮平台重心位置的压舱块。

2.根据权利要求1所述的压舱装置，其特征在于，所述压舱块套设在所述导轨上，并且所述导轨上沿长度方向设置与齿条，所述压舱块通过转动齿轮与所述导轨啮合传动。

3.根据权利要求2所述的压舱装置，其特征在于，还包括用于控制所述压舱块移动位置、移动方向和移动速度的驱动电机。

4.根据权利要求3所述的压舱装置，其特征在于，所述漂浮平台为矩形平台，所述导轨拼接为矩形框架；

所述导轨包括平行且相对布置两个第一导轨和平行且相对布置的两个第二导轨，所述压舱块包括沿所述第一导轨移动的第一压舱块和沿所述第二导轨移动的第二压舱块；

所述驱动电机与所述第一压舱块和所述第二压舱块均一一对应设置。

5.根据权利要求4所述的压舱装置，其特征在于，还包括用于检测所述漂浮平台倾斜角度和倾斜方向的测量传感器，并且所述测量传感器与所述驱动电机信号连接，通过控制所述驱动电机使所述压舱块向所述漂浮平台的倾斜方向反方向移动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的压舱装置，其特征在于，所述压舱块的重量为机头重量的0.05％-2％。

7.一种漂浮式风力发电机，包括压舱装置，其特征在于，所述压舱装置为如权利要求1-6任一项所述的压舱装置。

8.一种压舱装置的控制方法，应用于如权利要求4或5所述的压舱装置，其特征在于，包括：

获取并存储漂浮平台循环运动一次的循环周期T，并同时获取该周期内单方向倾斜漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度θx和倾斜方向以及相对于第二导轨的倾斜角度θy和倾斜方向；

根据获取的倾斜角度θx，确定并存储第一压舱块的最终位置；根据获取的倾斜角度θy，确定第二压舱块的最终位置；

计算并存储第一压舱块的移动平均速度V1，V1＝d1/0.25T；

计算并存储第二压舱块的移动平均速度V2，V2＝d2/0.25T；

根据获取的漂浮平台相对于第一导轨的倾斜方向存储第一压舱块的运动方向，并根据获取的漂浮平台相对于第二导轨的倾斜方向存储第二压舱块的运动方向。

9.根据权利要求8所述的压舱装置的控制方法，其特征在于，所述漂浮平台的循环周期T包括漂浮平台在两个相反方向各运动一次的时间。

10.根据权利要求8所述的压舱装置的控制方法，其特征在于，所述第一压舱块的移动平均速度V1和最终位置以及所述第二压舱块的移动平均速度V2和最终位置的更新频率均为0.5T，且所述第一压舱块和所述第二压舱块同时分别从初始位置运动半个周期时启动更新。

11.根据权利要求8所述的压舱装置的控制方法，其特征在于，所述根据获取的倾斜角度θx，确定第一压舱块的最终位置，具体包括：

预设漂浮平台相对于第一导轨的最大倾斜角度θxmax，并确定第一压舱块初始位置到该倾斜方向的最远端的距离Lx；

获取漂浮平台相对于第一导轨的倾斜角度θx；

计算并存储在倾斜角度θx时第一压舱块的移动距离d1，d1＝L*θx/θxmax；

根据获取的倾斜角度θy，确定第二压舱模块的最终位置具体包括：

预设漂浮平台相对于第二导轨的最大倾斜角度θymax，并确定第二压舱块初始位置到该倾斜方向的最远端的距离Ly；

获取漂浮平台相对于第二导轨的倾斜角度θy；

计算并存储在倾斜角度θy时第二压舱块的移动距离d2，d2＝Ly*θy/θymax。

12.根据权利要求11所述的压舱装置的控制方法，其特征在于，所述第一压舱块的初始位置为第一导轨长度方向的中心，且所述第二压舱块的初始位置为第二导轨长度方向的中心。

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