CN117184323A - 一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，包括浮式风机、强度小的系泊系统、动力定位系统；所述浮式风机包括风力发电机、半潜式平台；所述系泊系统包括锚链和锚固基础；所述动力定位系统包括与控制系统相连的测量系统、推进系统；在风力发电机工作时，如果浮式风机的运动响应超过预设值，触发模块向推进系统发出开启信号，触发推进系统进行协作定位以提升浮式风机的定位能力和定位精度；在风力发电机停机时，当某一根锚链的最大张力超过预设的安全限值，触发模块向推进系统发出开启信号，触发推进系统进行协作定位，可以降低锚链的受力，防止锚链断裂，同时也可以降低系泊系统的设计强度，降低锚链成本。

Description

一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统

技术领域

本发明涉及海上浮式风机定位技术领域，具体涉及一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统。

背景技术

当今对于能源需求的不断增长以及对全球变暖等自然问题的担忧，人们对于可再生能源的需求和兴趣不断增长，近年来，风电越来越受到欢迎。风电有两种类型：陆上风电以及海上风电，海上风电相较于陆上风电具有明显的优势。海上风速更高，风能资源丰富；海面摩擦较小，风能质量高，海风有稳定的主导方向，风机能够较长时间稳定运行；海上风机单机容量大，能量输出大；海上风电的发展对环境的负面影响较小，不用占用宝贵的土地资源，对居民的生活影响较小。因此，随着海上风机安装技术的逐步完善，海上风电作为发展趋势是可预见的。

目前浮式风机都采用系泊系统进行定位，依靠锚链提供的回复力平衡浮式风机所受的环境力，使其固定在一定范围内，具有投资少、使用、维修方便等特点。但是随着风电开发逐渐走向深海，深水系泊系统为了抵抗复杂的极端海况需要将锚链长度和强度设计的过于冗余，导致锚链重量剧增，安装作业也变得更加复杂和困难，成本急剧增加。针对上述问题，有人提出了在浮式风机平台上安装不受水深影响的动力定位系统。动力定位系统依靠推进器产生的推力使浮式风机自动保持在目标位置和艏向实现定位。它的基本原理是通过获得浮式风机当前实时位置与目标位置的偏差，由控制系统计算使浮式风机回到目标位置所需的推力和力矩，再由推进系统实现所需推力，以达到抵抗外界环境力使浮式风机在目标位置附近保持定位的目的。动力定位系统虽然出力灵活，定位精度高，但是需要持续不间断工作，功率消耗极为严重。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，实现了在平静海况条件下只采用系泊系统进行定位，没有能量消耗，系泊系统设计强度大大降低，有效降低锚链成本和安装难度；在极端海况条件下触发动力定位系统进行协作定位，提升浮式风机的定位能力和定位精度，减少了动力定位系统的工作时间，降低功率消耗，提升浮式风机的经济性。

为实现上述目的，本申请提出的一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，包括浮式风机、强度小的系泊系统、动力定位系统；所述浮式风机包括风力发电机、半潜式平台；所述系泊系统包括锚链和锚固基础；所述动力定位系统包括与控制系统相连的测量系统、推进系统；所述风力发电机安装在半潜式平台上，所述半潜式平台通过锚链与位于海底的锚固基础相连；所述推进系统安装在半潜式平台底部，用于补偿浮式风机的低频运动；所述控制系统的触发模块通过监测浮式风机的运动响应和锚链的最大张力，判断是否开启推进系统：如果浮式风机的运动响应或某一根锚链的最大张力超过预设的安全限值，则向推进系统发出开启信号，触发推进系统进行协作定位。

进一步的，所述测量系统，包括位置传感器、张力传感器，所述位置传感器安装在半潜式平台底部，用于实时提供浮式风机的位置和艏向，进而得到运动响应；所述张力传感器安装在每根锚链顶端，用于获取锚链的张力。

进一步的，所述锚链的最大张力与浮式风机的位置和艏向的映射关系如下：

F_Ti＝a|DM|_i

式中：F_Ti表示第i条锚链的最大张力；a表示映射关系系数；|DM|_i表示第i条锚链的导缆孔与锚点之间的距离；

为了将系泊系统的定位能力发挥到最大，安全限值设置如下：

T_safe＝nT_MBL

式中：T_safe表示安全限值；T_MBL表示锚链的破断张力；n表示安全系数。

进一步的，所述控制系统的控制策略模块用于得到推进系统需要产生的总推力和力矩，具体为：

式中：F_control表示控制力，即推进系统需要产生的总推力和力矩；η表示浮式风机当前的位置和姿态；η_d表示期望的定位点位置和姿态；K_p表示比例系数，用于控制输出与(η-η_d)的比例关系；K_i表示积分系数，用于控制推进系统工作时段内的(η-η_d)平均值；K_d表示微分系数，用于对推进系统的出力变换作出预测控制。

进一步的，所述控制系统的推力分配模块用于得到推进系统中各个推进器的推力和力矩，具体为：

式中：W_i表示第i个推进器产生所需推力的功率， 其中K_Q表示推进器的转矩系数，K_T表示推进器的推力系数，D表示推进器的直径，ρ表示海水密度；T表示每个推进器产生的推力向量；B(α)表示推进器的布置矩阵，/> 其中，α_i为第i个推进器的推力方向，定义α∈R³为包含所有推力方向值向量，(l_xi，l_yi)表示第i个推进器在水平面内的坐标；s表示所需控制力与推进器实际产生的总推力的误差；ΔT_i表示第i个推进器的推力变化量；T_i0表示上一时刻第i个推进器的推力；Δα_i表示第i个推进器的推力方向变化量；Q_i表示第i个方向所需控制力与推进器实际产生的总推力的误差权值，定义Q∈R^3×3为包含所有方向误差权值的矩阵；Ω_i表示第i个推进器推力方向变化量的权值。

目标函数的第一项为各推进器功率消耗总和；第二项是根据所需总推力和实际总推力之间的偏差s构造的罚函数项，矩阵Q中的对角项取值较大，便于在任何情况下偏差s能尽可能接近零；第三项为针对推进器转角变化速度构造的函数，α₀为上一计算周期内的推进器转角；第四项是为防止在推力分配计算中出现奇异解，ρ≥0是该项权重系数，较大权重系数能带来较好的操控性能但会增加稳定状态功率消耗，ε>0是为了避免计算中因分母为零出现数值错误。

更进一步的，所述推力分配模块的约束条件为：

T_min≤T₀+ΔT≤T_max

ΔT_min≤ΔT≤ΔT_max

α_min≤α₀+Δα≤α_max

Δα_min≤Δα≤Δα_max

式中：ΔT表示每个推进器的推力变化量向量；T₀表示上一时刻每个推进器的推力向量；Δα表示每个推进器的推力方向变化量向量；α₀表示上一时刻每个推进器的推力方向向量；

第一个约束条件是使推进器产生总推力等于所需要的控制力；第二个约束条件是对每个推进器产生的推力范围进行限制，T_min和T_max为每个推力器所能产生推力的最大值和最小值向量；第三个约束条件对推进器推力变换速度进行限制，第四个约束条件则是对推进器转角范围进行限制，给定了转角最大值向量Δα_max和最小值向量Δα_min；第五个约束条件则是对推进器转角变换速度进行限制，防止出现过快过大的方位角变换。

更进一步的，在风力发电机工作时，如果浮式风机的运动响应超过预设值，触发模块向推进系统发出开启信号进行触发；在风力发电机停机时，当某一根锚链的最大张力超过预设的安全限值，触发模块向推进系统发出开启信号进行触发。

更进一步的，在任意时刻，浮式风机在环境载荷、系泊系统和动力定位系统作用下进行低频运动，测量系统实时提供浮式风机当前时刻的运动响应；触发模块通过监测浮式风机的运动响应和锚链的最大张力，判断是否开启推进系统；当推进系统开启时，控制策略模块以预设的运动响应作为定位点，根据浮式风机当前时刻和预设的运动响应的差得出推进系统应提供的总推力，随后推力分配模块将总推力分配到各个推进器上并由推进器出力作用在浮式风机上。

作为更进一步的，所述环境载荷包括风载荷、波浪载荷和流载荷。

作为更进一步的，所述系泊系统数学模型表示为：

F_x＝1.851x³-6.947x²-97.503x+39.123

F_y＝-0.369y³-77.19y

F_z＝-0.006z³+0.409z²+42.967z+947.998

M_θ＝2.644θ³-13.126θ²-766.159θ-30190.419

M_ψ＝0.507ψ³-16.094ψ²+412.115ψ+11406.958

式中，F_x、F_y、F_z表示系泊系统沿x、y、z方向产生的回复力，M_θ、M_ψ表示系泊系统绕x、y、z方向产生的回复力矩。

本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：1)以正常工作海况作为系泊系统的设计工况，在保证浮式风机在平静海况条件下和中等海况条件下可以安全稳定的工作，同时也减少了锚链的成本和占地面积；

2)控制系统的触发模块，能够通过监测浮式风机的运动响应和锚链的最大张力，判断是否开启推进系统并触发或停止推进系统工作；

3)在半潜式平台上安装推进系统，可以在中等海况条件下控制浮式风机的低频运动，提高浮式风机的定位精度；可以在极端恶劣海况条件下补偿浮式风机受到的环境力，防止锚链断裂，提高浮式风机的定位能力，保证浮式风机的安全。

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为浮式风机动力定位辅助系泊系统结构示意图；

图2为半潜式平台结构形式示意图；

图3为系泊系统布置示意图；

图4为推进器布置示意图；

图5为AU5-50推进器敞水特性曲线；

图6为系泊系统水平运动响应包络图；

图7为坐标系统及平台运动示意图。

具体实施方法

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-6所示，本实施例提供一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，包括浮式风机、强度小的系泊系统、动力定位系统；所述半潜式平台上设有比传统系泊系统强度小的系泊系统，该系泊系统在传统系泊设计上减少了锚链数量和长度，在平静海况下可以提供足够的系泊回复力，同时降低了安装成本及难度和锚链占地面积，参见下表；

表1系泊系统设计参数对比表

所述动力定位系统包括控制系统、测量系统、推进系统，动力定位系统以浮式风机的水平面3自由度低频运动响应(横荡、纵荡和艏摇)作为控制变量，通过推进器出力来保持浮式风机的位置和艏向。所述控制系统包括触发模块、控制策略模块、推力分配模块；所述推进系统由三个推进器组成，安装在半潜式平台底部，根据推力分配模块得出各推进器出力补偿浮式风机的低频运动；所述测量系统，除了包括位置传感器、张力传感器，还具有位置参考系统。

具体的，所述位置参考系统，包括：

(1)大地坐标系，取海面上的任意一点作为原点O_E，X_E轴指向正北，Y_E轴指向正东，Z_E轴指向地心，浮式风机的运动方向沿坐标轴正方向为正，定义风、浪、流载荷的入射方向沿x轴正方向时为0°。

(2)平台坐标系，以静水面与平台相交处的平面中心为原点O_B，X_B轴指向如图7所示方向，Y_B轴指向如图7所示方向，ZB轴指向海底。

浮式风机动力学模型是在平台坐标系中建立的，需要把平台运动状态转换到大地坐标系中。浮式风机在平台坐标系下的六自由度运动向量可以表述为v＝[u v w p q r]^T，在固定坐标系下的位姿向量及其导数可以表示为上述两组向量之间的变换关系可以描述为：

式中：

将式(1)和式(2)合并可以表示为：

其中R(η)是旋转变换矩阵且表示为：

动力定位系统中只考虑平台在水平面内的运动，即纵荡、横荡和艏摇三个自由度，状态向量为v＝[u v r]^T，η＝[x y ψ]^T，3自由度运动的旋转变换矩阵可以表示为：

所述浮式风机的动力学方程可表示为：

式中：M表示系统惯性质量矩阵；D表示阻尼矩阵，速度接近0时只考虑线性阻尼；G表示广义回复力矩阵；η表示浮式风机的当前位置和姿态；F_wind表示风荷载产生的风力和力矩；F_wave表示浪荷载产生的二阶波浪力和力矩；F_current表示流荷载产生的流力和力矩；F_moor表示系泊系统产生的回复力和力矩；F_control表示控制力，即推进器实际产生的总推力和力矩。

其中风载荷获取方式为：

式中：ρ_a为空气密度；U_T,z为平均时间T内，高度z处的风速；C_z为受风结构高度系数；C_s为构建形状系数；C_DD为阻力系数；A_n为受风部件迎风面积；S为风轮的扫掠面积，停机时取扫掠面积的7.5％。

其中波浪载荷获取方式为：

式中：ω_i和ω_j为入射波的频率；ζ_i和ζ_j为入射波的波幅；ε_i和ε_j为随机的相位角；P_ij、Q_ij、为QTF矩阵。

其中流载荷获取方式为：

式中：ρ为海水密度；C_d为拖曳力系数；A_c为浮式风机平台的迎流面积；u_c为相对流速。

所述系泊系统数学模型可表示为：

F_x＝1.851x³-6.947x²-97.503x+39.123

F_y＝-0.369y³-77.19y

F_z＝-0.006z³+0.409z²+42.967z+947.998

M_θ＝2.644θ³-13.126θ²-766.159θ-30190.419

M_ψ＝0.507ψ³-16.094ψ²+412.115ψ+11406.958

式中，F_x、F_y、F_z表示系泊系统沿x、y、z方向产生的回复力，M_θ、M_ψ表示系泊系统绕x、y、z方向产生的回复力矩。

上述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统进行时域模拟，流程如下：

第一步，给定浮式风机初始时刻的运动响应，利用环境载荷、系泊系统数学模型得到初始时刻浮式风机受到的环境力和系泊回复力；

第二步，根据浮式风机初始时刻的运动响应、锚链的最大张力判断是否开启推进系统，当运动响应、所有锚链的最大张力均小于预设值时，推进系统不开启；如果浮式风机的运动响应或某一根锚链的最大张力超过预设的安全限值，推进系统开启，控制模块通过浮式风机当前时刻和预设的运动响应的差值得出控制力，然后利用推力分配模块得出每一个推进器的推力大小和方向以及实际总推力。

第三步，浮式风机动力学模型根据初始时刻的环境力、系泊回复力和实际总推力(推进系统不开启时，没有该项)，得出浮式风机下一时刻的运动响应，由此形成闭环控制系统。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，包括浮式风机、强度小的系泊系统、动力定位系统；所述浮式风机包括风力发电机、半潜式平台；所述系泊系统包括锚链和锚固基础；所述动力定位系统包括与控制系统相连的测量系统、推进系统；所述风力发电机安装在半潜式平台上，所述半潜式平台通过锚链与位于海底的锚固基础相连；所述推进系统安装在半潜式平台底部，用于补偿浮式风机的低频运动；所述控制系统的触发模块通过监测浮式风机的运动响应和锚链的最大张力，判断是否开启推进系统：如果浮式风机的运动响应或某一根锚链的最大张力超过预设的安全限值，则向推进系统发出开启信号，触发推进系统进行协作定位。

2.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述测量系统，包括位置传感器、张力传感器，所述位置传感器安装在半潜式平台底部，用于实时提供浮式风机的位置和艏向，进而得到运动响应；所述张力传感器安装在每根锚链顶端，用于获取锚链的张力。

3.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述锚链的最大张力与浮式风机的位置和艏向的映射关系如下：

F_Ti＝a|DM|_i

式中：F_Ti表示第i条锚链的最大张力；a表示映射关系系数；|DM|_i表示第i条锚链的导缆孔与锚点之间的距离；

为了将系泊系统的定位能力发挥到最大，安全限值设置如下：

T_safe＝nT_MBL

式中：T_safe表示安全限值；T_MBL表示锚链的破断张力；n表示安全系数。

4.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述控制系统的控制策略模块用于得到推进系统需要产生的总推力和力矩，具体为：

式中：F_control表示控制力，即推进系统需要产生的总推力和力矩；η表示浮式风机当前的位置和姿态；η_d表示期望的定位点位置和姿态；K_p表示比例系数，用于控制输出与(η-η_d)的比例关系；K_i表示积分系数，用于控制推进系统工作时段内的(η-η_d)平均值；K_d表示微分系数，用于对推进系统的出力变换作出预测控制。

5.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述控制系统的推力分配模块用于得到推进系统中各个推进器的推力和力矩，具体为：

式中：W_i表示第i个推进器产生所需推力的功率， 其中K_Q表示推进器的转矩系数，K_T表示推进器的推力系数，D表示推进器的直径，ρ表示海水密度；T表示每个推进器产生的推力向量；B(α)表示推进器的布置矩阵，/> 其中，α_i为第i个推进器的推力方向，定义α∈R³为包含所有推力方向值向量，(l_xi，l_yi)表示第i个推进器在水平面内的坐标；s表示所需控制力与推进器实际产生的总推力的误差；ΔT_i表示第i个推进器的推力变化量；T_i0表示上一时刻第i个推进器的推力；Δα_i表示第i个推进器的推力方向变化量；Q_i表示第i个方向所需控制力与推进器实际产生的总推力的误差权值，定义Q∈R^3×3为包含所有方向误差权值的矩阵；Ω_i表示第i个推进器推力方向变化量的权值；常数ε>0。

6.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述推力分配模块的约束条件为：

T_min≤T₀+ΔT≤T_max

ΔT_min≤ΔT≤ΔT_max

α_min≤α₀+Δα≤α_max

Δα_min≤Δα≤Δα_max

式中：ΔT表示每个推进器的推力变化量向量；T₀表示上一时刻每个推进器的推力向量；Δα表示每个推进器的推力方向变化量向量；α₀表示上一时刻每个推进器的推力方向向量；T_min和T_max为每个推力器所能产生推力的最大值和最小值向量；Δα_max和Δα_min为转角最大值向量和最小值向量。

7.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，在风力发电机工作时，如果浮式风机的运动响应超过预设值，触发模块向推进系统发出开启信号进行触发；在风力发电机停机时，当某一根锚链的最大张力超过预设的安全限值，触发模块向推进系统发出开启信号进行触发。

8.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，在任意时刻，浮式风机在环境载荷、系泊系统和动力定位系统作用下进行低频运动，测量系统实时提供浮式风机当前时刻的运动响应；触发模块通过监测浮式风机的运动响应和锚链的最大张力，判断是否开启推进系统；当推进系统开启时，控制策略模块以预设的运动响应作为定位点，根据浮式风机当前时刻和预设的运动响应的差得出推进系统应提供的总推力，随后推力分配模块将总推力分配到各个推进器上并由推进器出力作用在浮式风机上。

9.根据权利要求8所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述环境载荷包括风载荷、波浪载荷和流载荷。

10.根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述系泊系统数学模型表示为：

F_x＝1.851x³-6.947x²-97.503x+39.123

F_y＝-0.369y³-77.19y

F_z＝-0.006z³+0.409z²+42.967z+947.998

M_θ＝2.644θ³-13.126θ²-766.159θ-30190.419

M_ψ＝0.507ψ³-16.094ψ²+412.115ψ+11406.958

式中，F_x、F_y、F_z表示系泊系统沿x、y、z方向产生的回复力，M_θ、M_ψ表示系泊系统绕x、y、z方向产生的回复力矩。