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

技术特征：

1.一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，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统，其特征在于：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模糊控制方法对权利要求1所述的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。

4.根据权利要求1所述的一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统，其特征在于：所述惯性测量单元传感器安装于所述风机机舱内，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。

5.根据权利要求1所述的一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统，其特征在于：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。

6.一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统的实现方法，其控制策略部分特征在于，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。

7.一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统的实现方法，其控制策略部分特征在于，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；

7、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。

8.一种浮式海上风电结构的主-被动联合控制系统的实现方法，其施工部分特征在于，所述系统包括如下步骤：

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。

技术总结
本发明提出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，包括浮式基础和设置于浮式基础上方的风机，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。本发明提出的控制系统可以实现各子结构的实时同步控制，可以通过前馈控制抵消结构运动中的平均转动与平均水平位移，可以有效地将风机保持在设计位置进行周期运动。

技术研发人员：高山;沈侃敏;王滨;梁宁;李瑜;乔东生;张杰;李颖
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2021.05.24
技术公布日：2021.08.06