具有振荡水翼装置的漂浮式风力机及其控制方法

1.本发明涉及海洋能技术领域，具体地，涉及一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机及其控制方法。


背景技术：

2.海洋风能是具有大规模开发利用前景的可再生能源，是未来我国能源战略中的重要组成部分。船型漂浮式风力机是下一代开发远海风能的重要装备，其吃水浅，结构简单，便于码头整体安装以及拖航，还有适应水深范围广、成本相对较低等优点。船型漂浮式风力机搭配单点系泊装置还可起到自主对风，降低横向波浪载荷的效果。但船型平台的水线面较大，受力面积大，且纵摇、横摇、垂荡等运动的固有周期和波浪周期接近，在环境载荷和工作载荷的联合作用下，呈现出强随机性与非线性等特征，需要增加阻尼装置以降低运动响应与载荷。波浪能是海上另一种重要的可再生清洁能源，具有能量密度高、分布范围广的特点，而传统船型漂浮式风力机仅利用风能发电，缺少高效转化利用波浪能的装置。
3.为解决上述问题，现有技术中也有多种设计，专利文献cn104875862a在船宽方向设置了一对液舱，并在其下部设置彼此连通的流路，利用液体流动的阻尼实现减摇效果，但这样的液舱布置对几何尺寸有较高要求，不适合船型漂浮式风力机安装。专利文献cn106382182a提出了一种漂浮式风力机平台的被动式吸波减摇发电装置，其采用安装在平台底部的浮子吸收波浪能，达到降低平台响应的效果，同时吸收的能量可以用于发电，但这样的浮子设计对风机平台重心影响较大，且只适用于半潜型漂浮式风力机。专利文献cn215884008u在漂浮式风力机底部设置了浮箱，并在浮箱内设置透水网以及用于增大与海水接触面积的网格阻尼件，达到减摇效果，但其仅能将吸收的能量以热的方式耗散掉，无法吸收利用。专利文献cn102720209a提出了一种包含可伸缩阻尼装置的海上漂浮式风力机基础，上述伸缩阻尼装置包含阻尼盘以及连接在阻尼盘上的伸缩主梁，阻尼盘上设置有减摇鳍和扰流孔，能降低漂浮式风力机的运动幅度，但其对于水深的要求较高，且需要复杂的控制中枢控制各伸缩主梁的状态。
4.综上所述，工程上亟需一种易于安装、结构简单、可控性好、稳定性高的船型漂浮式风力机，并且其减摇装置既能降低平台的运动幅度，降低载荷，又能将吸收的能量转化为电能。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机及其控制方法。
6.根据本发明提供的一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，包括执行系统，所述执行系统配置有：
7.船型漂浮式平台，漂浮于水面；
8.风力发电机组，安装在所述船型漂浮式平台上，用于风力发电；
9.单点系泊装置，限制船型漂浮式平台在水平方向的自由度且所述船型漂浮式平台在风浪流的联合作用下能够绕单点系泊装置转动；
10.振荡水翼装置，布置在所述船型漂浮式平台的下方，包括多个配置有水翼的振荡水翼模块；
11.液压控制装置，布置在所述振荡水翼模块上，包括多个与所述振荡水翼模块相匹配的液压控制模块，所述水翼在波浪能的作用下能够绕轴转动进而能够驱使所述振荡水翼模块发电；同时，所述液压控制模块能够调整所述水翼的转动阻尼和工作角度以使得所述振荡水翼模块获得所需的发电效率。
12.优选地，所述振荡水翼模块具有液压油缸，所述水翼绕轴转动能够驱使液压油缸伸缩进而使得振荡水翼模块发电。
13.优选地，所述振荡水翼模块还包括框架、限位装置，所述水翼的一侧与所述框架的底部转动配合，所述水翼的中部通过液压油缸与所述框架的顶部活动配合；
14.所述限位装置用于限制所述水翼的最大旋转角度。
15.优选地，所述液压控制模块，每个所述液压控制模块对应控制一个所述振荡水翼模块，液压控制模块包括电控设备、液压泵、多向阀、液压电力变换器以及液压辅件；
16.所述电控设备分别与液压泵、多向阀控制连接进而控制液压油在所述液压控制模块中的流向，所述液压电力变换器通过多向阀连接所述液压辅件，所述液压辅件连接所述液压油缸。
17.优选地，所述单点系泊装置通过多个系泊装置连接架连接所述船型漂浮式平台；
18.所述单点系泊装置通过多个所述锚链限制船型漂浮式平台在水平方向的自由度。
19.优选地，还包括采集系统、控制中枢，所述采集系统用于采集执行系统上的实时作业数据和作业海况数据，提供给所述控制中枢进行数据处理和指令决策；
20.所述控制中枢能够将采集系统收集到的实时作业数据和作业海况数据进行处理和分析，并将自主运行和操作指令发送至执行系统执行。
21.优选地，所述采集系统包括加速度计和陀螺仪、风速风向传感器、浪高浪向传感器、水压流速传感器、水翼姿态传感器、油缸液压传感器、各发电模块传感器中的至少一种；
22.所述控制中枢包括数据处理模块、运行监测模块、作业控制模块和紧急备用模块，所述数据处理模块能够将采集系统收集到的数据进行初步滤波除杂和转换处理，得到所测量的各类物理量并提交给其他三个模块，所述运行监测模块将数据转化为图表并通过可视化界面呈现给工作人员远程实时监控，所述作业控制模块向执行系统输出操作运行指令，所述操作运行指令包括调节水翼姿态指令、油缸液压调节指令、风力机组发电指令、液压发电系统发电指令；所述紧急备用模块能够在所述作业控制模块失效的极端情况下紧急接管控制，所述紧急备用模块提供执行系统的人工控制渠道，在紧急状况下切换到紧急备用模块后，能够实现各部分人工控制进而保证所述执行系统在紧急状况下的脱困避险。
23.根据本发明提供的一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机的控制方法，具体操作步骤如下：
24.步骤1：根据所在作业区域海况以及作业周期，在船型漂浮式平台上搭载合适数量的振荡水翼模块及锚链，确定工作参数并将所述工作参数输入至控制中枢，开启并校准采集系统；
25.步骤2：执行系统布放完成后，通过控制中枢将各发电模块调整至发电状态，根据采集系统得到的风速、风向，作业控制模块自动下达风力发电机组发电指令，风力发电机组开始工作，根据采集系统得到的船型漂浮式平台的运动速度、加速度、水翼自身俯仰运动速度、水翼附近水压和流速大小，数据处理模块计算得出水翼最佳工作角度和最佳运动阻尼，根据振荡水翼模块所处的纵向位置与横向位置，作业控制模块自动下达不同的水翼姿态控制指令及运动阻尼控制指令，水翼被推动旋转，同时液压控制模块开启对液压油流速的控制进而改变水翼的运动阻尼；
26.步骤3：水翼随着船型漂浮式平台的运动而运动，在水压力和液压油缸阻尼作用下，水翼绕转轴做俯仰运动，船型漂浮式平台做纵摇运动时，带动船首和船尾的水翼做相反方向的升沉运动，船型漂浮式平台做垂荡运动时，带动船首和船尾的水翼做相同方向的升沉运动,水翼绕轴沿第一方向旋转时，液压油缸被动伸长且内部液压降低，储油罐内的液压油经液压电力变换器流入液压油缸，系统发电；水翼绕轴沿第二方向旋转时，液压油缸缩短，内部液压升高，液压油从液压油缸经液压电力变换器流入储油罐，系统发电；一个水翼的运动周期，对应液压电力变换器的两次发电过程，其中，第一方向与第二方向相反。
27.步骤4：执行系统保持正常作业状态不断发电，期间若数据处理模块计算所得水翼最佳工作角度或最佳运动阻尼与当前参数相差超过预设值，则自动下达相应调整指令至作业执行模块以提高执行系统的整体发电效率；
28.优选地，当遭遇极端工况时，控制中枢将发出警报用以提醒工作人员；同时，控制中枢决策方法中将降低锚链载荷的优先级提高，即在最优发电效率和最优生存状况之间，决策选择后者，水翼主动调整角度以最大程度地降低锚链所受载荷；当极端工况结束后，重复步骤1～步骤4，执行系统重新正常运行发电。
29.优选地，所述工作参数包括作业水深、锚链预张力、所在海域统计风速、所在海域统计波高、波浪周期、水翼初始姿态、液压油缸初始长度、液压油缸极限行程中的至少一种；
30.所述最佳工作角度是指水翼在确定的来流速度以及自身升沉运动速度、俯仰角速度下，达到最大能量转换效率时的角度，对应此时水翼的运动阻尼定义为最佳运动阻尼，其中，所述最佳工作角度能够通过调整液压油缸的行程实现，所述最佳运动阻尼能够通过调节液压油缸内液压油的流速实现。
31.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
32.1、本发明通过在单点系泊的船型漂浮式风力机首、尾部安装振荡水翼装置，配合液压发电装置，使水翼吸收波浪能，产生水平方向推力，降低锚链载荷，降低平台的运动响应，并利用吸收的能量发电，解决了传统船型漂浮式风力机运动性能差、发电方式单一的问题，同时通过监测平台与水翼的姿态，控制油缸的油压以及伸缩状态，保证了平台的稳定，并提高振荡水翼的发电效率，振荡水翼装置易于安装、结构简单、可控性好、稳定性高，既能降低平台的运动幅度，降低载荷，又能将吸收的能量转化为电能。
33.2、本发明采用了多组水翼和液压油缸组成的振荡水翼装置，利用水翼产生推力与风浪载荷相抵消，有效解决了单点系泊船型漂浮式风力机平台运动性能差、锚链载荷大的问题；振荡水翼装置结合多向阀与液压电力变换器组成的液压系统，可以实现吸能发电等多种功能，可实现工作海况下水翼的高效运作，以及在高海况下保证装置的安全。
34.3、本发明通过在单点系泊的船型漂浮式风力机平台首、尾端安装振荡水翼装置，
配合液压系统控制水翼运动的阻尼，可充分吸收平台运动的能量，提高平台的阻尼，实现吸能减摇，同时在振荡水翼工作过程中还可以产生向前的推力，抵抗纵向波浪载荷与风载荷，解决了传统船型单点系泊漂浮式风力机平台锚链载荷大、运动性能差的问题。
35.4、本发明通过液压电力变换器、液压泵、多向阀、液压辅件组成的液压系统，以控制液压油缸伸缩和液压油的流速，从而实现水翼的角度和运动阻尼的调节，结合水翼的角度与受力监测装置以适应多种工况下不同的平台运动幅度，将平台运动的能量转化为电能，解决了传统被动式振荡水翼工作条件单一、发电效率低的问题。
36.5、本发明可实现水翼角度的精准控制，保证振荡水翼装置始终工作在最佳角度附近，保持最佳发电效率，同时在生存工况下可以降低载荷，解决了不同工况下水翼姿态的控制问题。
附图说明
37.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
38.图1为本发明的立体结构示意图；
39.图2为本发明的正面结构示意图；
40.图3为本发明的侧面结构示意图；
41.图4为本发明的结构俯视示意图；
42.图5为振荡水翼装置结构示意图；
43.图6为液压控制模块的结构示意图；
44.图7为振荡水翼装置结构及其工作原理示意图；
45.图8为船体纵摇运动时振荡水翼工作示意图；
46.图9为船体垂荡运动时振荡水翼工作示意图；
47.图10为水翼第一方向旋转液压油流向示意图；
48.图11为水翼第二方向旋转液压油流向示意图；
49.图12为水翼产生推力示意图；
50.图13为本发明的框式示意图；图14为本发明中控制方法流程图。
51.图中示出：
52.100-船体
53.101-甲板
54.102-单点系泊装置
55.103-锚链
56.104-连接梁
57.105-斜撑
58.106-系泊装置连接架
59.200-风力发电机组
60.300-振荡水翼模块
61.301-水翼
62.302-转轴
63.303-液压油缸
64.304-框架
65.305-限位装置
66.400-液压控制模块
67.401-电控设备
68.402-液压泵
69.403-多向阀
70.404-液压电力变换器
71.405-液压辅件
具体实施方式
72.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
73.实施例1：
74.本发明提供了一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，包括执行系统、采集系统、控制中枢，执行系统包括船型漂浮式平台、风力发电机组200、单点系泊装置102、振荡水翼装置以及液压控制装置，船型漂浮式平台漂浮于水面；风力发电机组200安装在船型漂浮式平台上，用于风力发电；单点系泊装置102用于限制船型漂浮式平台在水平方向的自由度且船型漂浮式平台在风浪流的联合作用下能够绕单点系泊装置102转动，单点系泊装置102优选通过系泊装置连接架106连接船型漂浮式平台；振荡水翼装置布置在船型漂浮式平台的下方，包括多个配置有水翼301的振荡水翼模块300；液压控制装置布置在振荡水翼模块300上，包括多个与振荡水翼模块300相匹配的液压控制模块400，水翼301在波浪能的作用下能够绕轴转动进而能够驱使振荡水翼模块300发电；同时，液压控制模块400能够调整水翼301的转动阻尼和工作角度以使得振荡水翼模块300获得更优的发电效率。
75.具体地，振荡水翼模块300具有液压油缸303、框架304、限位装置305，水翼301的一侧与框架304的底部转动配合，水翼301的中部通过液压油缸303与框架304的顶部活动配合，水翼301绕轴转动能够驱使液压油缸303伸缩进而使得振荡水翼模块300发电，限位装置305用于限制水翼301的最大旋转角度，单点系泊装置102通过多个锚链103限制船型漂浮式平台在水平方向的自由度。
76.在实际应用中，每个液压控制模块400对应控制一个振荡水翼模块300，液压控制模块400包括电控设备401、液压泵402、多向阀403、液压电力变换器404以及液压辅件405，电控设备401分别与液压泵402、多向阀403控制连接进而控制液压油在液压控制模块400中的流向，液压电力变换器404通过多向阀403连接液压辅件405，液压辅件405连接液压油缸303。
77.本发明中的采集系统用于采集执行系统上的实时作业数据和作业海况数据，提供给控制中枢进行数据处理和指令决策；控制中枢能够将采集系统收集到的实时作业数据和
作业海况数据进行处理和分析，并将自主运行和操作指令发送至执行系统执行。其中，采集系统包括加速度计和陀螺仪、风速风向传感器、浪高浪向传感器、水压流速传感器、水翼姿态传感器、油缸液压传感器、各发电模块传感器等，控制中枢包括数据处理模块、运行监测模块、作业控制模块和紧急备用模块，数据处理模块能够将采集系统收集到的数据进行初步滤波除杂和转换处理，得到所测量的各类物理量并提交给其他三个模块，运行监测模块将数据转化为图表并通过可视化界面呈现给工作人员远程实时监控，作业控制模块向执行系统输出操作运行指令，操作运行指令包括调节水翼姿态指令、油缸液压调节指令、风力机组发电指令、液压发电系统发电指令；紧急备用模块能够在作业控制模块失效的极端情况下紧急接管控制，紧急备用模块提供执行系统的人工控制渠道，在紧急状况下切换到紧急备用模块后，能够实现各部分人工控制进而保证执行系统在紧急状况下的脱困避险。
78.本发明还提供了一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机的控制方法，具体操作步骤如下：
79.步骤1：根据所在作业区域海况以及作业周期，在船型漂浮式平台上搭载合适数量的振荡水翼模块300及锚链103，确定工作参数并将工作参数输入至控制中枢，开启并校准采集系统，其中，工作参数包括作业水深、锚链预张力、所在海域统计风速、所在海域统计波高、波浪周期、水翼初始姿态、液压油缸初始长度、液压油缸极限行程中的至少一种；
80.步骤2：执行系统布放完成后，通过控制中枢将各发电模块调整至发电状态，根据采集系统得到的风速、风向，作业控制模块自动下达风力发电机组200发电指令，风力发电机组200开始工作，根据采集系统得到的船型漂浮式平台的运动速度、加速度、水翼自身俯仰运动速度、水翼附近水压和流速大小，数据处理模块计算得出水翼301最佳工作角度和最佳运动阻尼，根据振荡水翼模块300所处的纵向位置与横向位置，作业控制模块自动下达不同的水翼姿态控制指令及运动阻尼控制指令，水翼301被推动旋转，同时液压控制模块400开启对液压油流速的控制进而改变水翼301的运动阻尼，其中，最佳工作角度是指水翼301在确定的来流速度以及自身升沉运动速度、俯仰角速度下，达到最大能量转换效率时的角度，对应此时水翼301的运动阻尼定义为最佳运动阻尼，其中，最佳工作角度能够通过调整液压油缸303的行程实现，最佳运动阻尼能够通过调节液压油缸303内液压油的流速实现；
81.步骤3：水翼301随着船型漂浮式平台的运动而运动，在水压力和液压油缸阻尼作用下，水翼301绕转轴302做俯仰运动，船型漂浮式平台做纵摇运动时，带动船首和船尾的水翼301做相反方向的升沉运动，船型漂浮式平台做垂荡运动时，带动船首和船尾的水翼301做相同方向的升沉运动,水翼301绕轴沿第一方向旋转时，液压油缸303被动伸长且内部液压降低，储油罐内的液压油经液压电力变换器404流入液压油缸，系统发电；水翼301绕轴沿第二方向旋转时，液压油缸303缩短，内部液压升高，液压油从液压油缸303经液压电力变换器404流入储油罐，系统发电；一个水翼301的运动周期，对应液压电力变换器404的两次发电过程，其中，第一方向与第二方向相反，在本实施例中，如图9、图10所示，第一方向为顺时针转动，第二方向为逆时针转动。
82.步骤4：执行系统保持正常作业状态不断发电，期间若数据处理模块计算所得水翼301最佳工作角度或最佳运动阻尼与当前参数相差超过预设值，则自动下达相应调整指令至作业执行模块以提高执行系统的整体发电效率；
83.需要说明的是，当遭遇极端工况时，控制中枢将发出警报用以提醒工作人员；同
时，控制中枢决策方法中将降低锚链载荷的优先级提高，即在最优发电效率和最优生存状况之间，决策选择后者，水翼301主动调整角度以最大程度地降低锚链所受载荷；当极端工况结束后，重复步骤1～步骤4，执行系统重新正常运行发电。
84.实施例2：
85.本实施例为实施例1的优选例
86.本实施例提供了一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，包括船型漂浮式平台、风力发电机组200、单点系泊装置102、振荡水翼装置和液压控制装置五个部分。
87.如图1、图2、图3、图4所示，船型漂浮式平台的主要结构由船体100组成，船体优选为双体船型，可保证漂浮式风力发电机的横稳性，减小平台在作业过程中的晃荡。两个片体内部均设有水密舱室，可用于调整压载水、装载工作设备等。两片体之间由若干不接触水面的横向连接梁104连接。在船体中线至船尾范围内，于船体上方覆盖铺设甲板101，甲板上布置斜撑105支撑风力发电机组200。
88.单点系泊装置102布置于船体前方中纵剖面上，其通过系泊装置连接架106与船体相连，单点系泊装置102通过数根锚链103，优选为6根，限制船型漂浮式平台水平方向的运动自由度，但平台可以绕单点系泊装置102在水平面内转动，其作用在于使船型漂浮式平台在受到某一方向风浪来流时，借助风向标效应，使得船首自动朝向来流方向,从而使得风力发电机组200和振荡水翼模块300处于最优工作状态。锚链103的尺寸与数量可根据实际安装位置以及水深做出调整。
89.振荡水翼装置由多个振荡水翼模块300构成，其功能在于将船型漂浮式平台在波浪中垂荡、纵摇运动的动能转化为平台向前的推力，即沿船首方向的推力，并且驱动液压控制模块400发电，振荡水翼模块300包括布置于模块底部的水翼301、转轴302、控制水翼绕转轴运动的液压油缸303、框架304以及限位装置305，其中水翼301为对称翼型，优选为naca0012翼型，布置时，水翼301的导边朝向船首，随边朝向船尾，其通过转轴302与框架304铰接，从而使水翼301能够绕转轴302做俯仰运动，并由限位装置305限制水翼301的最大旋转角度，水翼旋转最大角度优选为30
°
，转轴302优选布置于水翼301四分之一弦长处，以提高吸能效率。液压油缸303两端分别与水翼301和框架304铰接。
90.如图6所示，连接水翼301和液压油缸303的铰支座布置于水翼301沿展长方向的两侧、沿弦长方向的中部略靠近随边处，该铰支座竖直方向上与框架304交点处布置连接液压油缸303和框架304的铰支座。
91.如图6、图7所示，水翼301的转轴中心到液压油缸303上端铰支座中心的距离为l1，水翼301的转轴中心到液压油缸303下端铰支座中心的距离为l2，液压油缸303两端以水翼转轴为中心的初始夹角为θ0，则油缸长度lc与攻角α满足几何关系：l
c2
＝
12
+
22-2l1l2cos(0+)。
92.具体地，液压油缸303可主动调整其内部的液压大小，从而改变对水翼301俯仰运动的阻尼作用，多个振荡水翼模块300沿船宽方向布置构成一个振荡水翼组，横向分布数量可由实际作业海况调整，本实施例中为五个振荡水翼模块300构成一个振荡水翼组。由于船型漂浮式平台在船首、船尾处的升沉运动幅度最大，因此可在船型漂浮式平台首尾处各布置一个或多个振荡水翼吸能组，本实施例中为船型漂浮式平台首尾处各布置一个振荡水翼组，其目的在于最大程度地吸收船型漂浮式平台的动能，以减小船型漂浮式平台在波浪中的运动响应。
93.进一步地，水翼301在工作过程中可以产生向前的推力，该推力与纵向波浪载荷、风载荷相抵抗，如图7、图8、图11所示，从而降低单点系泊装置102在水平方向的受力，达到降低载荷的效果。需要说明的是，所有振荡水翼模块300的布置需保证在作业过程中不会与锚链103发生干涉。
94.液压控制装置由多个液压控制模块400构成，且每个液压控制模块400对应控制一个振荡水翼模块300。液压控制模块400包括电控设备401、液压泵402、多向阀403、液压电力变换器404和液压辅件405，其中电控设备401能够控制液压泵402和多向阀403的工作，从而控制液压油在液压控制模块400内的流向。多向阀403起到对液压油的沟通、切断、换向、流量调节的作用。多向阀403分别与液压电力变换器404、液压辅件405连接，液压油通过液压辅件405和多向阀403在液压油缸303与液压电力变换器404之间流动。当液压油在液压泵402的作用下流入液压油缸303时，电能转化为液压油的机械能，推动液压油缸303，起到控制水翼301运动的作用。当水翼301随着平台运动而在水压力的作用下做绕转轴302的俯仰运动时，液压油缸303被水翼301推动，通过多向阀403控制液压油流过液压电力变换器404，液压油的机械能被转化为电能。
95.如图12所示，采集系统主要由布置于系统上的各类传感器组成，包括加速度计和陀螺仪、风速风向传感器、浪高浪向传感器、水压流速传感器、水翼姿态传感器、油缸液压传感器、各发电模块传感器等，其主要作用为采集船型漂浮式风力机平台的实时作业数据和作业海况数据，提供给控制中枢进行数据处理和指令决策。其中加速度计和陀螺仪的作用为采集船型平台的运动加速度与姿态信息；风速风向传感器主要采集平台作业时的风速风向信息；浪高浪向传感器主要采集振荡水翼模块附近处的浪高以及波浪传播方向；水压流速传感器主要采集振荡水翼模块附近的流速以及水压力；水翼姿态传感器主要采集水翼的旋转角度以及旋转角速度；油缸液压传感器主要采集液压油缸内的油压大小以及流速；各发电模块传感器主要采集风力发电机组发电功率以及液压发电系统的发电功率，以供控制中枢对各发电模块的工作状态进行调整。
96.控制中枢主要负责将采集系统收集到的实时环境和机构运行数据进行处理和分析，并将自主运行和操作指令发送至执行系统执行。控制中枢包括数据处理模块、运行监测模块、作业控制模块和紧急备用模块四个部分。数据处理模块主要负责将各个传感器收集到的数据进行初步滤波除杂和转换处理，得到所测量的各类物理量，并提交给其他模块。运行监测模块将必要的数据转化为图表，并通过可视化界面提供给地面站工作人员远程实时监控。作业控制模块主要负责向执行系统输出操作运行指令，包括调节水翼姿态指令、油缸液压调节指令、风力机组发电指令、液压发电系统发电指令等。紧急备用模块是作业控制模块基础上的简化模块，主要负责在作业控制模块失效的极端情况下紧急接管控制。该模块提供执行系统的人工控制渠道，在紧急状况下切换到该模块后，可以实现各部分人工控制，从而保证发明装置在紧急状况下的脱困避险。
97.执行系统能够执行控制中枢发出的指令，包括：
98.根据指令控制液压油的流向，控制液压油缸伸长或缩短进而调整水翼的角度；
99.根据指令调整液压油的流速，进而调整液压油缸对水翼俯仰运动的阻尼作用。
100.采用自动化控制，包含控制风力发电机发电功率，控制液压系统发电功率等。
101.如图13所示，本发明的具体控制原理如下：
102.步骤1，根据所在作业区域海况以及作业周期长短，检查并根据需求搭载合适数量的振荡水翼组，选择合适尺寸的锚链103，确定工作参数，并由人工输入至控制中枢，接着开启并校准机构上的各种传感器。其中，这些工作参数包括但不限于作业水深、锚链预张力、所在海域统计风速、所在海域统计波高及波浪周期、水翼初始姿态、液压油缸初始长度、液压油缸极限行程等。
103.步骤2，执行系统布放完成后，通过控制中枢将各发电模块调整至发电状态。根据采集系统得到的风速、风向，作业控制模块自动下达风力机组发电指令，风力发电机组开始工作。根据采集系统得到的平台的运动速度、加速度、水翼自身俯仰运动速度、水翼附近水压和流速大小，数据处理模块计算得出水翼最佳工作角度和最佳运动阻尼。最佳工作角度是指水翼301在确定的来流速度以及自身升沉运动速度、俯仰角速度下，达到最大能量转换时的角度，其具备的角度运动范围a，而此时水翼的运动阻尼被称为最佳运动阻尼k。其中，最佳工作角度a可以通过调整液压油缸303的行程实现，最佳运动阻尼k可以通过调节液压油缸303内液压油的流速实现。根据振荡水翼模块300所处的纵向位置与横向位置，作业控制模块自动下达不同的水翼姿态控制指令及运动阻尼控制指令。水翼301被推动旋转，同时液压控制模块400开启对液压油流速的控制，进而改变水翼301运动阻尼。一般地，船舶首尾处的升沉运动受船舶垂荡、纵摇的影响最大，因此安装在首尾位置的振荡水翼301具有更大的最佳工作角度a与更大的最佳运动阻尼k。同样的，船舶两侧的振荡水翼模块300受船舶横摇的影响最大，这些位置的水翼301相对于船中处水翼301具有更大的最佳工作角度a与更大的最佳运动阻尼k。
104.步骤3，一定时间范围水翼301的工作状态大致相同，因此水翼301的最佳运动角度及最佳运动阻尼虽有差异但不会剧变，因此在水翼姿态调整指令发出后的一定时间范围内，优选为当前波浪周期的十分之一，水翼姿态静默。水翼301随着船型漂浮式平台的运动而运动，在水压力和液压油缸303阻尼的作用下，水翼301绕转轴302做俯仰运动。如图7所示，船型漂浮式平台做纵摇运动时，带动船首和船尾的水翼301做相反方向的升沉运动，如图8所示，船型漂浮式平台做垂荡运动时，带动船首和船尾的水翼301做相同方向的升沉运动。水翼301绕轴顺时针旋转时，液压油缸303被动伸长，其内部液压降低，储油罐内的液压油经液压电力变换器404流入液压油缸303，系统发电，如图9所示；水翼301绕轴逆时针旋转时，液压油缸303缩短，内部液压升高，液压油从液压油缸303经液压电力变换器404流入储油罐，系统发电，如图10所示。一个水翼301的运动周期，对应液压电力变换器404的两次发电过程。
105.步骤4，完成以上步骤后，执行系统保持正常作业状态不断发电。期间若数据处理模块计算所得水翼301最佳工作角度或最佳运动阻尼与当前参数相差较大，则自动下达相应调整指令至作业执行模块以提高机构的整体发电效率。
106.需要说明的是，在执行系统遭遇极端工况时，控制中枢将发出警报，提醒工作人员提前做好应对工作。同时，控制中枢决策方法中将降低锚链103载荷的优先级提高，即在最优发电效率和最优生存状况之间，决策选择后者。体现在，水翼301主动调整角度以最大程度地降低锚链103所受载荷，极大提高了平台的生存能力与使用寿命。极端工况结束后，重复步骤1～步骤4，系统重新正常运行发电。
107.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖
直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
108.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，其特征在于，包括执行系统，所述执行系统配置有：船型漂浮式平台，漂浮于水面；风力发电机组(200)，安装在所述船型漂浮式平台上，用于风力发电；单点系泊装置(102)，限制船型漂浮式平台在水平方向的自由度且所述船型漂浮式平台在风浪流的联合作用下能够绕单点系泊装置(102)转动；振荡水翼装置，布置在所述船型漂浮式平台的下方，包括多个配置有水翼(301)的振荡水翼模块(300)；液压控制装置，布置在所述振荡水翼模块(300)上，包括多个与所述振荡水翼模块(300)相匹配的液压控制模块(400)，所述水翼(301)在波浪能的作用下能够绕轴转动进而能够驱使所述振荡水翼模块(300)发电；同时，所述液压控制模块(400)能够调整所述水翼(301)的转动阻尼和工作角度以使得所述振荡水翼模块(300)获得所需的发电效率。2.根据权利要求1具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，其特征在于，所述振荡水翼模块(300)具有液压油缸(303)，所述水翼(301)绕轴转动能够驱使液压油缸(303)伸缩进而使得振荡水翼模块(300)发电。3.根据权利要求2具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，其特征在于，所述振荡水翼模块(300)还包括框架(304)、限位装置(305)，所述水翼(301)的一侧与所述框架(304)的底部转动配合，所述水翼(301)的中部通过液压油缸(303)与所述框架(304)的顶部活动配合；所述限位装置(305)用于限制所述水翼(301)的最大旋转角度。4.根据权利要求3具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，其特征在于，所述液压控制模块(400)，每个所述液压控制模块(400)对应控制一个所述振荡水翼模块(300)，液压控制模块(400)包括电控设备(401)、液压泵(402)、多向阀(403)、液压电力变换器(404)以及液压辅件(405)；所述电控设备(401)分别与液压泵(402)、多向阀(403)控制连接进而控制液压油在所述液压控制模块(400)中的流向，所述液压电力变换器(404)通过多向阀(403)连接所述液压辅件(405)，所述液压辅件(405)连接所述液压油缸(303)。5.根据权利要求1具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，其特征在于，所述单点系泊装置(102)通过多个系泊装置连接架(106)连接所述船型漂浮式平台；所述单点系泊装置(102)通过多个所述锚链(103)限制船型漂浮式平台在水平方向的自由度。6.根据权利要求1具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，其特征在于，还包括采集系统、控制中枢，所述采集系统用于采集执行系统上的实时作业数据和作业海况数据，提供给所述控制中枢进行数据处理和指令决策；所述控制中枢能够将采集系统收集到的实时作业数据和作业海况数据进行处理和分析，并将自主运行和操作指令发送至执行系统执行。7.根据权利要求6具有振荡水翼装置的漂浮式风力机，其特征在于，所述采集系统包括加速度计和陀螺仪、风速风向传感器、浪高浪向传感器、水压流速传感器、水翼姿态传感器、油缸液压传感器、各发电模块传感器中的至少一种；所述控制中枢包括数据处理模块、运行监测模块、作业控制模块和紧急备用模块，所述
数据处理模块能够将采集系统收集到的数据进行初步滤波除杂和转换处理，得到所测量的各类物理量并提交给其他三个模块，所述运行监测模块将数据转化为图表并通过可视化界面呈现给工作人员远程实时监控，所述作业控制模块向执行系统输出操作运行指令，所述操作运行指令包括调节水翼姿态指令、油缸液压调节指令、风力机组发电指令、液压发电系统发电指令；所述紧急备用模块能够在所述作业控制模块失效的极端情况下紧急接管控制，所述紧急备用模块提供执行系统的人工控制渠道，在紧急状况下切换到紧急备用模块后，能够实现各部分人工控制进而保证所述执行系统在紧急状况下的脱困避险。8.一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机的控制方法，其特征在于，具体操作步骤如下：步骤1：根据所在作业区域海况以及作业周期，在船型漂浮式平台上搭载合适数量的振荡水翼模块(300)及锚链(103)，确定工作参数并将所述工作参数输入至控制中枢，开启并校准采集系统；步骤2：执行系统布放完成后，通过控制中枢将各发电模块调整至发电状态，根据采集系统得到的风速、风向，作业控制模块自动下达风力发电机组(200)发电指令，风力发电机组(200)开始工作，根据采集系统得到的船型漂浮式平台的运动速度、加速度、水翼自身俯仰运动速度、水翼附近水压和流速大小，数据处理模块计算得出水翼(301)最佳工作角度和最佳运动阻尼，根据振荡水翼模块(300)所处的纵向位置与横向位置，作业控制模块自动下达不同的水翼姿态控制指令及运动阻尼控制指令，水翼(301)被推动旋转，同时液压控制模块(400)开启对液压油流速的控制进而改变水翼(301)的运动阻尼；步骤3：水翼(301)随着船型漂浮式平台的运动而运动，在水压力和液压油缸阻尼作用下，水翼(301)绕转轴(302)做俯仰运动，船型漂浮式平台做纵摇运动时，带动船首和船尾的水翼(301)做相反方向的升沉运动，船型漂浮式平台做垂荡运动时，带动船首和船尾的水翼(301)做相同方向的升沉运动,水翼(301)绕轴沿第一方向旋转时，液压油缸(303)被动伸长且内部液压降低，储油罐内的液压油经液压电力变换器(404)流入液压油缸，系统发电；水翼(301)绕轴沿第二方向旋转时，液压油缸(303)缩短，内部液压升高，液压油从液压油缸(303)经液压电力变换器(404)流入储油罐，系统发电；一个水翼(301)的运动周期，对应液压电力变换器(404)的两次发电过程，其中，第一方向与第二方向相反。步骤4：执行系统保持正常作业状态不断发电，期间若数据处理模块计算所得水翼(301)最佳工作角度或最佳运动阻尼与当前参数相差超过预设值，则自动下达相应调整指令至作业执行模块以提高执行系统的整体发电效率。9.根据权利要求8具有振荡水翼装置的漂浮式风力机的控制方法，其特征在于，当遭遇极端工况时，控制中枢将发出警报用以提醒工作人员；同时，控制中枢决策方法中将降低锚链载荷的优先级提高，即在最优发电效率和最优生存状况之间，决策选择后者，水翼(301)主动调整角度以最大程度地降低锚链所受载荷；当极端工况结束后，重复步骤1～步骤4，执行系统重新正常运行发电。10.根据权利要求8具有振荡水翼装置的漂浮式风力机的控制方法，其特征在于，所述工作参数包括作业水深、锚链预张力、所在海域统计风速、所在海域统计波高、波浪周期、水翼初始姿态、液压油缸初始长度、液压油缸极限行程中的至少一种；所述最佳工作角度是指水翼(301)在确定的来流速度以及自身升沉运动速度、俯仰角
速度下，达到最大能量转换效率时的角度，对应此时水翼(301)的运动阻尼定义为最佳运动阻尼，其中，所述最佳工作角度能够通过调整液压油缸(303)的行程实现，所述最佳运动阻尼能够通过调节液压油缸(303)内液压油的流速实现。

技术总结
本发明提供了一种具有振荡水翼装置的漂浮式风力机及其控制方法，包括执行系统，执行系统配置有：船型漂浮式平台，漂浮于水面；风力发电机组，安装在船型漂浮式平台上；单点系泊装置，限制船型漂浮式平台在水平方向的自由度；振荡水翼装置，包括多个配置有水翼的振荡水翼模块；液压控制装置，布置在振荡水翼模块上，包括多个液压控制模块，水翼在风浪流的联合作用下能够绕轴转动进而能够驱使振荡水翼模块发电；液压控制模块能够调整水翼的转动阻尼和工作角度。本发明解决了传统船型漂浮式风力机运动性能差、发电方式单一的问题，保证了平台的稳定，并提高振荡水翼的发电效率。并提高振荡水翼的发电效率。并提高振荡水翼的发电效率。


技术研发人员：赵永生 王一品 池哲瀛 姚天成
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.12.06
技术公布日：2023/4/25