CN117231431A - 一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，包括箱体(1)和安装于箱体(1)内部的磁浮层(2)、电磁层(3)、冲击层(4)、运动层(5)和设备腔(6)。冲击块(8)受到磁浮层(2)，电磁层(3)和设备腔(6)内监测控制机构(10)的调控，在冲击层(4)和磁浮层(2)之间的运动层(5)中实现悬浮与冲击碰撞。与现有技术相比，本发明具有能源需求少，可灵活调整冲击时间点，控制效果稳定，装置自动供能等优点，可用于应对复杂的外部激励，达到更好的冲击减振效果。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程结构振动控制技术领域，尤其是涉及一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置。
背景技术
近年来，海上风电项目飞速发展，与浅水区的固定式风力发电机相比，深水区(60-900m)浮动式风力发电机的环境风速更大，风能利用效率更高，但在风、浪等激励的耦合作用下结构更容易产生摇摆运动，影响生产安全，降低生产效率。为了有效控制浮动式风力发电机的摇摆运动，减小海上浮动式风力发电机在风、浪等耦合作用下的纵摇-横摇耦合振动响应，需要采取相应的控制措施，比如风机自身控制和附加振动控制装置。其中，风机控制容易降低设备的疲劳寿命，产生不利的负阻尼效应。而传统的振动控制装置，如调谐质量阻尼器(TMD)等，具有减振频带较窄、鲁棒性较差以及阻尼元件使用年限受限等缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，包括箱体和安装于箱体内部的磁浮层、电磁层、冲击层、运动层和设备腔。所述磁浮层固定于箱体内的底部，磁浮层能为运动层中的冲击块提供磁浮力。所述冲击层安装于电磁层的底部，冲击层外侧设置固定磁体，所述设备腔内安装监测控制机构。所述冲击块受到磁浮层，电磁层和监测控制机构的调控，在冲击层和磁浮层之间的运动层中实现悬浮与冲击碰撞。
进一步地，所述箱体的横向截面设置为中心对称图形，箱体由抗电磁干扰的材料密闭制成。优选地，箱体的横向截面为圆形。
进一步地，所述的冲击层的平面尺寸小于电磁层。
进一步地，所述的冲击层的外侧设置一圈横截面为圆环形的固定磁体。
进一步地，所述的冲击层由压电陶瓷制成，冲击层的底部设置缓冲材料。
进一步地，所述的电磁层内等间距阵列设置用于吸引冲击块朝装置顶部运动的励磁线圈。
进一步地，所述的冲击块包括第一冲击块和第二冲击块，第一冲击块能通过磁浮层悬浮于运动层中，第二冲击块能被固定磁体吸附。
进一步地，所述的电磁层与箱体内顶部之间设有供电线线路安装的腔体。
进一步地，所述的设备腔内安装有用于储存电能的能量收集器，能量收集器与冲击层电性连接。
进一步地，所述的监测控制机构包括第一监测控制机构和第二监测控制机构，监测控制机构与励磁线圈电性连接。
本发明还提供一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置在海洋工程结构振动控制领域的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的纵横摇耦合控制装置通过磁浮层、电磁层和监测控制机构的调控使冲击块在运动层内发生水平和竖直方向的碰撞。通过与受控主体结构的非线性碰撞可以实现与主体结构间的有效动量交换与能量耗散，起到充分的减振效果，以减小海上浮动式风力发电机在风、浪等耦合作用下的纵摇-横摇耦合振动响应。
(2)本发明利用半主动振动控制方法，冲击阻尼具有更高的灵活性和调节性能，可根据外部激励的变化进行实时调节和响应。通过结构自身摇摆运动带动振动控制装置内部附加质量的运动，仅需较少的能源输入即可实现冲击可控，能够适应外激励特性及结构自身特征的变化，具有更宽的减振频带和更高的控制稳定性，改善了传统调谐质量阻尼器不可调节、鲁棒性差的缺陷。因此，本发明具有能源需求少，可灵活调整冲击时间点，控制效果稳定，装置自动供能等优点，可用于应对复杂的外部激励，达到更好的冲击减振效果
(3)本发明利用冲击阻尼实现非线性减振，与传统调谐质量阻尼器相比，控制装置的工作行程降低，从而有效解决了浮动式风力发电机减振装置安装空间受限的问题；与风机控制相比，可有效降低风电机自身的疲劳损伤，避免负阻尼效应。
(4)本发明通过设置多级冲击块，实现结构不同幅度振动的分级控制，提高了控制效率及可靠性；通过设置能量收集器，实现装置启动后的自供能，降低了供能成本。
(5)本发明结合非线性冲击阻尼与半主动控制技术，有效利用结构自身动能，通过监测内部附加质量与受控结构的相对运动，调节磁场大小从而改变附加质量的运动方向，实现从外部监测到内部最优冲击调控的高效减振路径，且能够考虑风、浪等激励的输入角度变化，实现纵摇-横摇耦合控制，提高控制效率与稳定性的同时，降低工作行程。
(6)本发明能够同时实现浮动式风力发电机的纵摇与横摇振动控制，无需弹簧等多个方向刚度系统的安装设计，不受使用年限的限制，便于装置的安装与维护。因此，本发明应用范围广泛，不仅可应用于张力腿、驳船式、单柱式、半潜式等海洋浮动平台上的风力发电机顶部，也可应用于浮动平台的底部，实现对浮动式风力发电机的摇摆振动控制。同时本发明具有很高的可靠性和耐用性，可以在恶劣的环境条件下工作，如高温、低温、潮湿等。
附图说明
图1为本发明一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置的内部结构示意图。
图2为本发明一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置A-A截面的剖视图。
图3为本发明一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置B-B截面的剖视图。
图4为本发明一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置运动层的冲击路径示意图。
图中附图标记说明：
1-箱体，2-磁浮层，3-电磁层，4-冲击层，5-运动层，6-设备腔，7-励磁线圈，8-冲击块，8a-第一冲击块，8b-第二冲击块，9-能量收集器，10-监测控制机构，10a-第一监测控制机构，10b-第二监测控制机构，11-腔体，12-固定磁体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
实施例1提供了一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，包括箱体1和安装于箱体1内部的磁浮层2、电磁层3、冲击层4、运动层5和设备腔6。其中，磁浮层2固定于箱体1内的底部，磁浮层2能为运动层5中的冲击块8提供磁浮力。冲击层4安装于电磁层3的底部，冲击层4外侧设置固定磁体12。设备腔6内安装监测控制机构10。冲击块8受到磁浮层2，电磁层3和监测控制机构10的调控，可以在冲击层4和磁浮层2之间的运动层5中实现悬浮与冲击碰撞。
实施例2：
实施例2提供了一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，如图1所示，包括箱体1和安装于箱体1内部的磁浮层2、电磁层3、冲击层4、运动层5和设备腔6。
本实施例中，运动层5内设有冲击块8，具体包括第一冲击块8a和第二冲击块8b。第一冲击块8a和第二冲击块8b均为永磁体，以实现多级减振控制。当结构摆动幅度较小时仅有第一冲击块8a工作，结构摆动幅度过大时第一冲击块8a和第二冲击块8b协同工作。
箱体1由抗电磁干扰的石墨烯泡沫材料密闭制成，防止外部磁场对减振装置产生负面影响，使得减振装置内部的磁场能够保持稳定并准确调节。箱体1的横向截面设置为圆形。磁浮层2由圆柱形磁铁制成，固定于箱体1内的底部，磁浮层2能为冲击块8提供磁浮力，能够使第一冲击块8a悬浮在运动层5的Z方向的中间位置，使其能够在电磁层3不工作的情况下沿装置X-Y平面自由滑动。电磁层3与箱体1内顶部之间设有供电线线路安装的腔体11。电磁层3内等间距阵列设置励磁线圈7(如图2所示)，用于吸引冲击块8朝装置顶部运动，使冲击块8的运动轨迹由直线变为曲线，使减振装置与受控结构产生有效动量交换，促使结构朝其平衡位置运动。
冲击层4安装于电磁层3的底部，冲击层4外侧设置一圈横截面为圆环形的固定磁体12(如图3所示)。冲击层4由压电陶瓷制成，冲击层4的底部设置一层薄的橡胶缓冲材料。冲击层4的平面尺寸小于电磁层3，冲击层4的外侧设置一圈横截面为圆环形的固定磁体12。在没有外部激励的初始状态中，第一冲击块8a能通过磁浮层2悬浮于运动层5中，第二冲击块8b能被固定磁体12吸附，第二冲击块8b的质量小于第一冲击块8a。
设备腔6内安装有能量收集器9和监测控制机构10。能量收集器9在装置安装初期需储存一定电量，供装置启动使用。能量收集器9通过腔体13和电磁层3与冲击层4电线连接，用于收集碰撞时冲击层4的压电陶瓷转化得到的电能。监测控制机构10包括第一监测控制机构10a和第二监测控制机构10b，第一监测控制机构10a和第二监测控制机构10b分别沿主体结构平面X方向和Y方向设置，避免第一冲击块8a和第二冲击块8b在运动过程中处于监测盲区，以监测主体结构和第一冲击块8a的位移、速度等运动数据。监测控制机构10通过腔体13与励磁线圈7电线连接，通过电路控制励磁线圈7的工作状态。
本实施例的工作原理如下：
本实施例的浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置使用时固定于海上浮动式风力发电机结构上，当风力发电机结构在风、浪等耦合作用下产生摇摆运动时，第一冲击块8a的运动方向由于惯性作用随之运动。监测控制机构为集合型机构，第一监测控制机构10a的内部监测部分由能分别采集主体结构、第一冲击块8a和第二冲击块8b的位移、速度、加速度的传感器组成，第二冲击块8b的质量小于第一冲击块8a。第二监测控制机构10b是第一监测控制机构10a的补充机构，仅用于采集第一冲击块8a和第二冲击块8b的位移、速度、加速度，目的是当第一冲击块8a和第二冲击块8b运动过程中处于第一监测控制机构10a的监测盲区时(第一监测控制机构10a、第一冲击块8a和第二冲击块8b三者处于同一条直线上时)，进行运动信息的补充采集。当监测控制机构10检测到外部激励带来的摆动幅度时，启动励磁线圈7，励磁线圈7产生的磁场吸引第一冲击块8a朝装置顶部运动，第一冲击块8a的运动轨迹由直线变为曲线，与冲击层4产生碰撞，对受控结构由于摇摆运动下降的一侧产生一个朝上的碰撞力，促使结构朝其平衡位置运动，振动控制装置与受控结构产生有效动量交换，达到对结构摇摆运动的控制效果。当风、浪等激励输入结构的方向发生变化时，第一冲击块8a都能随着结构响应产生对应方向的运动，从而达到纵摇-横摇耦合控制的效果。
碰撞产生时，冲击层4的压电陶瓷开始工作，将能量转化为电能，储存入能量收集器9中。冲击结束后，励磁线圈7内电流逐渐减小至零，第一冲击块8a与冲击层4分开，位置恢复至运动层5的中部，并随着主体结构向相反方向的运动而运动，进行下一次冲击。
当监测控制机构10监测到结构的摆动幅度过大时，通过电路调控固定磁体12顶部的励磁线圈7，使原本吸附在固定磁体12上的第二冲击块8b被释放至运动层5的中部，与第一冲击块8a协同工作，以提高冲击减振效果。当结构摆动幅度变小时，电路调控励磁线圈7，使第二冲击块8b运动至固定磁体12的位置并吸附在固定磁体12底部，恢复至仅有第一冲击块8a工作的状态。
实施例3：
实施例3提供了一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，与实施例2的不同之处在于，本实施例的监测控制机构10设置了最优化控制程序。其他结构同实施例2。
本实施例的工作原理为：
本实施例的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置使用时固定于海上浮动式风力发电机结构，当风力发电机结构在风、浪等耦合作用下产生摇摆运动时，耦合控制装置能够通过冲击为结构提供朝其平衡位置摆动的恢复力，并通过冲击阻尼将从结构吸收的动能耗散，实现有效动量交换与能量耗散的目的。为了使耦合控制装置的冲击效果最大化，耦合控制装置的最优冲击原则为：冲击块8在动能最大时产生冲击作用，且冲击力方向与主体结构摆动方向相反。
装置内部第一冲击块8a在惯性作用下运动，图4给出了其中一种运动情况，即结构沿绕Y轴方向逆顺时针摇摆运动。此时第一冲击块8a的运动方向为平行于装置朝左下方运动，第一监测控制机构10a和第二监测控制机构10b实时采集主体结构与第一冲击块8a的运动信息并计算确定最优冲击点，具体为：根据主体结构摆动的位移、速度与加速度信息计算结构达到最大摆动幅度(摆动速度为零)的时间t1；根据第一冲击块8a当前的位移、速度与加速度信息，计算t1时间内第一冲击块8a的预测位移x1，该预测过程需将励磁线圈7产生的磁场对第一冲击块8a运动的影响时间考虑在内。
由预测位移x1确定最优冲击点，当第一冲击块8a接近最优冲击点时，第一冲击块8a与最优冲击点间的励磁线圈7启动，产生磁场吸引第一冲击块8a朝装置顶部运动，第一冲击块8a的运动轨迹由直线变为曲线，与冲击层4产生碰撞，对受控结构的左侧产生一个朝左上的碰撞力，促使结构朝其平衡位置运动，振动控制装置与受控结构产生有效动量交换，达到对结构摇摆运动的控制效果。当风、浪等激励输入结构的方向发生变化时，第一冲击块8a都能随着结构响应产生对应方向的运动，从而达到纵摇-横摇耦合控制的效果。
碰撞产生时，冲击层4的压电陶瓷开始工作，将能量转化为电能，储存入能量收集器9中。冲击结束后，励磁线圈7内电流逐渐减小至零，第一冲击块8a与冲击层4分开，Z方向位置恢复至运动层5的中部，并随着结构的运动向相反方向的运动而运动，进行下一次冲击。
当第一监测控制机构10a和第二监测控制机构10b监测到主体结构的摆动幅度过大时，预测位移x1超出冲击层4的尺寸时，通过电路调控第二冲击块8b顶部的励磁线圈7，使第二冲击块8b被释放至运动层5沿Z方向的中部，与第一冲击块8a协同工作，以提高冲击减振效果。当结构摆动幅度变小时，电路调控第二冲击块8b运动至固定磁体12的位置使其吸附在底部，恢复至仅有第一冲击块8a工作的状态。
实施例4：
本实施例的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，包括箱体1和安装于箱体1内部的磁浮层2、电磁层3、冲击层4、运动层5和设备腔6。其中，磁浮层2由圆柱形磁铁制成，固定于箱体1内的底部；电磁层3内设置多个分布于X-Y平面的励磁线圈7，安装于箱体1内的顶部，与箱体1的内壁间留有腔体11；冲击层4安装于电磁层3的底部，由压电陶瓷制成；运动层5设置第一冲击块8a和第二冲击块8b；设备腔6在箱体1内的最外侧，安装有能量收集器9和监测控制机构10。
如图1所示，本实施例中根据安装要求、使用环境设定将箱体1的横向截面设置为圆形。所述箱体1由对电磁隔离性能佳且耐久性高的石墨烯泡沫材料密闭制成，防止外部磁场对减振装置产生负面影响，使得减振装置内部的磁场能够保持稳定并准确调节。
磁浮层2的磁力设置原则为：能够使冲击块8悬浮在运动层5Z方向的中间位置，使其能够在电磁层3不工作的情况下沿装置X-Y平面无摩擦自由滑动。
电磁层3内励磁线圈7等间距布置，如图2所示，间距大小依据冲击控制的精度而定，每个励磁线圈7的电路单独控制，励磁线圈7的电路通过腔体11与设备腔6中的能量收集器9的线路和监测控制机构10的线路连接。
冲击层4的压电陶瓷的线路通过腔体11与能量收集器9的线路连接，压电陶瓷的底部设置一层薄的橡胶缓冲材料。冲击层4的平面尺寸小于电磁层3；冲击层4的外侧设置一圈固定磁体12，如图3所示，其磁力设置原则为：能够将第二冲击块8b吸附在其底部。
运动层5内的第一冲击块8a和第二冲击块8b均为磁体，第一冲击块8a的初始状态为悬浮在运动层5中部，第二冲击块8b的初始状态为吸附在固定磁体12的底部。
能量收集器9在装置安装初期需储存一定电量，供装置启动使用。
第一监测控制机构10a和第二监测控制机构10b分别沿结构平面X方向和Y方向设置，避免第一冲击块8a和第二冲击块8b在运动过程中处于监测盲区，以监测冲击块8的位移、速度、加速度等运动数据，计算最优冲击点，通过电路控制励磁线圈7的工作状态。
本实施例的工作原理为：
本实施的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置使用时固定于海上浮动式风力发电机结构，当风力发电机结构在风、浪等耦合作用下产生摇摆运动时，耦合控制装置能够通过冲击为结构提供朝其平衡位置摆动的恢复力，并通过冲击阻尼将从结构吸收的动能耗散，实现有效动量交换与能量耗散的目的。为了使耦合控制装置的冲击效果最大化，耦合控制装置的最优冲击原则为：冲击块8在动能最大时产生冲击作用，且冲击力方向与主体结构摆动方向相反。
装置内部第一冲击块8a在惯性作用下运动，图4给出了其中一种运动情况，即结构沿绕Y轴方向逆顺时针摇摆运动。此时第一冲击块8a的运动方向为平行于装置朝左下方运动，监测控制机构10a和10b实时采集结构与第一冲击块8a的运动信息并计算确定最优冲击点，具体为：根据结构摆动的位移、速度与加速度信息计算结构达到最大摆动幅度(摆动速度为零)的时间t1；根据第一冲击块8a当前的位移、速度与加速度信息，计算t1时间内第一冲击块8a的预测位移x1，该预测过程需将励磁线圈7产生的磁场对第一冲击块8a运动的影响时间考虑在内。
由预测位移x1确定最优冲击点，当第一冲击块8a接近最优冲击点时，第一冲击块8a与最优冲击点间的励磁线圈7启动，产生磁场吸引第一冲击块8a朝装置顶部运动，第一冲击块8a的运动轨迹由直线变为曲线，与冲击层4产生碰撞，对受控结构的左侧产生一个朝左上的碰撞力，促使结构朝其平衡位置运动，振动控制装置与受控结构产生有效动量交换，达到对结构摇摆运动的控制效果。当风、浪等激励输入结构的方向发生变化时，第一冲击块8a都能随着结构响应产生对应方向的运动，从而达到纵摇-横摇耦合控制的效果。
碰撞产生时，冲击层4的压电陶瓷开始工作，将能量转化为电能，储存入能量收集器9中。冲击结束后，励磁线圈内电流逐渐减小至零，第一冲击块8a与冲击层4分开，Z方向位置恢复至运动层5的中部，并随着结构的运动向相反方向的运动而运动，进行下一次冲击。
当监测控制机构10a和10b监测到结构的摆动幅度过大时，预测位移x1超出冲击层4的尺寸时，通过电路调控第二冲击块8b顶部的励磁线圈7，使第二冲击块8b被释放至运动层5沿Z方向的中部，与第一冲击块8a协同工作，以提高冲击减振效果。当结构摆动幅度变小时，电路调控第二冲击块8b运动至固定磁体12的位置使其吸附在底部，恢复至仅有第一冲击块8a工作的状态。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，包括箱体(1)和安装于箱体(1)内部的磁浮层(2)、电磁层(3)、冲击层(4)、运动层(5)和设备腔(6)；
所述磁浮层(2)固定于箱体(1)内的底部，磁浮层(2)能为运动层(5)中的冲击块(8)提供磁浮力；
所述冲击层(4)安装于电磁层(3)的底部，冲击层(4)外侧设置固定磁体(12)；所述设备腔(6)内安装监测控制机构(10)；
所述冲击块(8)受到磁浮层(2)，电磁层(3)和监测控制机构(10)的调控，在冲击层(4)和磁浮层(2)之间的运动层(5)中实现悬浮与冲击碰撞。
2.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的箱体(1)的横向截面设置为中心对称图形，箱体(1)由抗电磁干扰的材料密闭制成。
3.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的冲击层(4)的平面尺寸小于电磁层(3)，冲击层(4)的外侧设置一圈横截面为圆环形的固定磁体(12)。
4.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的冲击层(4)由压电陶瓷制成，冲击层(4)的底部设置缓冲材料。
5.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的电磁层(3)内等间距阵列设置用于吸引冲击块(8)的励磁线圈(7)。
6.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的冲击块(8)包括第一冲击块(8a)和第二冲击块(8b)；
所述的第一冲击块(8a)能通过磁浮层(2)悬浮于运动层(5)中，第二冲击块(8b)能被固定磁体(12)吸附。
7.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的电磁层(3)与箱体(1)内顶部之间设有供电线线路安装的腔体(11)。
8.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的设备腔(6)内安装有用于储存电能的能量收集器(9)，能量收集器(9)与冲击层(4)电性连接。
9.根据权利要求1所述的一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置，其特征在于，所述的监测控制机构(10)包括第一监测控制机构(10a)和第二监测控制机构(10b)，监测控制机构(10)与励磁线圈(7)电性连接。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置在海洋工程结构振动控制领域的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311118033.1A CN117231431A (zh) | 2023-08-31 | 2023-08-31 | 一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311118033.1A CN117231431A (zh) | 2023-08-31 | 2023-08-31 | 一种浮动式风力发电机纵横摇耦合控制装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117231431A true CN117231431A (zh) | 2023-12-15 |
Family
ID=89087041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN117231431A (zh) |
-
2023
- 2023-08-31 CN CN202311118033.1A patent/CN117231431A/zh active Pending
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