一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法及系统与流程

1.本发明涉及漂浮式风电机组控制的技术领域，尤其是指一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法、系统、存储介质及计算设备。


背景技术：

2.漂浮式风电机组通过漂浮式基础平台浮于水面上，并通过系泊锚链系统与海床连接。由于漂浮式风电机组特殊的基础固定型式，导致在风浪流的联合作用下漂浮式风电机组的运动响应更显著。在漂浮式风电机组运行过程中，漂浮式基础平台的垂荡运动对系泊锚链的疲劳载荷影响很大。传统的风电机组控制策略没有抑制漂浮式基础平台的垂荡运动，较大的垂荡导致漂浮式风电机组的系泊锚链的寿命降低。若采用加装垂荡板方式抑制漂浮式基础平台垂荡运动会增加成本，且导致漂浮式基础平台总体重量增加。


技术实现要素：

3.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，通过控制每支叶片的附加变桨指令，在风轮上产生垂向作用力，抑制漂浮式风电机组基础平台垂荡运动。
4.本发明的第二目的在于提供一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制系统。
5.本发明的第三目的在于提供一种存储介质。
6.本发明的第四目的在于提供一种计算设备。
7.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，包括以下步骤：
8.1)获取叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度；
9.2)根据叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，计算获得三支叶片的附加变桨指令，用于在风轮上产生附加垂直作用力，与漂浮式基础平台垂直运动速度相反，抑制漂浮式基础平台的垂直运动；
10.3)将每支叶片的附加变桨指令与各自的变桨指令叠加，获得每支叶片的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行。
11.进一步，在步骤1)中，通过轮毂滑环编码传感器测量获得叶片1测量方位角，所述叶片1测量方位角是指随着风轮的旋转，叶片1处于风轮平面内的某个角度；所述叶片1测量方位角正方向为顺时针，以风轮平面12点钟方向定为零度起始位置，方位角变化范围是从0到2π；所述轮毂滑环编码传感器获得的叶片1测量方位角可能存在跳变、振动噪声及电磁干扰，因此，需要对叶片1测量方位角进行以下数据处理：
12.首先，将叶片1测量方位角分解到两个垂直轴上，在每个垂直轴上得到对应分量：
13.14.在上式中，表示叶片1测量方位角；y
θ
表示叶片1测量方位角在y轴上的分量；x
θ
表示叶片1测量方位角在x轴上的分量；
15.其次，分别对叶片1测量方位角在y轴上的分量和在x轴上的分量进行滤波：
[0016][0017]
在上式中，表示叶片1测量方位角在y轴上的有效分量；表示叶片1测量方位角在x轴上的有效分量；f(s)表示方位角滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；
[0018]
再次，对叶片1测量方位角在y轴上的有效分量和在x轴上的有效分量进行合并计算，获得叶片1有效方位角：
[0019][0020]
在上式中，表示叶片1有效方位角；if表示其后为判断条件。
[0021]
进一步，在步骤1)中，通过低速轴的转速传感器测量获得风轮测量转速，所述风轮测量转速受到振动和电磁干扰影响，包含很多噪声信号，因此，需要进行滤波，所述风轮有效转速定义如下：
[0022][0023]
在上式中，表示风轮有效转速；h(s)表示风轮转速滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；表示风轮测量转速。
[0024]
进一步，在步骤1)中，通过安装在漂浮式基础平台上的加速度传感器测量获得漂浮式基础平台垂直测量加速度，所述漂浮式基础平台垂直测量加速度包含很多噪声信号，因此，需要进行滤波，所述漂浮式基础平台垂直有效加速度定义如下：
[0025][0026]
在上式中，表示漂浮式基础平台垂直有效加速度；t(s)表示加速度滤波器，包含高通滤波器、低通滤波器和带阻滤波器；表示漂浮式基础平台垂直测量加速度。
[0027]
进一步，在步骤2)中，对于每支叶片，若在此叶片上叠加一个正变桨角度，随着叶片的变桨角度增加，叶片在风轮平面内产生一个附加摆振作用力，若控制三支叶片上的摆振作用力的合力，与漂浮式基础平台的垂直运动速度大小成正比且方向相反，则抑制了漂浮式基础平台的垂直运动；称三支叶片上的摆振作用力的合力为风轮附加垂直作用力；
[0028]
所述风轮附加垂直作用力的计算公式如下：
[0029][0030]
在上式中，δf
heave
表示风轮附加垂直作用力；μ表示期望的附加阻尼系数，是可调参数；表示漂浮式基础平台垂直有效加速度的积分，即漂浮式基础平台垂直运动
速度；
[0031]
根据风轮附加垂直作用力，获得每支叶片的附加摆振作用力，具体计算公式如下：
[0032][0033]
在上式中，δf
edge,1
表示叶片1附加摆振作用力；δf
edge,2
表示叶片2附加摆振作用力；δf
edge,3
表示叶片3附加摆振作用力；表示叶片1有效方位角；τ表示变桨系统固有时间延迟；表示风轮有效转速；
[0034]
根据每支叶片的附加摆振作用力，获得每支叶片的附加变桨指令，具体计算公式如下：
[0035][0036]
在上式中，δβ1表示叶片1附加变桨指令；δβ2表示叶片2附加变桨指令；δβ3表示叶片3附加变桨指令；表示叶片摆振作用力对变桨角度的偏微分。
[0037]
进一步，在步骤3)中，将叶片1附加变桨指令与叶片1变桨指令叠加，叶片2附加变桨指令与叶片2变桨指令叠加，叶片3的附加变桨指令与叶片3变桨指令叠加，获得叶片1、叶片2、叶片3的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行；
[0038]
最终变桨指令的具体表达式如下：
[0039][0040]
在上式中，表示叶片1最终变桨指令；表示叶片2最终变桨指令；表示叶片3最终变桨指令；表示变桨控制器输出叶片1变桨指令；表示变桨控制器输出叶片2变桨指令；表示变桨控制器输出叶片3变桨指令；δβ1表示叶片1附加变桨指令；δβ2表示叶片2附加变桨指令；δβ3表示叶片3附加变桨指令。
[0041]
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制系统，用于实现上述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其包括：
[0042]
数据获取模块，用于获取叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直
有效加速度；
[0043]
附加变桨指令计算模块，根据叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，计算获得三支叶片的附加变桨指令，用于在风轮上产生附加垂直作用力，与漂浮式基础平台垂直运动速度相反，抑制漂浮式基础平台的垂直运动；
[0044]
变桨指令叠加模块，用于将每支叶片的附加变桨指令与各自的变桨指令叠加，获得每支叶片的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行。
[0045]
本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法。
[0046]
本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法。
[0047]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0048]
1、无需增加额外传感器及垂荡板结构，采用现有传感器测量叶片1测量方位角、风轮测量转速和漂浮式基础平台垂直测量加速度，控制每支叶片的变桨角度，实现抑制漂浮式风电机组垂荡运动。
[0049]
2、通过在每支叶片上叠加附加变桨指令，使每支叶片上产生附加摆振作用力，控制三支叶片上的附加摆振作用力的合力与漂浮式基础平台的垂荡运动速度相反，可以有效抑制漂浮式风电机组垂荡运动。
[0050]
3、本发明提出的漂浮式风电机组垂荡运动控制系统，包括传感器测量与数据处理模块、附加变桨指令计算模块和变桨指令叠加模块，结构简单、适应工程应用。
附图说明
[0051]
图1为漂浮式风电机组叶片附加摆振作用力示意图。
[0052]
图2为本发明系统的架构图。
具体实施方式
[0053]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0054]
实施例1
[0055]
本实施例公开了一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，包括以下步骤：
[0056]
1)通过传感器测量获取叶片1测量方位角、风轮测量转速和漂浮式基础平台垂直测量加速度，并通过数据处理，得到叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，具体情况如下：
[0057]
所示叶片1测量方位角是指随着风轮的旋转，叶片1处于风轮平面内的某个角度；所述叶片1测量方位角正方向为顺时针，以风轮平面12点钟方向定为零度起始位置，方位角变化范围是从0到2π；所示叶片1测量方位角通过轮毂滑环编码传感器测量获得，所述轮毂滑环编码传感器获得的叶片1测量方位角可能存在跳变、振动噪声及电磁干扰，因此，需要对叶片1测量方位角进行以下数据处理：
[0058]
首先，将叶片1测量方位角分解到两个垂直轴上，在每个垂直轴上得到对应分量：
[0059][0060]
在上式中，表示叶片1测量方位角；y
θ
表示叶片1测量方位角在y轴上的分量；x
θ
表示叶片1测量方位角在x轴上的分量；
[0061]
其次，分别对叶片1测量方位角在y轴上的分量和在x轴上的分量进行滤波：
[0062][0063]
在上式中，表示叶片1测量方位角在y轴上的有效分量；表示叶片1测量方位角在x轴上的有效分量；f(s)表示方位角滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；
[0064]
再次，对叶片1测量方位角在y轴上的有效分量和在x轴上的有效分量进行合并计算，获得叶片1有效方位角：
[0065][0066]
在上式中，表示叶片1有效方位角；if表示其后为判断条件。
[0067]
进一步，在步骤1)中，所述风轮测量转速通过低速轴的转速传感器测量获得，所述风轮测量转速受到振动和电磁干扰影响，包含很多噪声信号，因此，需要进行滤波，所述风轮有效转速定义如下：
[0068][0069]
在上式中，表示风轮有效转速；h(s)表示风轮转速滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；表示风轮测量转速。
[0070]
进一步，在步骤1)中，所述漂浮式基础平台垂直测量加速度能够通过安装在漂浮式基础平台上的加速度传感器测量获得，测量的漂浮式基础平台垂直测量加速度包含很多噪声信号，因此，需要进行滤波，所述漂浮式基础平台垂直有效加速度定义如下：
[0071][0072]
在上式中，表示漂浮式基础平台垂直有效加速度；t(s)表示加速度滤波器，包含高通滤波器、低通滤波器和带阻滤波器；表示漂浮式基础平台垂直测量加速度。
[0073]
2)根据叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，计算获得三支叶片的附加变桨指令，用于在风轮上产生附加垂直作用力，与漂浮式基础平台垂直运动速度相反，抑制漂浮式基础平台的垂直运动，具体情况如下：
[0074]
对于每支叶片，若在此叶片上叠加一个正变桨角度，随着叶片的变桨角度增加，叶片在风轮平面内产生一个附加摆振作用力，如图1所示，若控制三支叶片上的摆振作用力的合力，与漂浮式基础平台的垂直运动速度大小成正比且方向相反，则抑制了漂浮式基础平台的垂直运动；称三支叶片上的摆振作用力的合力为风轮附加垂直作用力；
[0075]
所述风轮附加垂直作用力的计算公式如下：
[0076][0077]
在上式中，δf
heave
表示风轮附加垂直作用力；μ表示期望的附加阻尼系数，是可调参数；表示漂浮式基础平台垂直有效加速度的积分，即漂浮式基础平台垂直运动速度；
[0078]
根据风轮附加垂直作用力，获得每支叶片的附加摆振作用力，具体计算公式如下：
[0079][0080]
在上式中，δf
edge,1
表示叶片1附加摆振作用力；δf
edge,2
表示叶片2附加摆振作用力；δf
edge,3
表示叶片3附加摆振作用力；表示叶片1有效方位角；τ表示变桨系统固有时间延迟；表示风轮有效转速；
[0081]
根据每支叶片的附加摆振作用力，获得每支叶片的附加变桨指令，具体计算公式如下：
[0082][0083]
在上式中，δβ1表示叶片1附加变桨指令；δβ2表示叶片2附加变桨指令；δβ3表示叶片3附加变桨指令；表示叶片摆振作用力对变桨角度的偏微分。
[0084]
3)将叶片1附加变桨指令与叶片1变桨指令叠加，叶片2附加变桨指令与叶片2变桨指令叠加，叶片3的附加变桨指令与叶片3变桨指令叠加，获得叶片1、叶片2、叶片3的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行；
[0085]
最终变桨指令的具体表达式如下：
[0086][0087]
在上式中，表示叶片1最终变桨指令；表示叶片2最终变桨指令；表示叶片3最终变桨指令；表示变桨控制器输出叶片1变桨指令；表示变桨控制器输
出叶片2变桨指令；表示变桨控制器输出叶片3变桨指令；δβ1表示叶片1附加变桨指令；δβ2表示叶片2附加变桨指令；δβ3表示叶片3附加变桨指令。
[0088]
实施例2
[0089]
本实施例公开了一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制系统，用于实现实施例1所述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，如图2所示，该系统包括以下功能模块：
[0090]
数据获取模块，用于获取叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度；
[0091]
附加变桨指令计算模块，根据叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，计算获得三支叶片的附加变桨指令，用于在风轮上产生附加垂直作用力，与漂浮式基础平台垂直运动速度相反，抑制漂浮式基础平台的垂直运动；
[0092]
变桨指令叠加模块，用于将每支叶片的附加变桨指令与各自的变桨指令叠加，获得每支叶片的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行。
[0093]
实施例3
[0094]
本实施例公开了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1所述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法。
[0095]
本实施例中的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、u盘、移动硬盘等介质。
[0096]
实施例4
[0097]
本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法。
[0098]
本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、pda手持终端、平板电脑、可编程逻辑控制器(plc，programmable logic controller)、或其它具有处理器功能的终端设备。
[0099]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度；2)根据叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，计算获得三支叶片的附加变桨指令，用于在风轮上产生附加垂直作用力，与漂浮式基础平台垂直运动速度相反，抑制漂浮式基础平台的垂直运动；3)将每支叶片的附加变桨指令与各自的变桨指令叠加，获得每支叶片的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行。2.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其特征在于，在步骤1)中，通过轮毂滑环编码传感器测量获得叶片1测量方位角，所述叶片1测量方位角是指随着风轮的旋转，叶片1处于风轮平面内的某个角度；所述叶片1测量方位角正方向为顺时针，以风轮平面12点钟方向定为零度起始位置，方位角变化范围是从0到2π；所述轮毂滑环编码传感器获得的叶片1测量方位角可能存在跳变、振动噪声及电磁干扰，因此，需要对叶片1测量方位角进行以下数据处理：首先，将叶片1测量方位角分解到两个垂直轴上，在每个垂直轴上得到对应分量：在上式中，表示叶片1测量方位角；y
θ
表示叶片1测量方位角在y轴上的分量；x
θ
表示叶片1测量方位角在x轴上的分量；其次，分别对叶片1测量方位角在y轴上的分量和在x轴上的分量进行滤波：在上式中，表示叶片1测量方位角在y轴上的有效分量；表示叶片1测量方位角在x轴上的有效分量；f(s)表示方位角滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；再次，对叶片1测量方位角在y轴上的有效分量和在x轴上的有效分量进行合并计算，获得叶片1有效方位角：在上式中，表示叶片1有效方位角；if表示其后为判断条件。3.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其特征在于，在步骤1)中，通过低速轴的转速传感器测量获得风轮测量转速，所述风轮测量转速受到振动和电磁干扰影响，包含很多噪声信号，因此，需要进行滤波，所述风轮有效转速定义如下：在上式中，表示风轮有效转速；h(s)表示风轮转速滤波器，包含低通滤波器和带阻滤波器；表示风轮测量转速。
4.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其特征在于，在步骤1)中，通过安装在漂浮式基础平台上的加速度传感器测量获得漂浮式基础平台垂直测量加速度，所述漂浮式基础平台垂直测量加速度包含很多噪声信号，因此，需要进行滤波，所述漂浮式基础平台垂直有效加速度定义如下：在上式中，表示漂浮式基础平台垂直有效加速度；t(s)表示加速度滤波器，包含高通滤波器、低通滤波器和带阻滤波器；表示漂浮式基础平台垂直测量加速度。5.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其特征在于，在步骤2)中，对于每支叶片，若在此叶片上叠加一个正变桨角度，随着叶片的变桨角度增加，叶片在风轮平面内产生一个附加摆振作用力，若控制三支叶片上的摆振作用力的合力，与漂浮式基础平台的垂直运动速度大小成正比且方向相反，则抑制了漂浮式基础平台的垂直运动；称三支叶片上的摆振作用力的合力为风轮附加垂直作用力；所述风轮附加垂直作用力的计算公式如下：在上式中，δf
heave
表示风轮附加垂直作用力；μ表示期望的附加阻尼系数，是可调参数；表示漂浮式基础平台垂直有效加速度的积分，即漂浮式基础平台垂直运动速度；根据风轮附加垂直作用力，获得每支叶片的附加摆振作用力，具体计算公式如下：在上式中，δf
edge,1
表示叶片1附加摆振作用力；δf
edge,2
表示叶片2附加摆振作用力；δf
edge,3
表示叶片3附加摆振作用力；表示叶片1有效方位角；τ表示变桨系统固有时间延迟；表示风轮有效转速；根据每支叶片的附加摆振作用力，获得每支叶片的附加变桨指令，具体计算公式如下：在上式中，δβ1表示叶片1附加变桨指令；δβ2表示叶片2附加变桨指令；δβ3表示叶片3附加变桨指令；表示叶片摆振作用力对变桨角度的偏微分。
6.根据权利要求1所述的一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其特征在于，在步骤3)中，将叶片1附加变桨指令与叶片1变桨指令叠加，叶片2附加变桨指令与叶片2变桨指令叠加，叶片3的附加变桨指令与叶片3变桨指令叠加，获得叶片1、叶片2、叶片3的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行；最终变桨指令的具体表达式如下：在上式中，表示叶片1最终变桨指令；表示叶片2最终变桨指令；表示叶片3最终变桨指令；表示变桨控制器输出叶片1变桨指令；表示变桨控制器输出叶片2变桨指令；表示变桨控制器输出叶片3变桨指令；δβ1表示叶片1附加变桨指令；δβ2表示叶片2附加变桨指令；δβ3表示叶片3附加变桨指令。7.一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制系统，其特征在于，用于实现权利要求1至6中任一项所述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法，其包括：数据获取模块，用于获取叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度；附加变桨指令计算模块，根据叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，计算获得三支叶片的附加变桨指令，用于在风轮上产生附加垂直作用力，与漂浮式基础平台垂直运动速度相反，抑制漂浮式基础平台的垂直运动；变桨指令叠加模块，用于将每支叶片的附加变桨指令与各自的变桨指令叠加，获得每支叶片的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行。8.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法。9.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1至6中任一项所述的漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法。

技术总结
本发明公开了一种漂浮式风电机组的垂荡运动控制方法及系统，包括：获取叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度；根据叶片1有效方位角、风轮有效转速和漂浮式基础平台垂直有效加速度，计算获得三支叶片的附加变桨指令，用于在风轮上产生附加垂直作用力，与漂浮式基础平台垂直运动速度相反，抑制漂浮式基础平台的垂直运动；将每支叶片的附加变桨指令与各自的变桨指令叠加，获得每支叶片的最终变桨指令，并传输给变桨系统执行。本发明通过控制每支叶片的附加变桨指令，在风轮上产生垂向作用力，抑制漂浮式风电机组基础平台垂荡运动。平台垂荡运动。平台垂荡运动。


技术研发人员：李刚 马冲
受保护的技术使用者：明阳智慧能源集团股份公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/13