一种抑制漂浮式双叶轮风电机组基础平台俯仰运动的方法与流程

本发明涉及漂浮式双叶轮风电机组的技术领域，尤其是指一种抑制漂浮式双叶轮风电机组基础平台俯仰运动的方法。

背景技术：

随着风电技术的发展，陆上风电已被充分开发，而新的发展方向趋向海上风电。对于近海和浅海，风电机组的基础主要采用固定式基础，如单桩式基础和导管架式基础；而对于深海和远海，由于采用固定式基础其成本将急剧增加，采用漂浮式基础则是最佳方案。据统计，约80％的全球海上风能资源潜力位于深海区域，因此漂浮式海上风电将在未来风电开发中占据主导地位。目前，在全球只有少数几个海上漂浮式风电样机项目，主要集中在欧洲海域。其中，hywindtampen项目位于挪威北海；eolmed-gruissanfloating项目位于法国地中海；windfloatatlantic项目位于大西洋海域。

对于漂浮式风电机组，由于其基础是浮在水面上而非固定式，因此在风浪流的联合作用下，漂浮式基础平台将相对于水面移动或倾转。漂浮式基础平台的这种低频运动，与变桨转速控制会相互耦合，导致机组俯仰方向运动大幅增加，对机组的稳定运行非常不利。为了抑制漂浮式基础平台运动，可以在基础平台水下增加阻尼板，或者增加水下推进器，但这增加了硬件成本。另外，通过降低变桨转速控制环路的带宽频率，也可一定程度上抑制漂浮式基础平台的运动，但这降低了叶轮转速的控制效果，功率波动将显著增加。为此，需要提出一种有效的控制方法，在抑制漂浮式基础平台运动的同时，也不影响转速和功率的平稳输出。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种抑制漂浮式双叶轮风电机组基础平台俯仰运动的方法，该方法基于倾角传感器测量的机舱和基础平台姿态，作为反馈量输入控制器，通过控制算法计算，得到两个叶轮的发电机扭矩指令和叶片变桨指令，以此控制漂浮式基础平台的运动，本方法可以有效地降低漂浮式基础平台俯仰方向运动的幅值，且对叶轮转速控制和功率输出影响很小(基本可以忽略)，保障机组的安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种抑制漂浮式双叶轮风电机组基础平台俯仰运动的方法，所述漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过y形塔架共用一个漂浮式基础平台，两台风机通过各自偏航驱动系统分别装于y形塔架的左右两个端部上，y形塔架的底部固定于漂浮式基础平台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力；该方法是首先需在左右两台风机的机舱内分别安装倾角传感器，用于测量机舱的俯仰倾角，以及在漂浮式基础平台上安装倾角传感器，用于测量平台的俯仰倾角，而后再根据机舱和平台的俯仰倾角数据进行如下操作：

1)机舱倾角计算得到附加的变桨指令

机舱倾角反应了机组及其平台俯仰运动情况，为了抑制机组的俯仰运动，希望在叶轮上提供一个推力和弯矩与机舱倾角速度对应，以此增加机组俯仰方向运动的阻尼；机舱的倾角需要先经过微分运算，得到倾角的变化率，即倾角速度，滤波后机舱的倾角用θr和θl表示，分别指右侧机舱倾角和左侧机舱倾角；

其中，γr,1、γr,2、γr,3分别指计算得到的右侧叶轮三个叶片附加变桨指令；k1和k2分别代表从机舱倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dθr/dt是右侧机舱倾角的变化率；是右侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片定义为零度起始点，正方向为右侧叶轮旋转方向；

对于左侧叶轮的附加变桨指令定义公式如下：

其中，γl,1、γl,2、γl,3分别指计算得到的左侧叶轮三个叶片附加变桨指令；k1和k2分别代表从机舱倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dθl/dt是左侧机舱倾角的变化率；是左侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片定义为零度起始点，正方向为左侧叶轮旋转方向；

2)漂浮式基础平台倾角计算得到附加变桨指令

漂浮式基础平台的倾角主要体现了平台的俯仰运动情况，平台运动的频率集中于低频部分，滤波后的平台倾角用φ表示，由平台倾角得到右侧叶轮的附加变桨指令定义公式如下：

其中，δr,1、δr,2、δr,3分别指计算得到的右侧叶轮三个叶片附加变桨指令；d1、d2分别代表从平台倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dφ/dt是平台倾角的变化率；是右侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片定义为零度起始点，正方向为右侧叶轮旋转方向；

由平台倾角得到左侧叶轮的附加变桨指令定义公式如下：

其中，δl,1、δl,2、δl,3分别指计算得到的左侧叶轮三个叶片附加变桨指令；d1、d2分别代表从平台倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dφ/dt是平台倾角的变化率；是左侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片定义为零度起始点，正方向为左侧叶轮旋转方向；

3)机舱倾角计算得到附加的扭矩指令

通过控制发电机扭矩指令，改变叶轮转速，进而改变叶轮推力来控制漂浮式基础平台的俯仰运动，从机舱倾角到右侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

tr＝b·(dθr/dt)

其中，tr代表基于右侧机舱倾角得到的发电机附加扭矩，b是由机舱倾角到发电机扭矩的增益系数，dθr/dt是右侧机舱倾角的变化率；

从机舱倾角到左侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

tl＝b·(dθl/dt)

其中，tl代表基于左侧机舱倾角得到的发电机附加扭矩，b是由机舱倾角到发电机扭矩的增益系数，dθl/dt是左侧机舱倾角的变化率；

4)漂浮式基础平台倾角计算得到附加扭矩指令

从平台倾角到右侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

qr＝c·(dφ/dt)

其中，qr代表基于平台倾角计算得到的右侧叶轮发电机附加扭矩，c是由平台倾角到发电机扭矩的增益系数，dφ/dt是平台倾角的变化率；

从平台倾角到左侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

ql＝c·(dφ/dt)

其中，ql代表基于平台倾角计算得到的左侧叶轮发电机附加扭矩，c是由平台倾角到发电机扭矩的增益系数，dφ/dt是平台倾角的变化率；

5)计算得到最终的附加变桨指令和附加扭矩指令

右侧叶轮最终的附加变桨指令包括从机舱倾角计算得到附加变桨指令和从平台倾角计算得到的附加变桨指令，如下：

其中，βr,1、βr,2、βr,3为最终的右侧叶轮三个叶片附加变桨指令；

左侧叶轮最终的附加变桨指令包括从机舱倾角计算得到附加变桨指令和从平台倾角计算得到的附加变桨指令，如下：

其中，βl,1、βl,2、βl,3为最终的左侧叶轮三个叶片附加变桨指令；

右侧叶轮最终的附加扭矩指令如下：

gr＝tr+qr

其中，gr为最终的右侧叶轮发电机附加扭矩指令；

左侧叶轮最终的附加扭矩指令如下：

gl＝tl+ql

其中，gl为最终的左侧叶轮发电机附加扭矩指令；

以上计算得到的最终的附加变桨指令需要与变桨转速控制输出的变桨指令叠加后传输给机组的变桨执行机构，最终的附加扭矩指令需要与扭矩转速控制输出的扭矩指令叠加后传输给机组的变频器以执行发电机扭矩。

进一步，所述机舱和漂浮式基础平台上安装的倾角传感器性能指标要求相同，对倾角传感器的要求是：带宽应涵盖漂浮式基础平台固有频率，幅频特性良好，能抵抗外界加速度干扰，采样频率要达到50hz以上，倾角测量精度高于0.1度，且还应滤除振动引起的高频噪声，保障通信可靠和判断准确。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明的控制方案简单可靠，只需在机舱和漂浮式基础平台上安装倾角传感器，无需增加其它硬件成本。通过附加变桨指令和附加发电机扭矩指令，对平台的运动进行控制，实现变桨控制和平台运动的解耦，进而可以明显改善漂浮式基础平台运动的稳定性。总之，本发明在降低漂浮式基础平台俯仰方向运动幅值的同时，对叶轮转速控制和功率输出影响很小(基本可以忽略)，从而保障机组的安全稳定运行。

附图说明

图1为漂浮式双叶轮风电机组示意图。

图2为本发明方法控制流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

在本实施例中，应用对象为漂浮式双叶轮风电机组，如图1所示，这款机组具体是两台风机通过y形塔架共用一个漂浮式基础平台，两台风机通过各自偏航驱动系统分别装于y形塔架的左右两个端部上，y形塔架的底部固定于漂浮式基础平台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力。

如图2所示，本实施例所提供的抑制漂浮式双叶轮风电机组基础平台俯仰运动的方法，需要先在左右两台风机的机舱内分别安装倾角传感器，用于测量机舱的俯仰倾角，由于漂浮式基础平台运动的固有频率很低，其频率在0.05hz附近，因此对倾角传感器要求是：带宽应涵盖平台固有频率，且幅频特性良好，能抵抗外界加速度干扰，采样频率要达到50hz及以上，倾角测量精度高于0.1度，倾角传感器还应滤除振动引起的高频噪声，保障通信可靠和判断准确。

漂浮式基础平台上也安装倾角传感器，其性能指标要求与机舱的倾角传感器要求相同，用于测量漂浮式基础平台的俯仰倾角运动。

由于机舱的倾角传感器测量的倾角数据，以及漂浮式基础平台上的倾角传感器的倾角，都反应了漂浮式双叶轮风电机组的运动情况。因其可能包含了高频的机组振动信号，因此倾角测量信号还需要进行数据前处理，如通过带通滤波和带阻滤波而滤除高频噪声信号，而后再根据机舱和平台的俯仰倾角数据进行如下操作：

1)机舱倾角计算得到附加的变桨指令

机舱倾角反应了机组及其平台俯仰运动情况，为了抑制机组的俯仰运动，希望在叶轮上提供一个推力和弯矩与机舱倾角速度对应，以此增加机组俯仰方向运动的阻尼；机舱的倾角需要先经过微分运算，得到倾角的变化率，即倾角速度，滤波后机舱的倾角用θr和θl表示，分别指右侧机舱倾角和左侧机舱倾角；

其中，γr,1、γr,2、γr,3分别指计算得到的右侧叶轮三个叶片附加变桨指令；k1和k2分别代表从机舱倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dθr/dt是右侧机舱倾角的变化率；是右侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片(叶片1)定义为零度起始点，正方向为右侧叶轮旋转方向；

对于左侧叶轮的附加变桨指令定义公式如下：

其中，γl,1、γl,2、γl,3分别指计算得到的左侧叶轮三个叶片附加变桨指令；k1和k2分别代表从机舱倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dθl/dt是左侧机舱倾角的变化率；是左侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片(叶片1)定义为零度起始点，正方向为左侧叶轮旋转方向。

2)漂浮式基础平台倾角计算得到附加变桨指令

漂浮式基础平台的倾角主要体现了平台的俯仰运动情况，平台运动的频率集中于低频部分，滤波后的平台倾角用φ表示，由平台倾角得到右侧叶轮的附加变桨指令定义公式如下：

其中，δr,1、δr,2、δr,3分别指计算得到的右侧叶轮三个叶片附加变桨指令；d1、d2分别代表从平台倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dφ/dt是平台倾角的变化率；是右侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片(叶片1)定义为零度起始点，正方向为右侧叶轮旋转方向；

由平台倾角得到左侧叶轮的附加变桨指令定义公式如下：

其中，δl,1、δl,2、δl,3分别指计算得到的左侧叶轮三个叶片附加变桨指令；d1、d2分别代表从平台倾角到变桨的推力增益和弯矩增益；dφ/dt是平台倾角的变化率；是左侧叶轮的方位角，将处于12点钟方向的那个叶片(叶片1)定义为零度起始点，正方向为左侧叶轮旋转方向。

3)机舱倾角计算得到附加的扭矩指令

通过控制发电机扭矩指令，改变叶轮转速，进而改变叶轮推力来控制漂浮式基础平台的俯仰运动，从机舱倾角到右侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

tr＝b·(dθr/dt)

其中，tr代表基于右侧机舱倾角得到的发电机附加扭矩，b是由机舱倾角到发电机扭矩的增益系数，dθr/dt是右侧机舱倾角的变化率；

从机舱倾角到左侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

tl＝b·(dθl/dt)

其中，tl代表基于左侧机舱倾角得到的发电机附加扭矩，b是由机舱倾角到发电机扭矩的增益系数，dθl/dt是左侧机舱倾角的变化率。

4)漂浮式基础平台倾角计算得到附加扭矩指令

从平台倾角到右侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

qr＝c·(dφ/dt)

其中，qr代表基于平台倾角计算得到的右侧叶轮发电机附加扭矩，c是由平台倾角到发电机扭矩的增益系数，dφ/dt是平台倾角的变化率；

从平台倾角到左侧叶轮发电机附加扭矩指令定义公式如下：

ql＝c·(dφ/dt)

其中，ql代表基于平台倾角计算得到的左侧叶轮发电机附加扭矩，c是由平台倾角到发电机扭矩的增益系数，dφ/dt是平台倾角的变化率。

5)计算得到最终的附加变桨指令和附加扭矩指令

右侧叶轮最终的附加变桨指令包括从机舱倾角计算得到附加变桨指令和从平台倾角计算得到的附加变桨指令，如下：

其中，βr,1、βr,2、βr,3为最终的右侧叶轮三个叶片附加变桨指令；

左侧叶轮最终的附加变桨指令包括从机舱倾角计算得到附加变桨指令和从平台倾角计算得到的附加变桨指令，如下：

其中，βl,1、βl,2、βl,3为最终的左侧叶轮三个叶片附加变桨指令；

右侧叶轮最终的附加扭矩指令如下：

gr＝tr+qr

其中，gr为最终的右侧叶轮发电机附加扭矩指令；

左侧叶轮最终的附加扭矩指令如下：

gl＝tl+ql

其中，gl为最终的左侧叶轮发电机附加扭矩指令。

以上计算得到的最终的附加变桨指令需要与变桨转速控制输出的变桨指令叠加后传输给机组的变桨执行机构，最终的附加扭矩指令需要与扭矩转速控制输出的扭矩指令叠加后传输给机组的变频器以执行发电机扭矩。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。