CN117231425B - 基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法 - Google Patents

基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋发电技术，尤其是一种基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法，控制系统包括一个中心柱和设置于其外围的呈三角形布置三个偏心柱，三个偏心柱之间以及三个偏心柱与中心柱之间通过塔舷固定连接，且三个偏心柱之间以及三个偏心柱与中心柱之间连通有输水管；所述偏心柱内部安装有水泵，水泵与输水管相连，在平台稳定控制工作时，其中一个或两个储水器中的水由水泵输入或排出到其他两个或一个储水器中实现平台前倾角度的改变，水泵由平台控制器控制，平台控制器位于风机塔筒底部，塔筒位于中心柱上。该技术将主动前倾控制和主动偏航相结合，有效的降低载荷干扰，提升了风电场功率，优化了风机控制效果。

Description

基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种海洋发电技术，尤其是一种基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法。
背景技术
为了应对碳中和的全球挑战，海上风力发电正在迅速发展，大容量风力涡轮机的数量显著增加。大容量风力机带来了风电场气动耦合强、尾迹效应明显等气动问题。尾迹具有尾迹风速减小、湍流强度增大、稳定的涡旋结构难以消散等特点。尾迹会导致力的不平衡，从而增加疲劳损伤，降低风力涡轮机的可靠性。此外，尾迹引起的低风速使风力机输出功率降低。
随着漂浮式风机平台控制功能的实现，受到主动偏航控制尾流转向的启发，通过控制平台的前倾，使尾流在垂直方向上发生重定向，从而使尾流偏离下风向风机。
目前方法：（1）使用主动偏航控制尾流重定向，从而实现缓解尾流干扰的效果；（2）改变轴向诱导因子的方法控制对风能的捕获，改变下风向风速。
控制轴向诱导因子的尾流控制方法受大气湍流度，尾流干扰位置影响严重，导致尾流控制效果不明显；而过大主动偏航控制尾流重定向会额外增加偏航轴承的载荷，小角度的主动偏航控制尾流重定向效果不明显。其缺乏兼顾被控风机自身载荷和下风向风机尾流干扰状态及考虑风机载荷的精细化尾流控制方法。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法，该技术充分考虑了尾流干扰对风机的载荷影响，将主动前倾控制和主动偏航相结合，有效的降低载荷干扰；其不仅提升了风电场功率，还综合考虑了载荷分布，优化了风机控制效果。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统，包括一个中心柱和设置于其外围的呈三角形布置三个偏心柱，三个偏心柱之间以及三个偏心柱与中心柱之间通过塔舷固定连接，且三个偏心柱之间以及三个偏心柱与中心柱之间连通有输水管；所述偏心柱内部设置有储水器和水泵，水泵设置于储水器内，水泵与输水管相连，在平台稳定控制工作时，其中一个或两个储水器中的水由水泵输入或排出到其他两个或一个储水器中实现平台前倾角度的改变，水泵由平台控制器控制，平台控制器位于风机塔筒底部，塔筒位于中心柱上，属于风机的构成部分，未在图片中显示。
所述三个偏心柱呈等腰三角形布置，分别位于等腰三角形的三个顶角上。
基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1）.读取风电场测风塔数据，获取风电场十分钟平均风向，作为风电场的风向；
2）.根据风向，结合风电场布局，判断出不受尾流干扰的风力发电机，作为标杆风力发电机；
3）.读取风电场标杆风力发电机的环境量输入，根据风电场布局和尾流模型计算发电量损失；使用尾流模型计算风速功率，尾流模型使用经典的双高斯尾流模型，其中尾流损失风速与环境风速的比值为：
，
，
其中，，
，
为尾流损失风速与环境风速的比值；r为尾流上任一点到尾流中心的距离；r0表示高斯极值点，r0=0.535D/2；z(θ)为尾流中心偏移量，θ为前倾角；M、N均为计算参数；σ表示高斯函数的标准差；C T 为风机的推力系数；D为转子直径；x表示到上风向风机的距离；x 0 表示尾流管出口；k为尾流膨胀的修正系数；I 0 为环境大气湍流；在x <x 0 ，k=0.00361； 在x≥x 0 ，k=0.01；
平台前倾造成的尾流中心偏移量z(θ)公式为：
当前倾角θ为负时，，
当前倾角θ为正时，，
根据尾流模型计算尾流风速u(z)获取功率值P
，
；
z(θ)为尾流中心偏移量；θ表示前倾角度；z表示到轮毂中心的距离，在轮毂中心以上z为正，在轮毂中心以下z为负；zh表示轮毂中心高度；u(z)为尾流风速，u3(z)为尾流风速的三次方；P为功率值；ρ为空气密度；A为转子盘扫风面积；Cp为功率因数；
4）.将整个风电场作为被控对象，前倾角度作为控制输入，使用fmincon算法寻优计算出最佳前倾角度；
具体为：，尾流中心偏移量z(θ)计算尾流中心位置，根据风机布局位置推算出下风向转子平面的平均风速，根据平均风速计算功率，通过改变θ得到多组功率值，使用fmincon算法寻优出功率最优的θ；
5）计算最优控制下每台风力发电机受到的尾流干扰面积，如果|尾流干扰面积-0.5D|<=0.1D，则增加给定+（-）2度偏航角度，正负号表示与尾流干扰相反的方向偏航，左为正，右为负；
在最优的平台前倾角控制下，按照第4）步的计算方法得到的尾流干扰<=0.1D，则将上风向风机与下风向风机的相对位置，+（-）2度偏航角度，使尾流偏离下风向风机，正负号表示与尾流干扰相反的方向偏航，左为正，右为负；
6）再次判断尾流干扰面积，重复步骤5）的操作，直到满足|尾流干扰面积-0.5D|>=0。
本发明的技术效果为：
根据目前实施结果，本发明在10m/s风速，0.13风切变，6%风切变的风况下，针对在风的流向上间距4倍转子直径，垂直风的流向上间距0.5倍转子直径的两台风机，累计功率能实现相较于基准提升8.54%，相较于基于偏航的尾流控制，功率提升5%；在10m/s风速，0.13风切变，6%风切变的风况下，对于两台风力发电机的场景，应用本方法控制，上风向风力发电机叶根面外载荷降低90.48%。
附图说明
图1是本发明实施例中控制平台的主视图；
图2是本发明实施例中控制平台的侧视图；
图3是本发明实施例中控制平台的俯视图；
图4是本发明实施例中本发明控制实现方式示意图；
图5是本发明实施例中控制方法流程图；
图6是本发明实施例中本发明控制下风电场总功率时程结果与其他方法对比图；
图7是本发明实施例中本发明控制下风电场总功率累计的时程结果与其他方法对比图；
图8是本发明实施例中本发明控制下上风向风机载荷结果与其他方法对比对比图；
图9是本发明实施例中本发明控制下下风向风机载荷结果与其他方法对比对比图；
其中，1.输水管，2.静止水位线，3.中心柱，4.塔舷，5.储水器，6.偏心柱，7.波浪，8.海床。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图6所示，本发明在10m/s风速，0.13风切变，6%风切变的风况下，针对在风的流向上间距4倍转子直径，垂直风的流向上间距0.5倍转子直径的两台风机，功率提升效果良好；根据计算，实时功率最大能实现相较于基准提升10%，相较于基于偏航的尾流控制，功率最大提升8%；
如图7所示，本发明在10m/s风速，0.13风切变，6%风切变的风况下，针对在风的流向上间距4倍转子直径，垂直风的流向上间距0.5倍转子直径的两台风机，功率提升效果良好；根据计算，累计功率能实现相较于基准提升8.54%，相较于基于偏航的尾流控制，功率提升5%；
如图8和9所示，在10m/s风速，0.13风切变，6%风切变的风况下，对于两台风力发电机的场景，应用本方法控制，下风向风机载荷略有增大，但数值很小；根据计算，上风向风力发电机叶根面外载荷降低90.48%。
如图1-4所示，基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统，包括一个中心柱3和设置于其外围的呈三角形布置三个偏心柱6，三个偏心柱6之间以及三个偏心柱6与中心柱3之间通过塔舷4固定连接，且三个偏心柱6之间以及三个偏心柱6与中心柱3之间连通有输水管1；偏心柱6内部安装有水泵，水泵设置于储水器5内，储水器5设置于偏心柱6内，水泵与输水管1相连，在平台稳定控制工作时，其中一个或两个储水器5中的水由水泵输入或排出到其他两个或一个储水器6中实现平台前倾角度的改变，水泵由平台控制器控制，平台控制器位于风机塔筒底部，塔筒位于中心柱3上，属于风机的构成部分，未在图片中显示。整个平台通过固定绳固定于海床8上，平台一部分处于静止水位线2以下，受波浪7的扰动，平台会晃动。三个偏心柱呈等腰三角形布置，分别位于等腰三角形的三个顶角上。
如图5所示，基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1）.读取风电场测风塔数据，获取风电场十分钟平均风向，作为风电场的风向；
2）.根据风向，结合风电场布局，判断出不受尾流干扰的风力发电机，作为标杆风力发电机；
3）.读取风电场标杆风力发电机的环境量输入，根据风电场布局和尾流模型计算发电量损失；使用尾流模型计算风速功率，尾流模型使用经典的双高斯尾流模型，其中尾流损失风速与环境风速的比值为：，
，
其中，，
，
为尾流损失风速与环境风速的比值；r为尾流上任一点到尾流中心的距离；r0表示高斯极值点，r0=0.535D/2；z(θ)为尾流中心偏移量，θ为前倾角；M、N均为计算参数；σ表示高斯函数的标准差；C T 为风机的推力系数；D为转子直径；x表示到上风向风机的距离；x 0 表示尾流管出口；k为尾流膨胀的修正系数；I 0 为环境大气湍流；在x <x 0 ，k=0.00361； 在x≥x 0 ，k=0.01；
平台前倾造成的尾流中心偏移量z(θ)公式为：
当前倾角θ为负时，，
当前倾角θ为正时，，
根据尾流模型计算尾流风速u(z)获取功率值P
，
；
z(θ)为尾流中心偏移量；θ表示前倾角度；z表示到轮毂中心的距离，在轮毂中心以上z为正，在轮毂中心以下z为负；zh表示轮毂中心高度；u(z)为尾流风速，u3(z)为尾流风速的三次方；P为功率值；ρ为空气密度；A为转子盘扫风面积；Cp为功率因数；
4）.将整个风电场作为被控对象，前倾角度作为控制输入，使用fmincon算法寻优计算出最佳前倾角度；
具体为：，尾流中心偏移量z(θ)计算尾流中心位置，根据风机布局位置推算出下风向转子平面的平均风速，根据平均风速计算功率，通过改变θ得到多组功率值，使用fmincon算法寻优出功率最优的θ；
5）计算最优控制下每台风力发电机受到的尾流干扰面积，如果|尾流干扰面积-0.5D|<=0.1D，则增加给定+（-）2度偏航角度，正负号表示与尾流干扰相反的方向偏航，左为正，右为负；
在最优的平台前倾角控制下，按照第4）步的计算方法得到的尾流干扰<=0.1D，则将上风向风机与下风向风机的相对位置，+（-）2度偏航角度，使尾流偏离下风向风机，正负号表示与尾流干扰相反的方向偏航，左为正，右为负；
6）再次判断尾流干扰面积，重复步骤5）的操作，直到满足|尾流干扰面积-0.5D|>=0。
根据目前实施结果，本发明在10m/s风速，0.13风切变，6%风切变的风况下，针对在风的流向上间距4倍转子直径，垂直风的流向上间距0.5倍转子直径的两台风机，累计功率能实现相较于基准提升8.54%，相较于基于偏航的尾流控制，功率提升5%；在10m/s风速，0.13风切变，6%风切变的风况下，对于两台风力发电机的场景，应用本方法控制，上风向风力发电机叶根面外载荷降低90.48%。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统的控制方法，所述尾流控制系统，包括一个中心柱和设置于其外围的呈三角形布置三个偏心柱，三个偏心柱之间以及三个偏心柱与中心柱之间通过塔舷固定连接，且三个偏心柱之间以及三个偏心柱与中心柱之间连通有输水管；所述偏心柱内部安装有储水器和水泵，水泵设置于储水器内，水泵与输水管相连，在平台稳定控制工作时，其中一个或两个储水器中的水由水泵输入或排出到其他两个或一个储水器中实现平台前倾角度的改变，水泵由平台控制器控制，平台控制器位于风机塔筒底部，塔筒位于中心柱上；其特征是，所述控制方法包括以下步骤：
(1)读取风电场测风塔数据，获取风电场十分钟平均风向，作为风电场的风向；
(2)根据风向，结合风电场布局，判断出不受尾流干扰的风力发电机，作为标杆风力发电机；
(3)读取风电场标杆风力发电机的环境量输入，根据风电场布局和尾流模型计算发电量损失；使用尾流模型计算风速功率，尾流模型使用经典的双高斯尾流模型，其中尾流损失风速与环境风速的比值
其中，σ＝kw(x-x0)+0.21D
为尾流损失风速与环境风速的比值；r为尾流上任一点到尾流中心的距离；r0表示高斯极值点，r0＝0.535D/2；z(θ)为尾流中心偏移量，θ为前倾角；M、N均为计算参数；σ表示高斯函数的标准差；CT为风机的推力系数；D为转子直径；x表示到上风向风机的距离；x0表示尾流管出口；k为尾流膨胀的修正系数；I0为环境大气湍流；在x＜x0，k＝0.00361；在x≥x0，k＝0.01；在x＜x0，k＝0.00361；在x≥x0，k＝0.01；
平台前倾造成的尾流中心偏移量z(θ)公式为：
当前倾角θ为负时，
当前倾角θ为正时，
根据尾流模型计算尾流风速u(z)获取功率值P
z(θ)为尾流中心偏移量；θ表示前倾角度；z表示到轮毂中心的距离，在轮毂中心以上z为正，在轮毂中心以下z为负；zh表示轮毂中心高度；u(z)为尾流风速；P为功率值；p为空气密度；A为转子盘扫风面积；Cp为功率因数；
(4)将整个风电场作为被控对象，前倾角度作为控制输入，使用fmincon算法寻优计算出最佳前倾角度；
具体为：σ＝kw(x-x0)+0.21D，尾流中心偏移量z(θ)计算尾流中心位置，根据风机布局位置推算出下风向转子平面的平均风速，根据平均风速计算功率，通过改变θ得到多组功率值，使用fmincon算法寻优出功率最优的θ；
(5)计算最优控制下每台风力发电机受到的尾流干扰面积，如果|尾流干扰面积-0.5D|＜＝0.1D，则增加给定+(-)2度偏航角度，偏航方向由受到尾流干扰侧来决定；
在最优的平台前倾角控制下，按照第(4)步的计算方法得到的尾流干扰＜＝0.1D，则将上风向风机与下风向风机的相对位置，+(-)2度偏航角度，使尾流偏离下风向风机；
(6)再次判断尾流干扰面积，重复步骤(5)的操作，直到满足|尾流干扰面积-0.5D|＞＝0。
2.如权利要求1所述的基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统的控制方法，其特征是，所述三个偏心柱呈等腰三角形布置，分别位于等腰三角形的三个顶角上。
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