一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统及实现方法与流程

本发明涉及海上风力发电领域，具体涉及一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统及实现方法，特别是服役于水深超过50米工程场区的基础结构。

背景技术：

截止至目前，中国海上风电累计并网容量已达到750万千瓦，位居世界第三位。我国海上风能资源的开发已大规模进入近海风电场和深远海风电场，更具有经济性的风电场开发方案对整个海上风电行业的发展将具有决定性作用。

随着水深的增加，固定式基础已经不能适应海上风电行业的需求。相对的，浮式海上风电结构的投资成本对水深敏感性低，是深远海风电开发中极为重要的一种开发方案。

不同于固定式风电结构，浮式风电结构由上部风机，中部塔柱，下部浮式支撑基础多个子系统组成，在服役期间，各子系统承受不同的环境荷载，运动方程、边界条件均不相同，因此，各子系统都拥有其各自的控制方式。例如，上部风机有变桨距调节，中部塔柱有阻尼减振调节，下部浮式基础有压载水调节。但事实上，浮式风电结构在服役期间各子系统的动力响应是相互耦合的，各子系统间不仅存在着荷载传递还存在着运动上的相互作用。因此，各子系统的控制装置势必会相互影响，各子系统同步实时控制非常困难。综上所述，面向于浮式风电结构，亟需开发出一种多子系统联合控制方式，采取分步控制的方式，为各子系统选择合理的控制装置，协调各子系统间动力响应控制，进而确保浮式风电结构在工作状态下达到最大发电效率，在自存工况下拥有最强的生存能力。

此外，目前对于浮式风电结构的基础运动控制方式较少，尤其是主动控制，国际上现在主流的控制方式是通过调节基础内部的加载水来改变结构浮态进而实现控制。然而，受制于压载水调控的泵与管路，一次压载水调控往往需要30分钟甚至更久的时间，因此无法实现实时控制，且需要对海况进行较大提前量的预判。因此，针对于浮式风电结构提出一种响应速率更快的浮式基础运动控制装置极其必要。

基于上述情况，本发明提出了一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统及实现方法，可有效解决以上问题。

技术实现要素：

本发明针对浮式风电结构在风、浪、流作用下的运动响应控制问题，提供一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统及实现方法。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一方面，本发明提供一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统，包括浮式基础和设置于浮式基础上方的风机与塔架，所述风机上设置有至少由风速测量装置、风机偏航装置、风机变桨距控制器以及风机变桨距控制终端组成的主动控制系统，所述风机塔架上设置有对振动提供被动控制的调谐质量阻尼器；所述风机上设置有用于测量机舱处三轴加速度与角速度的惯性测量单元传感器以及接收该速度信号的浮式基础运动控制终端，所述浮式基础上设置有多个受浮式基础运动控制终端所控制的可伸缩全回转推进器。

作为本发明的一种优选技术方案，所述可伸缩全回转推进器包含机电控制器、伸缩竖直转轴、水平转轴和螺旋桨；其中机电控制器用于接收浮式基础运动控制终端的指令并输出电流，伸缩竖直转轴控制螺旋桨的上下伸缩与水平面内的旋转，水平转轴控制螺旋桨的平面外旋转；所述可伸缩全回转推进器可以提供360度的全方位推力。

作为本发明的一种优选技术方案，浮式基础运动控制终端将利用结构动态位移非积分重构方法对惯性测量单元传感器测得的三轴加速度与角速度进行信号重构，得到位移信号，进而利用双输出比例积分微分pid模糊控制方法对可伸缩全回转推进器阵列进行控制；所述浮式基础运动控制终端将基于位移信号内的缓变量进行前馈控制，消除结构运动的平均漂移量，所述平均漂移量包含平均风倾造成的转角和海流造成平均水平位移。

在浮式基础上安装多个可伸缩全回转推进器形成推进器阵列。所述的可伸缩全回转推进器相较于传统全回转推进器具有可以伸长不同长度的特性和绕轴旋转的特性，其中，绕轴旋转包含竖向轴和水平轴，因此可伸缩全回转推进器可以提供360度的推力。通过各回转器间的配合，可以有效地为浮式结构在纵荡、横荡、横摇、纵摇、艏摇、垂荡6个自由度方向输出控制力和力矩。

浮式基础运动控制终端安装于机舱中，基于结构动态位移非积分重构方法对浮体基础的三轴加速度与角速度信号进行重构，消除加速度信号中的基线漂移项，得到浮式基础的位移信号，进一步地通过双输出比例积分微分(proportionintegrationdifferentiation，pid)模糊控制方法对可伸缩全回转推进器阵列进行控制。浮式基础控制终端将基于位移信号中的缓变量对浮式基础的平衡位置进行前馈调节，消除浮式基础因平均风倾力矩造成的平均转动与海流造成的平均水平位移，确保浮式风电结构在设计工作位置附近进行周期运动。

双输出pid模糊控制方法基于分段pid控制理论，对浮式基础的周期运动进行合理分段，针对不同分段的结构运动特征进行pid控制。双输出pid模糊控制方法将以当前结构的运动状态与目标控制状态的差值、当前结构运动方向作为模糊控制系统的输入，利用模糊规则来决定分段运动间的控制参数变化，同时给出平动控制参数与转动比例控制参数。所述双输出pid模糊控制方法是一种自适应模糊控制方法，满足模糊李雅普诺夫稳定性理论，各分段间的控制参数变化较为平滑，可以有效避免传统分段pid控制的在实际应用中频繁控制力变化造成的结构不稳定性问题。

风机塔架内部安装调谐质量阻尼器(tunedmassdamper，tmd)，对风机塔架实现减振。tmd控制由弹簧与阻尼组成，是一种在工程上应用成熟的被动控制方式，成本低，便于安装。本发明在塔架中采用tmd控制，有利于弱化上部风机控制终端的主动控制(偏航控制、变桨距控制)与下部浮体基础运动控制的耦合，进而有利于这些主动控制方式建立各自的控制优化方程。

所述的风机变桨距控制终端安装于机舱中，将通过风机偏航装置改变风机朝向，通过风机变桨距控制器改变风机的桨距角，进而达到目标扭矩与转速。风机偏航控制与变桨距均是主动控制方式，其控制的输入量是浮式基础运动控制终端中设定的运动状态值与风速测量装置测得的实时风速。风机偏航装置安装于机舱与风机塔架的连接处，所述风机变桨距控制器安装于所述风机轮毂上。目前，风机偏航控制和变桨距控制主动控制理论较为成熟，例如基于逆向传播多层前馈(bp)神经网络算法的pid方法、依据线性二次高斯控制算法的多变量控制方法等。所述的风机控制将使用但不限于bp神经网络算法的pid控制方法实现风机的主动控制。

作为本发明的一种优选技术方案，所述浮式基础至少由三个立柱式浮筒组成，各浮筒之间设置有水平撑杆和斜撑杆，风机放置于其中一个浮筒上。

作为本发明的一种优选技术方案，各浮筒上均设置有系泊缆。

作为本发明的一种优选技术方案，各浮筒底部均设置有可伸缩全回转推进器。

作为本发明的一种优选技术方案，所述惯性测量单元传感器安装于所述风机机舱上，所述浮式基础运动控制终端安装于所述风机机舱中，所述调谐质量阻尼器安装于所述风机塔架中。

作为本发明的一种优选技术方案，所述风速测量装置安装于所述风机机舱上，所述风机变桨距控制器安装于所述风机轮毂上，所述风机偏航装置安装于所述风机机舱与塔架的连接位置。

又一方面，本发明提供一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统的实现方法，其中装备施工包括如下步骤：

s1、根据海上风力发电机组基本参数、服役工程场区的海洋环境条件、工程地质条件设计浮式基础的吃水深度和排水量大小，进而确定浮式基础的设计规格；

s2、在建造基地内根据已确定的浮式基础设计规格进行制作，同时完成对风机和主动控制系统以及被动控制系统的组装；

s3、将组装好的浮式基础和风机拖航至工程场区就位后布设系泊缆，系泊缆的安装过程中可以启用可伸缩全回转推进器进行辅助定位、安装，最终完成安装。

还一方面，本发明提供一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统的实现方法，其控制策略包括如下特征：

本发明采用的可伸缩全回转推进器有较快的响应速度，浮式基础的浮态调整可以较快完成，所以，上部风机将基于浮式基础的目标调整状态与测量的实时风速来进行的自身的偏航控制与变桨控制。为保证风机与浮式基础在同步调整过程中不出现动态失稳的情况，风机与浮式基础间的塔架中装有tmd，这一被动控制方式可以有效地降低浮式基础与风机在自身控制调整过程中的相互作用，进而规避了调整过程中的动态失稳。通过这种模式，本发明实现了风机-浮式基础的同步一体化控制。

工作工况下，浮式基础遭受的波浪荷载是高频荷载，上部风机遭受的风荷载属于低频缓变荷载，控制系统将对浮式基础与上部风机进行同步调节与控制，具体步骤如下：

s1、机舱中imu监测得到的三轴加速度与角速度将通过位移重构算法得到浮式风电结构机舱处的实时运动状态，包含位移、速度以及加速度。

s2、将s1中得到的机舱实时运动状态将会作为浮式基础控制终端中模糊控制系统的输入，与目标运动状态的对比，由多段pid控制方法计算出可伸缩全回转推进器的指令，对浮式基础进行控制。

s3、风机控制终端将以测风装置的风荷载信号和浮式基础的目标运动状态作为输入，基于偏航、变桨bp神经网络给出风机控制。

s4、安装与塔架中的tmd阻尼器，将基于风机机舱主动控制与浮式基础主动控制给出被动控制响应，弱化浮式基础主动控制调节与风机主动控制调节间的耦合，提高同步一体化控制的稳定性，减少由于同步主动控制造成的瞬态失稳概率。

自存工况下，上部风机将第一时间停机自锁，减小上部风机遭受的风荷载。控制系统将只对浮式基础的推进器阵列输出力进行控制，以获得最小的运动响应，实现生存能力最大化，具体步骤如下：

s1、机舱中imu监测得到的三轴加速度与角速度将通过位移重构算法得到浮式风电结构机舱处的实时运动状态，包含位移、速度以及加速度。

s2、风机主动控制系统判断此时工况过于恶劣，属于自存工况，主动控制系统发出风机自锁、紧急停机指令。

s3、将s1中得到的机舱实时运动状态将会作为浮式基础控制终端中模糊控制系统的输入，与目标运动状态的对比，由多段pid控制方法计算出可伸缩全回转推进器的指令，对浮式基础进行控制。

s4、安装与塔架中的tmd阻尼器，将基于浮式基础主动控制给出被动控制响应，弱化塔架振动响应。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

1、通过在浮式基础安装可伸缩全回转推进器阵列可以有效地为浮式结构提供平动控制力，可以有效提高对浮式风机的定位问题，很大程度上降低了中等水深下的系泊成本；

2、通过在浮式基础安装可伸缩全回转推进器阵列可以有效提供浮式结构转动控制力，结合控制系统中前馈控制方法，可以实现传统减摇鳍、减摇水舱等被动控制只能增大转动阻尼(纵摇阻尼、横摇阻尼)而无法解决的平均运动转角(平均纵摇角、平均横摇角)控制问题；

3、本发明通过安装可伸缩全回转推进器阵列可以在风机的系泊安装中提供定位辅助，进而大大降低了系泊安装施工难度；

4、本发明在浮式基础的控制上较动态压载水控制系统有更快地响应速率，很大程度上可以实现实时控制；

5、本发明所述的可伸缩全回转推进器阵列通过对浮式基础施加推进力可以改变浮式风机结构的运动刚度，进而避开波浪共振频率，减小结构动力响应的运动放大系数，进而提高了浮式风机在工作状态下的工作效率，延长了结构的疲劳寿命；

6、本发明提升了浮式风机在自存工况下的生存能力和可靠度，相同设计要求下，搭载了本控制系统的风机基础将需要更小的结构体量，可以有效降低结构的整体用钢量，降低基础结构的投资，在风机基础服役工程场区水深超过50米后经济性优势尤为突出；

7、本发明采用模糊控制理论对浮式基础运动进行分段pid调整，自适应能力强，分段调整间的控制力输出平缓，较传统线性分段pid控制具有更强的动态稳定性；

8、本发明提出的主动控制装置可直接利用风力发电机组所产生的电能，无需考虑额外的供电与能源提供；

9、本发明有益结合了主动控制-被动控制-主动控制，利用调谐阻尼器的被动控制弱化了浮式基础主动控制与风机主动控制间的耦合，进而实现浮式基础主动控制与风机主动控制的同步一体化稳定控制。

附图说明

图1为本发明正视图。

图2为本发明侧视图。

图3为本发明的可伸缩全回转推进器示意图。

图4为本发明的可伸缩全回转推进器阵列的一种布置实例。

图5为本发明平衡平均风倾力矩时的浮式基础主动控制方式示意图。

图6为本发明在正浮态的浮式基础主动控制方式示意图。

图7为本发明的主-被动联合控制系统示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

下面结合附图1～7和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本实施例以某一典型的三浮筒型浮式风电结构为具体对象对本发明进行实例阐述。如图1所示，该三浮筒型浮式风电结构的风机部分包含轮毂1，叶片2，机舱3。其中，机舱3上安装有风速测量装置4，轮毂1处安装有风机变桨距控制器，机舱3与塔架6的连接位置安装有风机偏航装置5。机舱3内将安装惯性测量单元传感器(imu)对机舱处的三轴加速度与角速度进行监测。

如图1所示，该三浮筒型浮式风电结构的塔架6起到连接上部风机与下部浮式基础8的作用，塔架6中装有调谐质量阻尼器7。

如图1所示，该三浮筒型浮式风电结构的浮式基础8由三个立柱式浮筒组成，浮筒间设置有水平撑杆和斜撑杆，塔架6放置于其中一个浮筒上，结构上属于偏心结构，需要通过调整三个浮筒中的压载水重量来保证结构的重心处于结构的平面几何形心(三角形)处。

如图1所示，浮式基础8外侧设置有可伸缩全回转推进器9。可伸缩全回转推进器9的具体形式如图3所示，其包含机电控制器91、伸缩竖直转轴92、水平转轴93、螺旋桨94。其中，机电控制器91用于接收浮式基础运动控制终端的指令并输出电流，伸缩竖直转轴92控制螺旋桨的上下伸缩与水平面内的旋转，水平转轴93控制螺旋桨的平面外旋转。所述的可伸缩全回转推进器9可以提供360度的全方位推力。可伸缩全回转推进器9的布置方式可根据工程实例的具体要求(服役区风浪流条件)进行具体设计，本实施例的一种较优的可伸缩全回转推进器9的布置方式如图4所示。

如图1所示，系泊缆10通过导缆孔进入浮式基础8内部，对基础结构提供系泊与定位。浮式基础8是大型钢制结构，板材与板材，板材与管构件的连接处均采用焊接工艺，系泊缆10根据实际工程采用钢制锚链或者采用尼龙、聚酯纤维材料。

图5为本发明通过布置的可伸缩全回转推进器阵列调整结构浮态的方式，通过提取imu信号中的缓变信号计算得到平均转动位移与平均水平位移，进而利用可伸缩全回转推进器实现前馈调节，保证结构周期运动的平衡位置在正浮态附近，进而有效降低了风机工作的运动倾角范围，提升发电效率。如图5所示，当平均风倾力矩对浮式基础造成了一个恒定倾角时，开启可伸缩全回转推进器，并调整其输出力角度，对浮式结构产生一个与平均风倾力矩相反的转矩，进而使其回复到正浮状态。

图6为本发明通过布置的可伸缩全回转推进器阵列调整结构水平位移的方式，在有风倾力矩与海流的情况下，一个推进器负责提供反向转动力矩，一个推进器负责提供水平推力，进而保证浮体处于设计的工作位置，使得浮式海上风电结构能尽量处于设计的平衡位置，减小对于输电海缆的拉伸，减小对于输电海缆的损伤。

图7为本发明的主-被动联合控制系统示意图。其中，机舱3中imu监测得到的三轴加速度与角速度将通过位移重构算法得到浮式风电结构机舱处的位移、速度等运动状态。这些运动状态将会作为模糊控制系统的输入，通过与目标运动状态的对比，由多段pid控制方法计算出可伸缩全回转推进器9的指令，对浮式基础进行控制。可伸缩全回转推进器9的控制效应将叠加塔架中tmd控制的结果，进一步降低机舱处的运动响应，最终达到目标运动状态，tmd控制的加入也可以有效规避浮式基础主动控制造成的动态失稳现象。需要注意的是，模糊控制系统中对比的是imu的实测状态与目标控制状态，因此模糊控制系统的计算中已间接考虑了tmd的影响。与此同时，机舱内部的主动控制算法将基于模糊控制系统中设定的目标控制状态作为输入条件，进行偏航控制与变桨控制。最终，本控制系统实现风机、浮式基础的主动控制同步化。

本发明的具体设计、施工方法如下：首先根据海上风力发电机组基本参数、服役工程场区的海洋环境条件、工程地质条件设计浮式基础8的吃水深度和排水量大小，进而确定浮筒的直径、高度，水平撑杆和斜撑杆的直径与壁厚。之后浮式基础的浮筒、水平撑杆和斜撑杆在建造基地内卷板、焊接制作完成。第三步将浮筒、水平撑杆和斜撑杆总装完成大合拢。浮式基础底部将预留开孔，用于安装可伸缩全回转推进器9。可伸缩全回转推进器9的机电控制部分将通过螺栓连接安装在浮式基础舱内，其伸缩臂、回转臂、推进器部件通过开孔伸出浮式基础舱外(安装位置通过凹型圈与密封胶对开孔位置密封)。前需根据塔筒、风力发电机组的安装方式来确定是否在建造基地内完成塔筒和风机的安装。为减少海上施工作业可在建造基地内一并完成塔筒和风力发电机组的安装，之后拖航至工程场区就位后布设系泊缆10，最终安装完成，系泊缆的安装过程中可以启用可伸缩全回转推进器9进行辅助定位、安装。

上述发明主要应用于海上风力发电行业中风机基础结构，特别是服役于水深超过50米工程场区的基础结构，但并不以此为限。对于工程结构所涉及的其它如海上观测平台等基础也可运用本发明技术方案进行改良，减少浮筒主尺度降低整体的用钢量，降低基础结构的偏心现象、平均转角、平均水平位移，降低基础结构的运动响应，提升结构的可靠度、疲劳寿命。无论是何种型式的风机基础结构，只要该基础结构符合“通过在结构外侧设置推进器装置，利用风力发电机组产生的电能无需安装额外动力装置，减少浮筒主尺度降低整体的用钢量，降低基础结构的偏心现象，降低基础结构的运动响应，提升结构的可靠度与疲劳寿命，提升风力发电机组发电量”的设计原则，则均落在本发明的保护范围之内。

本发明中所述风机变桨距控制器、惯性测量单元传感器、机电控制器等技术特征(本发明的组成单元/元件)，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制得，其具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明的创新点所在，对于本领域技术人员来说，是可以理解的，本发明专利不做进一步具体展开详述。

本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的技术人员而言，对本发明专利所做的各种变化只要显而易见的是处于所附权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内的，都应该属于本发明的权利保护之列。