CN206903815U - 海上风电波浪能支撑平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海上风电波浪能支撑平台，采用风能、波浪能以及压缩空气多能混合主被动调整塔架平衡。包括风电平台浮体、波浪能俯仰椭球、压缩空气储能及中央控制单元。平台浮体包括主浮体、浮体支撑和平衡浮筒，主浮体为海上风电提供主浮力支撑，平衡浮筒被动产生平衡力矩，波浪能俯仰椭球主动产生平衡力矩协同调控塔架平衡，俯仰捕获波浪能；压缩空气储能包括俯仰椭球调控装置、高压气罐以及气罐压力稳定机构，调控波浪能俯仰椭球工作状态；中央控制单元基于风速、波浪以及平台侧仰角，决策平台平衡状态以及波浪能捕获状态，实现系统整体稳定。本实用新型有效提高海上风电系统稳定性、可移动性，促进海上风电规模化应用。

Description

海上风电波浪能支撑平台

技术领域

本实用新型涉及一种海上风电波浪能支撑平台，尤其是一种应用于大中型海上风电的多能混合塔架平台稳定调控系统，确保海上风力发电系统的稳定性。

背景技术

风力发电作为一种清洁、发展前景广阔的可再生能源，一直是世界各国的能源发展战略。传统海上风电的塔架直接构建于海底，但海水的高盐度以及海水的波浪和潮汐运动，极易造成塔架腐蚀和冲击扭曲，同时风电机桨叶产生的倾覆力矩，极易导致塔架侧翻，严重影响塔架使用寿命，并且塔架构置在海底使得风电系统的安装、制造以及维护成本增高，严重制约着海上风电的发展。近年来，一种基于漂浮基座的新型海上风电应运而生，它以漂浮基座为风机塔架基础，实现了风电系统塔架稳定，降低了海上风电安装成本，但漂浮基座引入使得海上风电系统重心过高，易受波动性风速和波浪的干扰，系统平衡性和稳定性相对较差，控制难度加大极易导致风电系统的倾覆与侧翻，同时平台稳定调控还需风机发出电能予以调整，极大降低了风电系统的发电功率。海洋波浪能严格无污染和蕴含容量大，并具有和海上风电天然耦合优势，201210030258.7公开一种支撑海上风机和海洋能发电机的预应力混凝土浮式平台，塔架平稳采用水泵调控浮筒水质量来实现的，水泵供电来源于水平轴和垂直轴风力发电，并提出光伏和波浪能发电的理念，但光伏和波浪能发电是以电耦合形式与风电机组耦合，导致能量利用系数低，同时未就波浪能发电安装和捕获方式作出较为详细阐述，且平台的主动调控能力相对较弱，影响风电系统的安全和可靠性。

实用新型内容

本实用新型的技术任务是针对上述技术中存在的不足，提供一种海上风电波浪能支撑平台。

本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案为：海上风电波浪能支撑平台采用风能、波浪能以及压缩储能等混合储能方式，主被动混合调整塔架平衡，确保海上风电平台稳定，包括风电平台浮体、波浪能俯仰椭球、压缩空气储能以及中央控制单元，采用风能、波浪能以及压缩储能等混合储能方式，主被动混合调整塔架平衡，确保海上风力发电系统的稳定性；所述风电平台浮体包括主浮体、浮体支撑以及对称排列的平衡浮筒，主浮体为风电平台提供浮力支撑，平衡浮筒经浮体支撑与主浮体刚性连接，被动调整塔架平衡；所述波浪能俯仰椭球捕获波浪能，主动调整塔架平衡；所述压缩空气储能为波浪能俯仰椭球的调控装置以及能量转化结构，包括俯仰椭球调控装置、高压气罐以及气罐压力稳定机构，控制波浪能平衡浮球运行在最大捕获、受限捕获以及被动捕获三种状态；所述中央控制单元为DSP28335CPU数据采集和控制板，实时采集风速、波浪波高、波速、平台侧仰角等数据，决策平台平衡状态以及调控波浪能俯仰椭球捕获状态。

所述海上平台包括主浮体、浮体支撑以及4个对称排列的平衡浮筒，主浮体为圆桶形，与塔架同心刚性连接，为风电平台浮体提供浮力支撑，内部从上至下依次放置高压气罐、膨胀机、发电机以及变流器，使风电系统重心保持在海平面以下，随风电系统的随机侧仰，浸润体积发生变化产生随动恢复力矩，结合风电平台浮体重力矩，随动调控风电平台侧仰角。

所述平衡浮筒为圆桶形，在主浮体四周对称分布，与主浮体经浮体支撑刚性连接，内部放置压缩空气储能的部分结构，风电平台的随机侧仰，个浮筒之间产生差额浸润体积，经浮体支撑转换为平衡恢复力矩，被动平衡风电平台侧翻力矩。

所述波浪能俯仰椭球为4个椭球形浮体，与俯仰中轴U型连接，在海水中围绕俯仰中轴做俯仰运动，中央控制单元根据风速、波浪、平台侧仰角等数据，分别独立决策波浪能俯仰椭球的运行状态，在风电平台主浮体以及平衡浮筒为俯仰基点的情况下，通过调控压缩空气储能的工作状态，控制波浪能椭球浮体的俯仰频率和角度，产生俯仰力矩，结合风电平台浮体的被动恢复力矩，主被动混合调控风电平台稳定。

所述压缩空气储能包括俯仰椭球调控装置、高压气罐以及气罐压力稳定机构，控制波浪能俯仰椭球分别运行在最大捕获、受限捕获以及被动捕获三种状态，实现波浪能、风能、电能以及压缩储能之间的相互转化和存储。所述波浪能俯仰椭球调控装置包括俯仰传动装置、曲柄连杆、压缩缸、活塞、低压伺服阀以及高压伺服阀，根据以中央控制单元决策的平台平衡状态调控波浪能俯仰椭球捕获状态，将高压气罐内的高压气体，在高/低压伺服阀控制下经由高压气路驱动活塞运动，通过曲柄连杆和俯仰传动装置进行力矩转换和调速调向，控制波浪能俯仰椭球的工作状态。所述气罐压力稳定机构包括同轴联接的膨胀机和发电机，膨胀机具有压缩和膨胀复用功能，发电机具有电动和发电复用功能；膨胀机在高压气罐气压超限时膨胀释能，并膨胀伺服阀调控供气流量，驱动发电机发电，降低高压气罐气压，而在高压气罐气压降至气压下限时，膨胀机运行在压缩机状态，并由运行在电动状态的发电机驱动，将压缩空气至存储至高压气罐，维持气罐气压稳定。

所述中央控制单元为DSP28335CPU数据采集和控制板，实时采集风速、波浪波高、波速、平台侧仰角等数据，决策平台平衡状态，控制高/低压阀门，改变活塞两侧气压差，调控波浪能俯仰椭球捕获状态。

本实用新型所带来的有益效果是：

1)本实用新型借助平台浮体为海上风力发电提供塔架支撑平台，主被动调控平台稳定有效增强海上风电系统的稳定性，降低了制造、安装和维护成本，在提高塔架使用寿命的同时，提高了海上风电系统可移动性，便于进行移动式安装和维护。

2)本实用新型采用波浪能主动调控风电平台稳定，利用4个波浪能俯仰椭球在捕获波浪能的同时，调整平台周围浮力大小和分布，与风电平台主浮体和平衡浮筒一起主被动调整塔架稳定，极大增强塔架稳定调控自由度，提高海上风电系统发电的稳定性。

3)本实用新型借助压缩空气储能将捕获的波浪能以压缩空气的形式存储在高压气罐中，主动调控波浪能俯仰椭球工作状态，实现波浪能、风能以及压缩空气储能的多能混合和多向利用，极大提高了能量利用率。

附图说明

图1海上风电波浪能支撑平台正视图。

图2海上风电波浪能支撑平台俯视图。

图3平衡浮筒内部结构图。

图4调控装置结构体。

图5工作流程图。

图中1.风机，2.塔架，3.高压气罐，4.浮体支撑，5.平衡浮筒，6.高压伺服阀，7.膨胀伺服阀，8.发电机，9.主浮体，10.波浪能俯仰椭球，11.压缩缸，12.高压气路，13.膨胀机，14.变流器，15.俯仰中轴，16.曲柄中轴，17.浮筒内支撑，18.中轴斜齿轮，19.曲柄长臂，20.低压伺服阀，21.曲柄短臂，22.曲柄斜齿轮，23.活塞。

具体实施方式

变量说明：

θ_min：平台侧仰角的下限值；

θ_max：平台侧仰角的上限值；

P_min：高压气罐气压的下限值；

P_max：高压气罐气压的上限值；

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本实用新型所公布的海上风电波浪能支撑平台，包括风电平台浮体、波浪能俯仰椭球10、压缩空气储能以及中央控制单元；风电平台浮体由主浮体9、浮体支撑4以及4个对称排列的平衡浮筒5组成；压缩空气储能由俯仰椭球调控装置、高压气罐3以及气罐压力稳定机构组成，俯仰椭球调控装置由俯仰传动装置、曲柄连杆、压缩缸11和活塞23组成，气罐压力稳定机构由膨胀机13和发电机8组成，俯仰传动装置由俯仰中轴15、中轴斜齿轮18以及曲柄斜齿轮22组成，曲柄连杆由曲柄中轴16、曲柄短臂21以及曲柄长臂19组成；中央控制单元由DSP28335CPU数据采集和控制板组成。

本实用新型公布的海上风电波浪能支撑平台工作流程如图4所示，中央控制单元根据实时监测的风速、波浪波高、波速、平台侧仰角以及历史数据等，决策风电平台平衡状态以及气罐压力稳定机构的工作模式，调控高/低压伺服阀(20、6)以及膨胀伺服阀7开度，协同稳定塔架2平衡和高压气罐3气压。海上风电系统可工作最大捕获被动平衡状态、受限捕获主被动平衡状态以及间接捕获主被动平衡状态，在主浮体9与平衡浮筒5随风电系统侧仰产生浸润体积变化，被动调整塔架2平衡；波浪能俯仰椭球10在压缩空气储能的驱动和控制下，主动产生平衡力矩调控平台稳定；在主动调控中根据波浪能俯仰椭球10捕获波浪能的状态，可分为最大捕获、受限捕获以及被动捕获，波浪能俯仰椭球10运行在最大捕获状态时，最大限度的捕获波浪能，此时外界与捕获波浪能捕获过程中产生的侧仰力矩，由主浮体9与平衡浮筒5被动调节稳定平台；波浪能俯仰椭球10运行在受限捕获状态时，波浪能俯仰椭球10在捕获波浪能的同时，尽可能的减少对平台稳定的影响，确保平台稳定；波浪能俯仰椭球10运行在被动捕获状态时，波浪能俯仰椭球10在中央控制单元间接控制下主动调整塔架2平衡的同时，被动捕获波浪能。气罐压力稳定机构可工作在电动升压模式、停机保持模式以及发电降压模式状态，主被动调整塔架2平衡，实现高压气罐3气压稳定。

中央控制单元首先采集风速、波浪波高、波速、平台侧仰角以及高压气罐压强等数据，依据平台侧仰角和高压气罐压强大小，确定平台平衡状态气罐压力稳定机构的工作状态：

1)风电平台稳定状态判定

①当平台侧仰角小于平台侧仰角下限时(θ＜θ_min)，平台运行在被动平衡状态；

②当平台侧仰角处于平台侧仰角上下限之间时(θ_min＜θ＜θ_max)，平台运行在主动部分平衡状态；

③当平台侧仰角大于平台侧仰角上限时(θ＞θ_max)，平台运行在主被动混合平衡状态。

2)气罐压力稳定机构模式确定

①当高压气罐气压小于气压下限时(P＜P_min)，气罐压力稳定机构工作在电动升压模式；

②当高压气罐气压处于气压上下限之间时(P_min＜P＜P_max)，气罐压力稳定机构工作在停机保持模式；

③当高压气罐气压大于气压上限时(P＞P_max)，气罐压力稳定机构工作在发电降压模式。

最大捕获被动平衡状态：当平台侧仰角小于平台侧仰角下限时，四个对称分布于主浮体9四周的波浪能俯仰椭球10各自独立运行，每个波浪能俯仰椭球10都工作在最大功率捕获状态，分别基于其周围波浪情况各自进行最优俯仰频率跟踪控制，波浪能俯仰椭球10作俯仰运动，经俯仰传动装置传递和曲柄连杆转化，驱动压缩缸11内的活塞23上下运动，将波浪能以压缩空气形式存储在高压气罐3内，气罐压力稳定机构运行在停机状态，当气罐气压大于气压上限时，气罐压力稳定机构运行膨胀发电状态，高压气体经膨胀伺服阀7控制流量，膨胀机13将高压气体膨胀释能驱动发电机8发电，维持高压气罐3中气压稳定。波浪能俯仰椭球10在最大捕获波浪能的同时也必将影响平台稳定，导致侧仰角变化，主浮体9担负风电系统垂直方向下压力以及重力的浮力支撑，同时主浮体9在平台侧仰将角作用下，浸润体积发生变化，产生随动差额浮力力矩，结合风电平台主浮体重力矩，随动调控风电平台侧仰角；另外侧仰角变化导致了4个对称分布的平衡浮筒5的浸润体积变化，被动改变风电平台浮力分布，使得各平衡浮筒5浮力变化，产生俯仰力矩被动调控风电平台侧仰角，补偿俯仰椭球最大捕获波浪能所致平台侧仰角的变化。

受限捕获主被动平衡状态：当平台侧仰角处在平台侧仰角下限与上限之间时，系统运行在受限捕获主被动平衡状态，主浮体9和平衡浮筒5的重力力矩以及4个平衡浮筒间的差额浮力力矩被动调控平台侧仰；中央控制单元根据实时测量的平台侧仰角以及波浪工况，给出4个波浪能捕获椭球9的俯仰角频率，经由高/低压伺服阀(6、20)，协同控制活塞23在压缩缸11内作直线运动，经曲柄连杆和俯仰传动装置，改变波浪能俯仰椭球10俯仰运动，使波浪能俯仰椭球10俯仰频率偏离波浪频率，产生各自作用力经浮体支撑4转化为平衡力矩，主动补偿主浮体9和平衡浮筒5产生的被动力矩，协同完成平台的稳定；此时4个波浪能俯仰椭球10偏离波浪频率，在确保平台稳定的情况下，将波浪能以压缩气体的形式储存至高压气罐3，气罐压力稳定机构在中央控制单元调控下可工作在发电降压模式、电动升压模式和停机保持模式，在膨胀伺服阀7和变流器14协同作用下，动态改变膨胀机13、发电机8运行状态，维持高压气罐3内的气压相对稳定。

间接捕获主被动平衡状态：当平台侧仰角大于平台侧仰角上限时，系统运行在间接捕获主被动平衡状态，主浮体9和平衡浮筒5在较大平台侧仰角作用下，被动改变4个平衡浮筒5的浸润体积，接着4个平衡浮筒5浮力发生变化，在浮体支撑作用下产生差额浮力力矩，被动调整平台侧仰角，中央控制单元根据实时测量的平台侧仰角以及波浪工况，给出4个波浪能俯仰椭球10的俯仰角，经由高/低压伺服阀(6、20)调控改变压缩缸11内气压，驱动活塞23直线运动，并经曲柄联杆和俯仰传动装置，主动改变4波浪能俯仰椭球10俯仰角度，改变4个椭球浮体的有效浸润体积以及浮力分布，产生平台的平衡力矩，确保平台稳定。此时波浪能俯仰椭球10运行在不捕获状态，当气罐气压低于气压下限时，气罐压力稳定机构运行在电动增压状态，发电机8工作在电动状态，驱动压缩机13压缩空气，在膨胀伺服阀7控制下将高压气体存储在高压气罐3中，为波浪能俯仰椭球10调整系统平衡提供动力。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种海上风电波浪能支撑平台，其特征是包括风电平台浮体、波浪能俯仰椭球、压缩空气储能以及中央控制单元，采用风能、波浪能以及压缩储能，混合调整海上风电平台塔架平衡；所述风电平台浮体包括主浮体、浮体支撑以及对称排列的平衡浮筒，主浮体为风电平台提供浮力支撑，平衡浮筒经浮体支撑与主浮体刚性连接，被动调整塔架平衡；所述波浪能俯仰椭球捕获波浪能，主动调整塔架平衡；所述压缩空气储能为波浪能俯仰椭球的调控装置以及能量转化结构，包括俯仰椭球调控装置、高压气罐以及气罐压力稳定机构，控制波浪能平衡浮球运行在最大捕获、受限捕获以及被动捕获三种状态；所述中央控制单元为DSP28335CPU数据采集和控制板，实时采集风速、波浪波高、波速、平台侧仰角等数据，决策平台平衡状态以及调控波浪能俯仰椭球捕获状态。

2.根据权利要求1所述的海上风电波浪能支撑平台，其特征是所述海上平台主浮体为圆桶形，与塔架同心刚性联接，支撑风电平台垂直下压力，内置高压气罐、膨胀机、发电机以及变流器，迫使风电平台重心下移至海平面以下，风电平台的随机侧仰导致主浮体浸润体积变化，随动产生恢复力矩，与风电平台重力力矩形成合力矩，调控风电平台侧仰角；所述平衡浮筒为对称分布在主浮体四周的圆桶，内置部分压缩空气储能结构，4个平衡浮筒随风电侧仰产生差额浸润体积，经浮体支撑被动产生平衡恢复力矩，平衡风电平台侧翻力矩。

3.根据权利要求1所述的海上风电波浪能支撑平台，其特征是所述波浪能俯仰椭球为4个椭球形浮体，与俯仰中轴U型连接，在海水中围绕俯仰中轴做俯仰运动，4个俯仰椭球分别独立控制，依据风速、波浪、平台侧仰角等数据，决策波浪能俯仰椭球运行状态，风电平台主浮体以及平衡浮筒为波浪能俯仰椭球的俯仰运动提供基准点，波浪能椭球浮体俯仰速度和角度在活塞运动调控下，产生不同俯仰力矩，主动补偿主浮体和平衡浮筒的被动恢复力矩，协同调控风电平台稳定。

4.根据权利要求1所述的海上风电波浪能支撑平台，其特征是所述俯仰椭球调控装置包括俯仰传动装置、曲柄连杆、压缩缸、活塞、低压伺服阀以及高压伺服阀，经浮筒内支撑固定在平衡浮筒内，中央控制单元调控高/低压伺服阀的阀门开度，改变活塞两侧气体压差，驱动活塞在压缩缸内直线运动，带动曲柄连杆和俯仰传动装置旋转，驱动波浪能俯仰椭球做俯仰运动，主动调控风电平台稳定；所述俯仰传动装置包括俯仰中轴、中轴斜齿轮以及曲柄斜齿轮，将波浪能俯仰椭球俯仰运动经换向调速转换至曲柄中轴旋转运动；所述曲柄连杆包括曲柄中轴、曲柄短臂以及曲柄长臂，将曲柄中轴旋转运动经调向调速转化至活塞的高速直线运动。

5.根据权利要求1所述的海上风电波浪能支撑平台，其特征是所述气罐压力稳定机构包括同轴联接的膨胀机和发电机，膨胀机具有压缩和膨胀复用功能，发电机具有电动和发电复用功能；膨胀机在高压气罐气压超限时膨胀释能，经膨胀伺服阀调控供气流量，驱动发电机发电，降低高压气罐气压，而在高压气罐气压降至气压下限时，膨胀机运行在压缩机状态，由运行在电动状态的发电机驱动，将压缩空气存储至高压气罐，维持气罐气压稳定。