一种浮式风机平台吸波减摇发电装置及其主动控制方法与流程

本发明涉及一种浮式风机平台吸波减摇发电装置及其主动控制方法，属于船舶与海洋工程和自动控制领域。

背景技术：

随着海上风电技术的日益成熟，风电产业向海上发展已成为必然趋势。与陆上风能相比，海上风能储量丰富，风速高，年平均利用小时长，对人类生活影响小，且靠近沿海用电集中区。目前海上风电开发主要集中在浅海，采用固定式支撑平台，而随着水深的增加，风速更大大、风切变更小，因此未来海上风电的开发必然走向深海。

随着海上风能的开发逐渐走向更深海域，风机的支撑平台将会由固定式转向浮式。浮式支撑平台由于没有稳定的桩基，在风和浪作用下的运动响应较大，严重影响风机的工作效率和安全性，怎样减小浮式支撑平台在波浪和风作用下的运动响应是浮式风机的关键技术。

在海上风能开发利用领域，风机形式分为固定式和浮式两种，固定式风机一般应用于30-50m以下水深的海域，由于其桩基固定在海底，与陆上风机比较相似，目前在应用上并没有太多技术上的难题，而浮式风机由于没有稳定的基础，在应用上却有很多技术上的挑战，这也是目前海上风能开发利用进行缓慢的主要原因。在波浪和风的作用下，浮式风机平台会产生较大的运动响应，严重影响风机的工作效率和安全性，怎样减小风机平台在波浪和风作用下的运动响应是漂浮式风机的关键技术。

本发明提供一种漂浮式风机平台吸波减摇发电装置的主动控制方法，首先采集来波参数，传输给信号处理装置，计算出该波浪作用下，吸波浮子在不同位置处的功率，再通过运动控制装置调节吸波浮子位置，使其在来波到达时位于功率最大的位置。本发明通过控制吸波浮子位置，使其始终位于功率最大的位置，可以使吸波浮子对波浪能的吸收最大化，从而降低传递到平台上的波浪能，即可以有效增加发电功率，又可以有效降低平台的运动响应。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种浮式风机平台吸波减摇发电装置及其主动控制方法，可以实时波浪信号主动控制吸波减摇发电装置，使其一直处在吸波减摇的最佳位置，大大提高了吸波减摇发电装置的效率。

本发明的目的是这样实现的：一种浮式风机平台吸波减摇发电装置，包括由三个平台桩腿和用于连接平台桩腿的撑杆组成的浮式风机平台，每个平台桩腿内设置有吸波浮子，每个吸波浮子的上端设置有步进电机，步进电机的输出端连接有直线发电机动子，且直线发电机动子的下端上设置有螺纹，缓冲弹簧通过螺纹座与直线发电机动子的螺纹配合，缓冲弹簧的上端与平台桩腿的内顶连接，每个平台桩腿的上端安装有直线发电机定子，直线发电机动子的上端部依次穿过缓冲弹簧、平台桩腿和直线发电机定子，每个所述平台桩腿的外表面还设置有一支架，每个支架的端部设置有来波信号采集装置，支架上还设置有来波信号处理装置。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述支架由两块上下布置的三角板组成，所述来波信号处理装置设置在两三角板之间，来波信号采集装置设置在两三角板的端部。

2.一种浮式风机平台吸波减摇发电装置的主动控制方法，包括所述的浮式风机平台吸波减摇发电装置，步骤如下：

步骤一：通过来波信号采集装置采集浮式风机平台的来波的波高、周期、波速；

步骤二：在步骤一采集到的来波作用下，在吸波浮子的运动范围内，得到吸波浮子在不同位置时的瞬时功率p为：

其中：为吸波浮子在不同位置处的受到的波浪力，m为吸波浮子质量，δm为吸波浮子的附加质量，为吸波浮子上下运动的加速度，cr为辐射阻尼，为吸波浮子上下运动的速度，z3为吸波浮子上下运动的位移，s为吸波浮子的湿表面积，c为阻尼系数，k为弹簧刚度，为平台桩腿上下运动的速度，z1为平台桩腿上下运动的位移，ρ为水的密度，g为重力加速度，f3wave为吸波浮子受到的波浪力；

步骤三：调节吸波浮子位置，通过步进电机使得吸波浮子在步骤一测得的来波到达时的位置为瞬时功率最大的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的发电装置设置了来波参数采集装置、来波信号处理装置和步进电机，来波参数采集装置用于采集来波方向某处的波高、波长、波速等波浪参数，来波信号处理装置用于计算来波到达时，吸波浮子在不同位置处的功率，吸波浮子运动控制装置用于调节吸波浮子至功率最大的位置，也即本发明通过设置步进电机、通过信号采集装置和处理装置可以使吸波浮子一直处于最佳位置，可以使吸波浮子对波浪能的吸收最大化，从而降低传递到平台上的波浪能，提高了减摇效果和发电效率，有效降低浮式支撑平台在波浪下的运动响应，大大提高了吸波减摇发电装置的效率，可以提高浮式风机的工作效率和安全性，在海上风能的开发利用领域可以起到很重要的作用。

附图说明

图1是本发明的控制方法流程图；

图2是本发明应用时的剖面示意图；

图3是图2中a部分的局部放大示意图；

图4是本发明的发电装置的整体结构示意图；

图5是本发明的发电装置中的缓冲弹簧示意图；

图6是本发明的发电装置中的直线发电机动子示意图；

各图中编号表示内容如下：①吸波浮子；②平台桩腿；③缓冲弹簧；④直线发电机定子；⑤直线发电机动子；⑥撑杆；⑦来波信号采集装置；⑧来波信号处理装置；⑨步进电机；⑩支架；直线发电机动子上的螺纹；缓冲弹簧的螺纹座。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图2-6，介绍本发明的发电装置各结构及作用，吸波浮子①主要有两个作用，一是提供风机平台所需的浮力，二是吸收波浪能，把波浪能转换成自身运动的机械能；风机平台用于支撑风机，包括平台桩腿②和撑杆⑥；主动控制系统用于调整吸波浮子与平台桩腿之间的相对位置，使其一直处于最佳位置，以获得最佳减摇发电效果，包括波浪信号采集装置⑦、信号处理装置⑧和步进电机⑨；缓冲弹簧③起运动缓冲作用，增加风机平台的运动阻尼；直线发电机包括动子⑤和定子④，主要有两个作用，一是发电，把吸波浮子转换的机械能转换为电能，二是增加风机平台的运动阻尼，动子⑤与步进电机⑨连接的一端有螺纹与缓冲弹簧的螺纹相匹配，步进电机转动时用以调节吸波浮子与桩腿之间的相对位置。

如图2所示，在静水中时，吸波浮子①，步进电机⑨，缓冲弹簧③，平台桩腿②，直线发电机的动子⑤和定子④同轴心竖直放置，步进电机的底座固定安装在吸波浮子的顶部，转子端固定连接动子⑤，缓冲弹簧的一端固定连接在平台桩腿的内侧顶部，另一端与缓冲弹簧通过匹配的螺纹连接，可以相互转动，直线发电机的定子固定安装在平台桩腿顶部，动子穿过定子和缓冲弹簧；信号处理装置固定安装在平台桩腿上，位于水面之上，两个支架⑩水平的固定安装在信号处理装置上，另一端朝向平台桩腿迎浪方向，并与竖直的波浪信号采集装置固定连接，波浪信号采集装置的下端位于水面之下。

本发明的工作过程如下：

在波浪的作用下，安装在桩腿迎浪前方的波浪信号采集装置采集波浪信息，并将信息传递给信号处理装置，信号处理装置计算出吸波浮子与平台桩腿之间的最佳相对位置，然后驱动步进电机转动，调节吸波浮子至与平台桩腿的最佳相对位置。当波浪到达吸波浮子处，吸波浮子吸收波浪能，把波浪能转换成其自身运动的机械能，吸波浮子和风机平台桩腿之间产生相对运动，由于直线发电机的定子和平台桩腿固定连接，动子和吸波浮子固定连接，因此，直线发电机的动子和定子之间也会随之产生相对运动，产生电能，从而实现吸收波浪能发电。直线发电机的动子和定子相互运动发电过程中，两者之间产生阻尼，阻止两者的相互运动，缓冲弹簧通过拉伸与压缩阻止吸波浮子与平台桩腿之间的相对运动，这两种方式都阻止了吸波浮子与平台桩腿直接相互作用，增加了风机平台的运动阻尼，降低风机平台在波浪下的运动响应，提高风机的工作效率和安全性。通过主动控制系统的调节，吸波浮子和平台桩腿始终在最佳相对位置，大大提高了吸波减摇和发电的效率。

结合图1，本发明的主动控制方法包括：

步骤1：采集平台来波的波高、周期、波速等参数。

步骤2：在步骤一采集到的波浪作用下，在吸波浮子的运动范围内，计算吸波浮子在不同位置时的瞬时功率。

步骤3：调节吸波浮子位置，使吸波浮子在步骤1测得的波浪到达时位于瞬时功率最大的位置。

步骤1中，通过安装在平台来波方向前段的波浪信号采集装置采集来波参数。

步骤2通过安装在平台上的信号处理装置实现，信号处理装置接受到波浪信号采集装置采集到的来波参数后，根据公式(1)计算出吸波浮子在不同位置处的受到的波浪力，再根据公式(2)计算出吸波浮子在不同位置处的功率。

式中，m为吸波浮子质量，δm为吸波浮子的附加质量，为吸波浮子上下运动的加速度，cr为辐射阻尼，为吸波浮子上下运动的速度，z3为吸波浮子上下运动的位移，s为吸波浮子的湿表面积，c为阻尼系数，k为弹簧刚度，为平台桩腿上下运动的速度，z1为平台桩腿上下运动的位移，ρ为水的密度，g为重力加速度，f3wave为吸波浮子受到的波浪力，p为吸波浮子功率。

步骤3通过运动控制装置实现，根据步骤1.2算出的吸波浮子最大功率位置，驱动吸波浮子使其在步骤1测得的波浪到达时位于该功率最大位置。

下面给出本发明的具体工作过程：

初始时，平台静浮在水面上，有来波时，位于来波方向某处的来波参数采集装置检测来波的波高、周期、波速等参数，并传递给信号处理装置。来波信号处理装置接收到信号后，根据公式(1)和(2)分别计算来波到达时，吸波浮子在不同位置处受到的波浪力和功率。

式中，m为吸波浮子质量，δm为吸波浮子的附加质量，为吸波浮子上下运动的加速度，cr为辐射阻尼，为吸波浮子上下运动的速度，z3为吸波浮子上下运动的位移，s为吸波浮子的湿表面积，c为阻尼系数，k为弹簧刚度，为平台桩腿上下运动的速度，z1为平台桩腿上下运动的位移，ρ为水的密度，g为重力加速度，f3wave为吸波浮子受到的波浪力，p为吸波浮子功率。

算出吸波浮子在来波到达时的最大功率位置后，运动控制装置调节吸波浮子位置，使其在来波到达时位于功率最大的位置。