一种漂浮式海上风力发电平台及其设计和运行控制方法与流程

本发明涉及海上风力发电，具体为一种漂浮式海上风力发电平台及其设计和运行控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着世界经济迅速发展，新型能源如风能、潮汐能、太阳能作为可再生能源、清洁能源逐步被社会大众熟知，也已逐步进入社会的生产生活当中。由于传统能源如煤炭、石油、天然气等不可再生能源在加工制造过程中产生大量二氧化碳等温室气体且对自然环境造成不同程度的污染，因此新型能源的开发已成为社会发展中不可或缺的重要一环。风能作为新型能源中的一种，有着较大的发展潜力，根据其工作环境的不同，目前主要分为陆上风能与海上风能，由于海风较之陆风无环境因素限制、无障碍物的阻碍，因此其可利用程度更高。目前，风能的研究重心已由陆上风能逐步转为海上，海上风力发电机作为一种海上风能转化装置，其发展已成为必然趋势。

2、海上风力发电机发展所面临的问题较之陆上风力发电机来说更为繁多复杂，作为海上风力发电机的工作基础，其平台的设计更是重中之重，平台的可靠与否，直接影响了风力发电机的工作效率。由于海上风能资源通常在离海岸较远的位置(约37千米至90千米)才较为丰富，通常此处水深较大(约60千米左右)，因此构建固定式平台基座极为困难且不具有经济可行性，这就使得漂浮式海上风力发电平台的研究成为必要。

3、目前主要的漂浮式海上风力发电平台主要有第一立柱式平台、张力腿平台(tlp's)与半潜式平台，各种平台间各有其优缺点。第一立柱式平台吃水较深，抗水动力响应性能较强，但其水平面面积较小，稳定性能较其他平台略差；张力腿平台(tlp's)通过电缆等设备直连海床，稳定性好，不用考虑平台重心调整的问题，但不得不考虑连接设备的张紧力平衡问题且系泊系统的建立安装成本较高；半潜式平台吃水深度合适，性能稳定，但通常其整体尺寸较其他平台略大，安装过程复杂、成本较高。

4、为解决目前平台的各类问题，如漂浮式平台的稳定性问题，通常对第一立柱进行结构强化，增强稳定性能设计。

5、中国专利cn114056497a公开了一种第一立柱式平台，其方案是：包括至少5个圆柱型舱室和/或多面柱体型舱室，所述圆柱型舱室和/或多面柱体型舱室围成一个环状结构，相邻两个圆柱型舱室和/或多面柱体型舱室之间通过隔离腔连接，所述圆柱型舱室和/或多面柱体型舱室顶部为封闭式结构。

6、中国专利cn113266527a公开了一种漂浮式海上风电，其方案是：该漂浮式海上风电包括风机机组、塔筒、支撑结构和系泊结构；风机机组通过塔筒连接于支撑结构的顶部，系泊结构连接于支撑结构的底部；支撑结构呈四方体框架结构，且支撑结构的其中的一个侧面呈敞口设置，且敞口设置于下风向的位置处；支撑结构的另外三个侧面对应设置有养殖腔。

7、然而上述两个方案中的平台重心是固定的，然而海面上经常会出现各种极端天气，此时海面起伏则会导致整个平台的浮心发生变化，由于重心不变则会导致平台会随着平台的浮心变化发生较大晃动，这样也会影响平台上的设备运转。

技术实现思路

1、为解决当前存在技术问题，本发明的主要目的在于提供一种漂浮式海上风力发电平台，此发电平台能够调节其重心，以降低平台随风浪的晃动幅度，提高平台运作的稳定性。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种漂浮式海上风力发电平台，包括平台主体和安装在平台主体上的风力发电机，平台主体通过多根泊缆线与海床预设的锚点连接，所述平台主体上设有用于调节平台重心的调节部；所述平台主体包括多个沿周向分布的浮筒，多个所述浮筒之间通过桁架结构相互连接固定，所述风力发电机固定连接在其中一个所述浮筒上；所述调节部包括配重块，所述配重块通过多根高强度的绳索悬吊在所述桁架结构下方，所述高强度绳索与桁架结构形成的多个连接点绕周向间隔分布，所述桁架结构上设有用于分别收放绳索的卷收器。

3、优选的，所述桁架结构包括固定连接在相邻两个浮筒之间的多个横杆；相邻两个所述浮筒的多个横杆之间固定连接有多个斜撑杆。

4、优选的，所述卷收器包括驱动部、导绳滑块和绳头夹块，所述绳头夹块固定安装在横杆内部，所述绳头夹块与绳索远离配重块的端部固连，所述导绳滑块沿横杆长度方向与横杆滑动连接，所述导绳滑块上开设有供绳索穿过的导绳孔，所述驱动部安装在横杆上用于驱使导绳滑块滑动；所述卷收器之间能够独立工作或协同工作，从而调节所述配重块的垂向和水平方向位置。

5、优选的，所述驱动部包括链条、链轮和电机，所述横杆的两端分别转动设有所述链轮，所述链条绕设在链轮上，所述电机固定安装在横杆上，所述电机的输出端与所述链轮传动连接，所述链条与导绳滑块固定连接，电机一端与平台控制系统相连，用于传递控制信号和导绳滑块的实际位置及速度；根据控制指令，电机能够控制链轮旋转角度和速度，以对导绳滑块的位置和运动速度进行调节；导绳滑块能够在一定范围自由滑动。

6、优选的，所述浮筒包括相互固连的立柱和支撑座，所述立柱和支撑座均为中空铁制圆柱结构，所述立柱和支撑座上均设有第一注水口，所述第一注水口处设有用于将水抽入或排出的第一水泵；

7、且所述立柱的外径小于所述支撑座的外径，所述立柱的高度大于所述支撑座的高度，相邻两个立柱之间通过上部的横杆固定连接，相邻两个支撑座之间通过下部的横杆固定连接，所述平台主体中心位置镂空。

8、优选的，所述配重块为中空铁制球体结构，所述配重块上设有第二注水口，所述第二注水口处设有用于将水抽入或排出的第二水泵。

9、同时提供了，漂浮式海上风力发电平台的设计方法，平台在静水状态时处于平衡状态，其受力平衡，同时所受力矩也平衡；平台主体重力和重心、风力发电机重力和塔架长度、配重净重力和重心以及设计风浪荷载和平台设计倾角参数满足如下关系：

10、

11、其中，gwt为风力发电机重力；faero极限和fwave极限分别为极限设计风载荷和波浪载荷；h为塔架长度；zwt为塔基与海平面距离；c55为平台静水恢复刚度；θmax为平台运行时最大允许倾角；l为配重重心与平台重心的水平距离；xg为配重重心与平台重心的水平距离；xb为平台浮心与重心的水平距离；g净重为配重净重，即重力与浮力之差；fb为平台所受浮力；faero和fwave分别为风载荷和波浪载荷；zg为配重重心与海平面距离。

12、优选的，运输及安装时配重块能够通过第二水泵将压舱水全部排出，通过拖航装置拖运到服役位置后，再通过第二水泵加注压舱水至设计水位；

13、平台控制系统通过传感器实时监测第i时刻的平台倾覆运动加速度配重块重心水平坐标xq,i以及配重实时净重gq,i，通过所述卷收器和所述的第二水泵对配重块第i+1时刻的水平坐标xq,i+1和净重gq,i+1进行调节和控制，调节方式满足以下公式：

14、

15、其中，iyy和iadd分别为平台的转动惯量和附加质量；xg0为平台重心水平坐标；xq,max为配重块最大允许运动位置的水平方向坐标，其值为平台重心与立柱间距离的一半；

16、控制系统通过传感器实时监测配重块重心的垂向位置zq,i、运动加速度aq,i、净重gq,i和平台倾覆运动加速度根据卷收器对配重块第i+1时刻的垂向坐标zq,i+1进行调节，调节方式满足以下公式：

17、

18、其中，g为重力加速度。

19、同时提供了一种漂浮式海上风力发电平台的运行控制方法：

20、发电平台的安装采用模块化安装，在码头区首先对各机构组件分别进行组装，然后对初步安装好的组件进行统一组装，对绳索施加预紧力固定好重心调节部的位置，再将安装好的平台使用运输船运输至工作地点；

21、当平台运输至工作地点后，需要对平台各模块进行安装调试，先构建平台系泊系统，先安装锚点连接泊缆线，为防止泊缆线阻碍平台重心调节部的运动，平台系泊系统采用张紧式系泊系统，通过此系泊系统避免在波浪中的共振现象，降低在波浪中的运动响应；

22、当平台系泊完成之后，开始为风力发电机的正常运行进行准备工作，卷收器控制绳索收放，浮筒和配重块下沉入海，同时随其本身下沉深度提升而逐步增加内腔注水量，使平台整体重心持续下沉；

23、其中，由于其中一个浮筒上设有风力发电机，该侧提供的压载显然大于另外两侧，因此该侧浮筒的注水量应始终少于其余两侧浮筒的注水量；同时配重块的升降高度和内腔注水量，根据海上的风向载荷和水动载荷进行调节，当风动载荷与水动载荷发生改变时，信号接收装置会感应收集处理相应的信息，经由信号放大器传输给控制系统，控制系统向电机和水泵输出命令，进而控制配重块的升降高度和内腔注水量。

24、本发明有如下有益效果：

25、1、通过设置浮筒和桁架结构，使平台主体部分结构简单，工作性能稳定，为风力发电机提供了可靠的工作基础，且在一定程度上简化了安装过程，降低了平台安装、维护的经济成本。使用时，通过调节平台主体上的调节部，达到调整重心的目的，以使平台的重心与浮心相对应，也可以将重心位置向来风的方向移动，以提高对风力的抵抗，平台整体重心可动态调控，有效降低了平台的振荡响应，提高平台的抗倾覆能力，使得平台能在极端天气保持稳定，以满足平台在不同工作条件下正常工作，提高平台工作的稳定性。

26、2、通过采用上述调节部，卷收器能分别收放各根绳索，使配重块能实现不同方向移动，有效改变平台的重心，提高调节部的重心调控可靠性。

27、3、通过采用上述结构，使桁架结构连接稳定，提高浮筒间的连接可靠性。同时进一步增大桁架结构的结构强度，提高平台主体的结构稳定性。

28、4、通过采用上述卷收器，使绳索被可靠卷收，提高绳索被收放的可靠性。

29、5、通过采用上述驱动部，使导绳滑块在横杆上滑动稳定，提高驱动部的驱动稳定性。

30、6、所述平台主体中心位置镂空。由此使平台主体结构简单、稳定，水力性能较好，增强平台主体的稳定性。

31、7、这种模块化安装的方式，简化了安装步骤，整体安装环节更为经济有效。