CN118030402A - 一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台 - Google Patents
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Abstract
一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，包括风电基座、边立柱、中心立柱、电动浮筒、风机本体和风机叶轮，所述风电基座的外壁面与所述边立柱的一端固定连接，所述中心立柱固定连接在风电基座的底端中部，所述中心立柱固定连接在所述风电基座的顶部，所述自适应浮式平台通过自适应滑模稳定控制系统进而防偏航；通过控制系统生成相应的控制信号，调整浮台各个电动浮筒的动力输出，实现自适应浮式平台稳定控制；钛合金飞翼与风的接触面为光滑坡面结构，从而加强与强风的接触面积，从而增强本装置的抗风效果；多组混凝土消波块可有效减小海浪的传播能量，减小海浪对中心立柱以及风机本体的冲击力，加强稳定性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种海上发电设备技术领域，更具体的说是一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台。
背景技术
风力发电是指利用风力发电机组把风的动能转换为电能，全球已公布多种漂浮式发电平台方案，主要用于为深远海风力发电机组提供支撑基础，较为知名的漂浮式基础方案包括挪威的Hywind立柱式基础、法国的IDEOL半潜式基础、美国的WindFloat半潜式基础等。经过十余年的发展，这些漂浮式风机方案虽然已相继开展了样机示范研究，但仍未能实现大批量的商业化应用。一方面，漂浮式风机在波浪上的运动响应通常较大，易引起发电设备的故障，降低发电时长和发电效率；
申请号为CN103573545A的中国发明专利提出浮筒式海上发电平台，该设计实现对混合发电系统的功率管理控制，在各子系统终端分别使用了相应的功率控制环节，将整个系统有机结合在一起。在上述系统中，功率控制基于两条定直流电压总线，分别位于风力电机、潮流电机、光伏阵列侧和燃料电池发电系统侧。采用固定的直流电压总路线，也是为了稳定向电解池侧的输出功率，因为电解池端电压的波动会增加电能损耗，并使产生的氢纯度降低；可以节省宝贵的岛屿的陆地空间，不会给小岛的生态环境带来破坏；但是漂浮台动力学模型通常有一定的不确定性，需要考虑和处理模型不确定性，以提高控制系统的鲁棒性；在处理复杂场景时可能存在挑战。需要更全面、适应性强的控制策略，以应对各种现实漂浮情况；
申请号为CN111874172B的中国发明专利提出其通过设置浮力可调的浮力可调节点，利用浮力可调节点在水平方向上的依次柔性连接和在竖向上的依次刚性连接，可有效实现浮力主体的快速拼装设置，提升浮力主体乃至于海洋平台的设置效率，降低海洋平台的建造成本；同时，通过柔性连接件的对应设置，可以实现水平方向上浮力可调节点、浮力单元、浮力模块之间的柔性连接，提升浮力主体在受海浪作用下的抗冲击能力，充分缓冲、分解风浪的作用力，保证海洋平台设置的稳定性，延长海洋平台的使用寿命；此外，利用对应位置浮力可调节点浮力的调整，可以实现浮力主体以及浮力主体上甲板平台姿态的快速调整，保证海洋平台设置、使用的稳定性和可靠性；通过优选设置浮力可调节点为包括水平连接件、垂向连接件、空心浮力体的浮力可调节点，利用浮力可调节点内气体、液体比例的对应调节，可以实现浮力可调节点浮力的快速调整，满足浮力模块、浮力主体不同浮力大小的准确控制；但是此设备应对风浪载荷瞬时变化的响应迟缓，不仅运动稳定性欠佳，而且还存在在极端海况条件下生存能力不足的巨大隐患，无法适应浮式平台能够适应不同的海上天气状况，且在极端海况下具有极强的生存和自保能力；
所以设计一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，能够解决自适应浮式平台在不同风力条件下能够通过控制系统来达到对风效果，以便于获取更大的风能，同时确保自适应浮式平台的整体稳定性。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，更具体的说是一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，包括自适应浮式平台，所述自适应浮式平台包括风电基座、边立柱、中心立柱、电动浮筒、风机本体和风机叶轮，所述风电基座的外壁面与所述边立柱的一端固定连接，所述中心立柱固定连接在风电基座的底端中部，所述中心立柱固定连接在所述风电基座的顶部，所述风机本体设置在所述中心立柱的顶部，所述电动浮筒固定连接在所述边立柱的底部，所述风机叶轮的一端通过联轴器与所述风机本体的输出轴固定连接，所述自适应浮式平台通过自适应滑模稳定控制系统进而防偏航，所述自适应滑模稳定控制系统具体实时步骤如下：
S1、系统建模设计,平台运动具有六个自由度，确保多角度偏航运动；
S2、控制系统中的分层结构设计，采用层次化的控制框架，其中包含不同层次的控制器，以实现对平台的高效、稳定的控制；
S3、控制系统顶层控制器设计，此部分第一步是确定滑模面，设计偏航角速度控制器；第二步是设计自适应PI滑模控制器的滑模面，通过Lyapunov稳定性分析证明设计的滑模控制器是渐进稳定的；
S4、控制系统底层控制器设计，利用间距控制辅助系统将虚拟控制输入以最优方式分配到实际控制输入，包括前后边立柱转向角度和每个边立柱的纵向力；
S5、实现和测试控制系统实施过程，此控制系统将各个浮筒的扭矩分配策略，作为输出传递给平台的驱动系统；根据自适应滑模控制算法，控制系统生成相应的控制信号，调整平台各个浮筒的动力输出，实现稳定控制。
更进一步地，系统建模设计包括S101平台动力学模型设计和S102执行器故障模型，S101平台动力学模型设计的转向角度β<<1并且转弯半径ρs远大于前电动浮筒和后电动浮筒轴距的平均值,则左右电动浮筒之间的差异非常小。
更进一步地，S102执行器故障模型设计执行器故障表示为:Ui-fault＝Pu+△ui,其中，u4；-faut是由执行器故障产生的第i个控制输入,第i个原始控制输入用u；表示,由于执行器效率引起的时变参数由p∈[0.1]定义，而△u表示由故障引起的第i个控制输入的未知数,如果p∈(0.1)且Au＝0,则此故障分类为失效故障。
更进一步地，控制系统顶层控制器设计包括S301PI滑模控制器滑模面和S302自适应PI滑模控制器。
更进一步地，S302自适应PI滑模控制器根据侧滑角控制规则，通过选择正定的Lyapunov函数可以推导得出闭环系统是渐进稳定的，所提出的偏航角速度控制器的稳定性也可以得到证明。
更进一步地，控制系统底层控制器设计利用间距控制辅助系统将虚拟控制输入以最优方式分配到实际控制输入，包括前后电动浮筒转向角度和每个电动浮筒的纵向力，定义优化问题的目标函数，设置问题的约束条件，通过求解优化问题，得到实际控制输入的最优解。
更进一步地，实现和测试控制系统包括如下步骤：
S501系统建模：对独立驱动电动浮筒进行动力学建模，包括平台质量、惯性矩阵、电动浮筒参数等；
S502分层控制：将整个控制系统分为底层控制和高层控制，为了增强系统的鲁棒性并提高跟踪性能，将偏航角等因素通过顶层控制器进行系统表示；
S503控制器设计：定义滑模面，考虑平台侧滑角、偏航角等状态变量，引入自适应机制以处理系统的不确定性和故障，提高系统的鲁棒性；
S504分配控制输入：使用分配算法DCA优化控制输入，以最小化误差和控制速率；
S505执行器故障模型的引入：在控制系统中添加故障注入模块实现，记录实际执行器故障对平台行为的影响；
S506控制系统的计算过程：控制器系统中的控制增益、滑模控制器相关参数作为整个平台稳定控制的输入量。
更进一步地，所述中心立柱和所述风电基座的相对侧焊接固定有钛合金飞翼，所述钛合金飞翼设置有若干组，且若干组所述钛合金飞翼环形阵列在所述中心立柱的外侧，所述中心立柱的下端还设置有阻尼减震箱，所述阻尼减震箱等间距排布有若干组金属阻尼器。
更进一步地，所述风电基座的外侧还交错分布有混凝土消波块，所述混凝土消波块设置有若干组，且若干组所述混凝土消波块环形阵列在所述风电基座的外侧。
更进一步地，所述阻尼减震箱的外侧还焊接固定有消波板。
本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的有益效果为：
通过自适应浮式平台具有6个电动浮筒方向的自由度，确保多角度偏航运动，执行器故障模型可控制失效故障、附加故障和卡滞故障以实现稳定的对控；
通过自适应滑模控制算法，控制系统生成相应的控制信号，调整浮台各个电动浮筒的动力输出，实现自适应浮式平台稳定控制；
通过六组边立柱来加强对中心立柱以顶部风机本体的支撑，提升自适应浮式平台的整体平稳性，且中心立柱外侧设置有多组环形阵列的钛合金飞翼，其与风的接触面为光滑坡面结构，从而加强与强风的接触面积，从而增强本装置的抗风效果；
通过外围设置的多组混凝土消波块可有效减小海浪的传播能量，减小海浪对中心立柱以及风机本体的冲击力，加强稳定性能；而且底部的电动浮筒外侧挂有锚链，当超强台风来临，通过绞盘连接船舶拖带，从而将海底的锚链不断收紧，以防止海水灌入，从而防止风机本体下沉。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的整体结构示意图；
图2为本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的自适应滑模稳定控制系统设计框图；
图3为本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的自适应浮式平台的底部斜视图；
图4为本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的阻尼减震箱的切面图；
图5为本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的边立柱的分布图；
图6为本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的边立柱的分布图；
图7为本发明一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台的混凝土消波块的分布图。
图8为本发明典型外部波浪场的消波效果对比图。
图中：1、自适应浮式平台；11、风电基座；12、边立柱；13、中心立柱；14、电动浮筒；15、风机本体；16、风机叶轮；2、自适应滑膜稳定控制系统；100、钛合金飞翼；120、混凝土消波块；121、锚链；122、绞盘；131、阻尼减震箱；1311、金属阻尼器；1312、消波板。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据本发明的一个方面，提供了一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，包括自适应浮式平台1。
在本实施例中，滑模控制是一种非线性控制方法，能够处理系统的不确定性；PI滑模控制器滑模面和自适应PI滑模控制器通过选择正定的Lyapunov函数可以推导得出闭环系统是渐进稳定的；其中，控制系统底层控制器设计利用独自电动浮筒14间距控制辅助系统(DCA)将虚拟控制输入以最优方式分配到实际控制输入，从而增强自适应浮式平台1的稳定性。
在本实施例中，实现和测试控制系统实施过程通过S501系统建模、S502分层控制、S503控制器设计、S504分配控制输入、S505执行器故障模型的引入、S506控制系统的计算过程，根据自适应滑模控制算法，控制系统生成相应的控制信号，调整各个电动浮筒14的动力输出，实现稳定控制；其中，控制系统根据平台的实时状态，调整稳定性控制算法的参数，确保浮台在较恶劣的大风情况下的稳定性。
在本实施例中，风电基座11有1/3分布埋于海面下，位于海面上的风电基座11一方面起到支撑效果，其外围设置的多组混凝土消波块120可有效减小海浪的传播能量，减小海浪对中心立柱13以及风机本体15的冲击力，加强稳定性能；其中，底部的电动浮筒14外侧挂有锚链121，当超强台风来临，通过绞盘122连接船舶，将海底的锚链121不断收紧，以防止海水灌入，从而防止风机本体15下沉。
在本实施例中，底部设置有阻尼减震箱131，其内部均匀排布的金属阻尼器1311可确保重力立柱位于海平面下的稳定性能；其中，消波板1312安装在阻尼减震箱131的侧壁，从而更显著的提高自适应浮式平台1的扰流消波性能。
将本装置放置于在水深为80m，波高为1.2m，波浪周期为3.33s的外部波浪场下，由附图8可知，通过仿真对比可以发现，本发明的海上发电浮式平台能有效的实现消波的目的。
本装置的工作原理是：本发明设计采用自适应滑膜稳定控制系统2的自适应比例积分滑模控制器的滑模面，结合动态控制分配(DCA)，以提高4WIDEV对执行器故障和不确定性的鲁棒性；根据自适应滑模控制算法，控制系统生成相应的控制信号，调整各个电动浮筒14的动力输出，实现稳定控制；控制系统根据平台的实时状态，调整稳定性控制算法的参数，确保浮台在恶劣天气情况下的稳定性；通过六组边立柱12来加强对中心立柱13以顶部风机本体15的支撑，提升自适应浮式平台1的整体平稳性，外侧的电动浮筒14通过自适应滑模稳定控制系统完成六角转向，从而确保风机叶轮16能够随时正对来凤，以便于最大程度的获取风能；风电基座11有1/3分布埋于海面下，位于海面上的风电基座11一方面起到支撑效果，其外围设置的多组混凝土消波块120可有效减小海浪的传播能量，减小海浪对中心立柱13以及风机本体15的冲击力，加强稳定性能；中心立柱13外侧设置有多组环形阵列的钛合金飞翼100，其与风的接触面为光滑坡面结构，从而加强与强风的接触面积，从而增强本装置的抗风效果；消波板1312安装在阻尼减震箱131的侧壁，从而更显著的提高自适应浮式平台1的扰流消波性能；而且底部的电动浮筒14外侧挂有锚链121，当超强台风来临，通过绞盘122连接船舶拖带，从而将海底的锚链121不断收紧，将海底的锚链121不断收紧，以防止海水灌入，从而防止风机本体15下沉。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，包括自适应浮式平台(1)，其特征在于：所述自适应浮式平台(1)包括风电基座(11)、边立柱(12)、中心立柱(13)、电动浮筒(14)、风机本体(15)和风机叶轮(16)，所述风电基座(11)的外壁面与所述边立柱(12)的一端固定连接，所述中心立柱(13)固定连接在风电基座(11)的底端中部，所述中心立柱(13)固定连接在所述风电基座(11)的顶部，所述风机本体(15)设置在所述中心立柱(13)的顶部，所述电动浮筒(14)固定连接在所述边立柱(12)的底部，所述风机叶轮(16)的一端通过联轴器与所述风机本体(15)的输出轴固定连接，所述自适应浮式平台(1)通过自适应滑模稳定控制系统(2)进而防偏航，所述自适应滑模稳定控制系统(2)具体实时步骤如下：
S1、系统建模设计,平台运动具有六个自由度，确保多角度偏航运动；
S2、控制系统中的分层结构设计，采用层次化的控制框架，其中包含不同层次的控制器，以实现对平台的高效、稳定的控制；
S3、控制系统顶层控制器设计，此部分第一步是确定滑模面，设计偏航角速度控制器；第二步是设计自适应PI滑模控制器的滑模面，通过Lyapunov稳定性分析证明设计的滑模控制器是渐进稳定的；
S4、控制系统底层控制器设计，利用间距控制辅助系统将虚拟控制输入以最优方式分配到实际控制输入，包括前后边立柱转向角度和每个边立柱的纵向力；
S5、实现和测试控制系统实施过程，此控制系统将各个浮筒的扭矩分配策略，作为输出传递给平台的驱动系统；根据自适应滑模控制算法，控制系统生成相应的控制信号，调整平台各个浮筒的动力输出，实现稳定控制。
2.根据权利要求1所述的抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：系统建模设计包括S101平台动力学模型设计和S102执行器故障模型，S101平台动力学模型设计的转向角度β<<1并且转弯半径ρs远大于前电动浮筒和后电动浮筒轴距的平均值,则左右电动浮筒之间的差异非常小。
3.根据权利要求2所述的抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：S102执行器故障模型设计执行器故障表示为:Ui-fault＝Pu+△ui,其中，u4；-faut是由执行器故障产生的第i个控制输入,第i个原始控制输入用u；表示,由于执行器效率引起的时变参数由p∈[0.1]定义，而△u表示由故障引起的第i个控制输入的未知数,如果p∈(0.1)且Au＝0,则此故障分类为失效故障。
4.根据权利要求1所述的抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：控制系统顶层控制器设计包括S301PI滑模控制器滑模面和S302自适应PI滑模控制器。
5.根据权利要求4所述的抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：S302自适应PI滑模控制器根据侧滑角控制规则，通过选择正定的Lyapunov函数可以推导得出闭环系统是渐进稳定的，所提出的偏航角速度控制器的稳定性也可以得到证明。
6.根据权利要求1所述的抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：控制系统底层控制器设计利用间距控制辅助系统将虚拟控制输入以最优方式分配到实际控制输入，包括前后电动浮筒转向角度和每个电动浮筒的纵向力，定义优化问题的目标函数，设置问题的约束条件，通过求解优化问题，得到实际控制输入的最优解。
7.根据权利要求1所述的抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：实现和测试控制系统包括如下步骤：
S501系统建模：对独立驱动电动浮筒进行动力学建模，包括平台质量、惯性矩阵、电动浮筒参数等；
S502分层控制：将整个控制系统分为底层控制和高层控制，为了增强系统的鲁棒性并提高跟踪性能，将偏航角等因素通过顶层控制器进行系统表示；
S503控制器设计：定义滑模面，考虑平台侧滑角、偏航角等状态变量，引入自适应机制以处理系统的不确定性和故障，提高系统的鲁棒性；
S504分配控制输入：使用分配算法DCA优化控制输入，以最小化误差和控制速率；
S505执行器故障模型的引入：在控制系统中添加故障注入模块实现，记录实际执行器故障对平台行为的影响；
S506控制系统的计算过程：控制器系统中的控制增益、滑模控制器相关参数作为整个平台稳定控制的输入量。
8.根据权利要求1所述的一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：所述中心立柱(13)和所述风电基座(11)的相对侧焊接固定有钛合金飞翼(100)，所述钛合金飞翼(100)设置有若干组，且若干组所述钛合金飞翼(100)环形阵列在所述中心立柱(13)的外侧，所述中心立柱(13)的下端还设置有阻尼减震箱(131)，所述阻尼减震箱(131)等间距排布有若干组金属阻尼器(1311)。
9.根据权利要求8所述的一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：所述风电基座(11)的外侧还交错分布有混凝土消波块(120)，所述混凝土消波块(120)设置有若干组，且若干组所述混凝土消波块(120)环形阵列在所述风电基座(11)的外侧。
10.根据权利要求8所述的一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台，其特征在于：所述阻尼减震箱(131)的外侧还焊接固定有消波板(1312)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410358686.5A CN118030402A (zh) | 2024-03-27 | 2024-03-27 | 一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410358686.5A CN118030402A (zh) | 2024-03-27 | 2024-03-27 | 一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118030402A true CN118030402A (zh) | 2024-05-14 |
Family
ID=90985982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202410358686.5A Pending CN118030402A (zh) | 2024-03-27 | 2024-03-27 | 一种抗风消波一体化的海上发电浮式平台 |
Country Status (1)
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- 2024-03-27 CN CN202410358686.5A patent/CN118030402A/zh active Pending
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