浮箱式风力发电机水舱稳摇阻尼装置及工作方法与流程

本发明涉及海上风力发电，具体的是一种浮箱式风力发电机水舱稳摇阻尼装置及工作方法。

背景技术：

1、随着海上风电开发逐步从近海走向深远海，传统固定式风机基础已难以满足水深50m以上海域的开发需求，将风机安装于浮式平台成为必然选择。驳船式浮式风机平台因其吃水浅、水深适应性强，在深远海风电开发中具有重要应用价值。然而，驳船式平台通常具有“宽扁、吃水浅、重心高”的结构特点，对横摇和纵摇运动极为敏感，而塔筒上部安装的风力发电机组进一步抬高了系统重心，加剧了摇摆失稳风险。过大的平台摇摆会造成发电机传动系统疲劳损伤加剧、发电功率波动增大，甚至导致风机停机或结构损坏。

2、现有技术中，解决浮式风机减摇问题的方案主要有两类：

3、一类是设置压载水舱系统，通过调节压载水量调整平台吃水和姿态。例如已有专利cn110949633a公开了一种驳船型漂浮式风机平台，浮体内部通过舱壁划分为多个可调节压载水舱，通过内部管路进行水分配输送，进排水由管道电阀控制。然而，该类方案属于静态慢调节系统，主要用于整体姿态调整，并非基于液体振荡耗能原理，难以有效抑制风浪引发的持续动态摇摆。核心作用是调节浮体吃水、调平衡，属于静态/慢调节压载，一般不利用液体往复振荡耗散摇摆能量。

4、另一类是基于调谐液体阻尼（tunedliquiddamper,tld）原理设计的减摇装置。例如，cn121739054a公开了一种“基于调谐多液柱阻尼器的漂浮式风机阻尼控制装置与方法”，通过在浮动平台上安装包含多个通过水平管道连接的垂直液柱的阻尼器，由流量控制阀动态调节水头损失系数实现连续阻尼控制。cn103708004b公开了一种“减摇装置、浮动基础和海上风力发电机”，其采用u形水舱结构，通过在空气连通管路上设置周期调节器实现水柱振荡周期主动可控，以覆盖多种波浪频率。cn118683694a公开了一种“应用在浮式风机基座的减摇水舱系统”，通过陀螺传感器检测浮式风机基座倾斜角度，配合控制机构实现水泵启停，实现主动减摇控制。

5、综上所述，现有浮箱式风机平台缺乏专用稳摇阻尼装置、压载水舱方案仅能静态调平无法动态抑制摇摆、tld（调谐液体阻尼）减摇方案等，多针对半潜式平台设计难以适配驳船式平台“宽扁、重心高”结构特点及多海况自适应稳摇需求等技术问题，亟需技术创新，以实现浮箱式风机平台在全海况条件下的宽频、多向、自适应稳摇控制。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种浮箱式风力发电机水舱稳摇阻尼装置及工作方法，旨在解决现有驳船式浮式风机平台缺乏专用稳摇阻尼装置、压载水舱方案仅能静态调平无法动态抑制摇摆、而tld减摇方案多针对半潜式平台设计难以适配驳船式平台“宽扁、重心高”结构特点及多海况自适应稳摇需求的技术问题，实现驳船式浮式风机平台在全海况条件下的宽频、多向、自适应稳摇控制。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种浮箱式风力发电机水舱稳摇阻尼装置，包括浮箱平台、竖直设置于浮箱平台上的塔筒以及多个独立的阻尼水舱，多个阻尼水舱设置于浮箱平台底部，阻尼水舱为封闭式舱体，内部存储阻尼液体；

3、相邻所述阻尼水舱之间通过连通管连通，连通管上设置有控制阀；

4、所述浮箱平台上设有姿态传感器，姿态传感器用于实时采集浮箱平台的摇摆姿态数据，摇摆姿态数据包括横摇角、纵摇角及摇摆频率；

5、所述浮箱平台上设有控制模块，控制模块与控制阀信号连接，控制模块通过接受摇摆姿态数据并根据浮箱平台的摇摆频率、振幅及方向，分别控制各控制阀的开度及切换时机，使各阻尼水舱内的液体在相邻舱室间产生与平台摇摆方向相反的振荡运动，以耗散平台摇摆动能。

6、优选的方案中，多个独立的阻尼水舱在浮箱平台底部周向均匀分布。

7、优选的方案中，所述阻尼水舱的内部两侧壁处分别设置有缓冲舱，缓冲舱为独立小舱室，用于削弱液体振荡过程中对水舱侧壁的冲击。

8、优选的方案中，所述阻尼水舱顶部安装有透气阀和压力释放阀。

9、优选的方案中，还包括水泵，所述水泵通过管路分别与各阻尼水舱连接，用于初始注液及液位应急调整。

10、基于上述一种浮箱式风力发电机水舱稳摇阻尼装置的工作方法，包括以下步骤：

11、s1、通过姿态传感器实时采集浮箱平台的摇摆姿态数据，摇摆姿态数据包括横摇角、纵摇角及摇摆频率；

12、s2、控制模块接收摇摆姿态数据，以固定采样周期采集姿态时间序列，进行频谱分析，提取当前波浪激励下的主摇摆频率、主摇摆幅值及摇摆方向角；

13、s3、控制模块根据当前主摇摆频率计算最优阻尼频率，使最优阻尼频率与主摇摆频率相匹配，并根据主摇摆频率与当前水舱固有频率的偏差，通过控制各阻尼水舱间连通管上的控制阀调节水舱间的液体分配量，改变液体振荡固有频率，完成频率调谐；

14、s4、控制模块根据摇摆方向角确定需要协同动作的目标水舱组合，分别控制各目标水舱之间连通管上的控制阀的开度及切换时机，使各阻尼水舱内的液体在相邻舱室间产生与平台摇摆方向相反的振荡运动，通过液体与舱壁的摩擦及液体内部的粘性耗散消耗平台摇摆动能，同时产生与摇摆方向相反的恢复力矩，抵消平台摇摆；

15、s5、控制模块在每个控制周期内比较当前摇摆幅值与上一周期摇摆幅值，计算摇摆幅值衰减率，当摇摆幅值衰减率低于设定阈值时，自动微调控制参数，使液体振荡状态随海况变化自适应调节。

16、优选的方案中，所述步骤s3中，最优阻尼频率等于主摇摆频率，控制模块通过调节各阻尼水舱之间的液体分配量改变水舱内液体的等效长度，使水舱内液体的振荡固有频率趋近于主摇摆频率。

17、优选的方案中，所述步骤s4中目标水舱组合的确定方式为：

18、当横摇角的绝对值大于纵摇角的绝对值时，判定为横摇为主，激活左右两侧水舱之间的控制阀；

19、当纵摇角的绝对值大于横摇角的绝对值时，判定为纵摇为主，激活前后两侧水舱之间的控制阀；

20、当横摇角的绝对值与纵摇角的绝对值的比值处于0.8至1.2范围内时，判定为多向耦合摇摆，同时激活横向和纵向的多组控制阀。

21、优选的方案中，所述步骤s4中，各目标阻尼水舱的目标水量根据系统总水量与各水舱的权重系数的乘积确定，权重系数根据当前横摇角和纵摇角动态计算，各水舱的权重系数之和等于1。

22、优选的方案中，所述步骤s5中，当摇摆幅值衰减率低于20%时，控制模块执行以下自适应优化操作：

23、微调水舱间液体分配量，以扫频方式小幅度改变水舱固有频率；

24、调整控制阀（5）的响应速度参数，改变液体流动相位延迟；

25、更新各水舱权重系数的计算模型参数。

26、本发明所提供的一种浮箱式风力发电机水舱稳摇阻尼装置及工作方法，通过采用上述结构及方法，具有以下有益效果：

27、（1）现有驳船式平台的压载水舱系统属于静态慢调节，主要用于平台整体姿态调整，无法实现液体动态振荡耗能，而本技术的阻尼水舱与浮箱压载水系统物理隔离，不参与浮体压载调节，专用于液体振荡耗能减摇，避免了功能混杂带来的控制冲突，实现了压载功能与阻尼功能的彻底解耦；

28、（2）相较于现有tld方案多针对半潜式平台或多立柱结构、水舱布置形式单一、对多向不规则海浪适应性不足的问题，本技术采用沿浮箱底部周向均匀分布的多个独立阻尼水舱，可根据平台实时摇摆方向选择性激活对应方向的水舱组合，实现对横摇、纵摇及多向耦合摇摆的差异化抑制，显著提升对多向不规则海浪的适应性；

29、（3）现有tld方案多侧重于单一功能调节，缺乏多舱间的协同联动策略，本技术通过姿态传感器实时辨识平台摇摆频率、幅值及方向，控制模块在多独立水舱间协同分配水量、调控液体振荡相位，同时完成频率调谐与多向摇摆抵消，实现了宽频范围内的自适应稳摇。