一种半潜式海上风电机组漂浮式基础稳定性控制系统的制作方法

本发明涉及一种半潜式海上风电机组漂浮式基础稳定性控制系统，适用于海上风电开发领域，水深适用范围广。

背景技术：

1、目前主流的海上风机漂浮式基础型式主要有单立柱式、半潜式以及张力腿式。这些经典的漂浮式基础已在部分漂浮式风电项目上得以实施，单立柱式基础的稳性回复力主要来源于其深吃水设计，形成不倒翁特点，其应用场景对于水深的要求不小于100米；半潜式基础回复力主要来源于其较大的水线面面积与惯性矩，其对于水深的要求小，但是结构尺度大，对于其施工场地、下水-吊装-运输的船只及其设备都要求较高；张力腿式基础用钢量最小，但张力筋腱的预张力受海流、潮汐的影响较大，对环境高频载荷敏感，易发生铃振现象产生疲劳，风险大。相对而言，半潜式基础在国内外漂浮式风电上的应用更为广泛。

2、风机大型化是漂浮式风电发展的必然趋势，是降低单位千瓦工程投资的有效手段，目前漂浮式风机的单机容量正在由10mw级向15mw级过渡，与此同时，上部风机荷载大幅增加，整个系统对于下部浮体的外型设计以及稳定性设计提出了更高的要求。所谓的稳定性包含下部浮式基础的运动的最大幅值和倾角、最大速度和加速度等。目前浮体的稳性主要依靠设计阶段增大浮体的尺寸，控制策略也多以风机的控制与塔筒的振动控制为主，对于浮体运动的控制方法与策略较少。此外，当前的控制手段多为被动控制，缺少前馈的主动控制，控制策略方面亦缺乏多种控制手段的联合调控策略。总体而言，漂浮式风电的稳定性控制目前存在的控制手段单一、控制策略单一的技术缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对大型漂浮式海上风电机组开发的需求，提供一种半潜式海上风电机组漂浮式基础稳定性控制系统，适用于大型风电机组，应用水深广，具有较好的调控效果。

2、一种半潜式海上风电机组漂浮式基础稳定性控制系统，包含控制器，其特征在于所述控制器集成稳定性控制系统和环境要素预测系统；所述稳定性控制系统还包括环境要素监测装置，所述环境要素监测装置包括波高测量仪、流速测量仪、风速仪，测量数据均可以无线传输；所述稳定性控制系统还包括运动响应监测装置，所述运动响应监测装置包括机舱六自由度加速度监测装置、机舱转角监测装置、浮体六自由加速度监测装置、浮体转角监测装置，测量数据均可以无线传输；所述稳定性控制系统还包括泊链张力监测与控制系统，所述系泊链张力监测与控制系统包括系泊链监测装置与锚机系统；所述稳定性控制系统还包括压载水监测与控制系统，所述压载水监测与控制系统包括压载调节泵机、液位监测装置，集成有稳定性控制系统的控制器通过浮体数字孪生模型确立压载水、系泊张力调控方案，进而控制浮体与风机稳定性。

3、在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

4、所述环境要素预测系统通过hht算法与bp神经网络进行环境要素预测；hht算法将对环境要素监测装置的测量结果进行本征模态分解，得到本征模态imf；进而以本征模态imf作为训练集与验证集对bp神经网络训练，并预测本征模态imf的未来序列，最后对本征模态imf的未来序列进行组合，再根据统计分析，实现对未来若干小时的轮毂高度处风速均值uw、浮体所在区域有义波高hs和波浪周期tp以及流速uc的预测。

5、所述环境要素预测系统在风电机组投入实际运行后，针对某次风暴，环境要素监测系统监测得到的实际数据如不同于环境要素预测系统的预测结果，环境要素预测系统会基于实际数据重新训练内部bp网络，完善环境要素预测系统。

6、其中，风速仪用于测量风速，放置于机舱上方；波高测量仪布置于浮式基础周围流域内多个方向，与浮式基础有一定距离，确保浮式基础运动不会与波高测量仪发生碰撞；流速测量仪布置于浮式基础周围流域内多个方向，与浮式基础有一定距离，确保浮式基础运动不会与流速测量仪发生碰撞。风速仪、波高测量仪、流速测量仪的测量数据均可以无线传输至环境要素预测系统。

7、所述浮体数字孪生模型特征主要有，(1)所述浮体数字孪生模型建立了浮体六自由度运动响应与轮毂高度处风速均值uw、浮体所在区域有义波高hs和波浪周期tp、流速uc、系泊链预张力、多种压载水分布方案的映射关系；(2)所述浮体数字孪生模型可以基于已建立的映射关系，由特定的轮毂高度处风速均值uw、浮体所在区域有义波高hs和波浪周期tp、流速uc、系泊链预张力、浮体重心位置、稳心位置得到浮体六自由度运动响应；(3)所述浮体数字孪生模型可以由已建立的映射关系，由特定的轮毂高度处风速均值uw、浮体所在区域有义波高hs和波浪周期tp、流速uc与浮体六自由度运动响应目标要求得到所需的系泊链预张力和压载水分布方案；(4)所述浮体数字孪生模型将在漂浮式风电结构的设计阶段依据大量的数值模拟进行建立，当风电机组投入运行后，所述浮体数字孪生模型将根据所采集到的数据进行模型修正，不断完善；(5)所述浮体数字孪生模型内的多种压载水方案和系泊链预张力方案已在设计阶段经过数值模型的验证，所有压载水方案和系泊链预张力方案均满足最恶劣工况下的浮体稳性要求与运动性能要求，但不同工况下的最优压载水方案和系泊链预张力并不相同，所述浮体数字孪生模型可针对不同工况从这些压载水方案和系泊链预张力方案中进行最优方案的选择与组合；

8、所述浮体六自由度运动包括纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇，每种运动响应包含位移、速度、加速度。

9、所述浮体数字孪生模型的压载水调控方式，包含：第一种调控方式，浮体内部的总压载水量不变，通过调整各舱室内的压载水重量，实现对于浮体的浮态调整；第二种调控方式，从外部抽取海水，增加浮体内部的压载水总量，调整各舱室的压载水重量，实现对于浮体的浮态以及吃水的调整；所述浮体包括纵倾、横倾。压载水调控方式1和压载水调控方式2中的所有具体方案，均在设计阶段，通过建立风机-浮体-系泊的一体化有限元仿真模型进行动力响应分析，确保所有的具体方案均能满足设计阶段预估的可能风暴环境。在初步设计阶段，一种较优选择是，压载水调控方式1中的压载水方案主要针对于25年一遇的风暴环境，压载水调控方式2中的压载水方案主要针对于50年一遇的风暴环境。针对于不同的浮体与分舱形式，压载水调控方式1和压载水调控方式2中的方案将根据具体的设计确定。总体设计原则需遵循压载水排布尽量位于浮体的下部舱室，压载水调控需尽量与浮体正浮压载方案接近，减少压载水分布的调整时间。

10、所述系泊链张力监测与控制系统中，系泊链张力监测装置可以实时监测系泊链在导缆孔处的系泊张力，确保系泊张力小于系泊链破断张力的安全阈值内；锚机系统可以实现系泊链长度的调整，进而实现预张力调整；所述系泊链张力监测与控制系统集成有设计阶段依据大量的数值模拟建立的系泊链预张力与系泊链长度映射关系，可通过锚机系统达到系泊链预张力的定量调控。

11、所述压载水监测与控制系统，包含舱室压载水高度监测装置与压载水调控系统，其中舱室压载水高度监测装置可以有效监测各个压载舱内水位高度，压载水调控系统包含压载调节泵机、压载舱之间的连接水管与机电控制柜，可对各舱室内的压载水进行调控，实现各舱室间的压载水流通与定量调节。

12、所述稳定性控制系统基于环境要素监测装置与环境要素预测系统，由当前海况与过往若干小时海况的数据，预测若干小时后的海况，并通过浮体数字孪生模型得到风电机组和漂浮式基础在未来海况下的运动响应；当运动响应超过设计阈值时，进一步由数字孪生模型给出在未来海况下，运动响应(包含机舱加速度、浮体纵摇角度、浮体横摇角度、浮体水平运动位移)满足设计阈值的压载水方案与系泊链预张力设置，所述运动响应包含机舱加速度、浮体纵摇角度、浮体横摇角度、浮体水平运动位移；进而，通过压载水监测与控制系统对浮体的压载水进行调整，通过系泊链张力监测与控制系统实现对于系泊链长度的调整，最终实现浮体的浮态、系泊张力(系泊刚度)在风暴到来前的预调整，实现对漂浮式基础在未来风暴中的稳定性控制，确保安全性。

13、所述浮体数字孪生模型包括修正步骤，在风电机组投入实际运行后，针对某次风暴，压载水监测与控制系统和系泊链张力监测与控制系统在根据稳定性控制系统进行压载水调控和系泊链调控后，若运动响应监测装置实际监测到的运动响应与数字孪生模型中设定的目标响应不同，数字孪生模型会基于实际监测响应修正内部映射模型，进一步优化之后在不同风暴下的压载水调控方案与系泊链预张力方案，进而实现控制策略的不断更新。

14、所述浮体数字孪生模型的控制策略的输入为未来若干小时的海况以及浮体运动响应，输出为压载水方案的选择与系泊链张力调整，控制要素包含浮体的横、纵摇角度、风机机舱的运动加速度以及系泊链破断张力；控制策略上，(1)当预测的响应仅横、纵摇的最大值超出阈值且存在较大平均值时，仅用第一种压载水调控方式调整压载水；(2)当预测的响应仅系泊链张力超出阈值时，仅通过系泊链控制系统调整系泊链；(3)当预测响应的横、纵摇的最大值和系泊链张力均超出设计阈值时，先用第一种压载水调控方式调整压载水方案，若仍不满足需求，进一步通过系泊链控制系统调整系泊链；(4)当使用第一种压载水调控方式和所有系泊链张力调整方案均不能使得目标浮体响应与系泊力响应满足设计阈值时，采用第二种压载水调控方式对其进行调控，并同步调整系泊链张力方案。

15、本发明能够应用于半潜式海上风电机组漂浮式基础，本发明的有益效果至少包括：

16、(1)本发明对于半潜式海上风电机组漂浮式基础提出的稳定性控制方法，创新性地提出了系泊链张力控制方案，通过对于风暴来临前的环境要素预判、动力响应预判，提前做出系泊链张力调整，对浮体的浮态进行改变，实现响应控制。

17、(2)本发明对于半潜式海上风电机组漂浮式基础提出的系泊张力控制方案，可以通过对于各条系泊链的张力调整，调控各系泊链在全生命期内的受力状态，实现各系泊链寿命的损耗一致，进而提高系泊系统的平均使用寿命。

18、(3)本发明对于半潜式海上风电机组漂浮式基础提出的压载水调控方案，通过对于风暴来临前的环境要素预判、动力响应预判，提前做出压载水调整，对浮体的浮态进行改变，实现响应控制。

19、(3)本发明对于半潜式海上风电机组漂浮式基础创新性地提出了压载水调控与系泊张力调控的联合控制方式，并明确制定了调控优先级与调控逻辑，可以大大提高浮式风机系统在发电工况下的发电效率，提高在自存工况下的安全性。