CN102392796A - 一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组，在悬浮式底座(3)上设置有卷扬机构(4)、平衡传感器(6)和实时平衡控制模块，所述卷扬机构(4)对称地设置在悬浮式底座(3)上，所述斜拉钢缆(5)通过卷扬机构(4)与悬浮式底座(3)连接，平衡传感器(6)发出倾斜角度信号控制卷扬机构(4)收缩或伸长斜拉钢缆(5)；当机组向某个方向倾斜，平衡传感器(6)感应其变化，实时平衡控制模块接收平衡传感器(6)信号控制相应方向的卷扬机构(4)通过收缩或伸长钢缆来迫使风机(1)保持平衡，有效的防止风电机组因为风速较高或海浪较大而倾斜甚至倾翻，确保风电机组安全，提高风力发电效率。

Description

一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组
技术领域
本发明涉及一种海上悬浮式风力发电机组，特别是一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组。
背景技术
随着我国经济的快速发展，能源环境矛盾日益凸显。风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。2009年，我国风机累计装机容量达到2580万KW，实现连续第四年装机容量翻番。中国正在对漫长海岸线上的海上风电开发前景进行细致的调研。2010年，首批海上风电项目——上海东海大桥10万KW已完成组装，安装了34台华锐3MW风机。根据沿海省份编制和规划，海上风电的装机容量预计将在2020年达到3280万KW。
与一般海上风电机组相比，悬浮式海上风电机组安装简单，便于迁移，制造和安装成本只有海上塔架式风电机组的三分之一左右。悬浮式海上风电机组通过斜拉钢缆系在海底混凝土墩上。现有设计中，风速较小时，这些风电机组能够保持平衡；但海风的风力等级相比陆地风力等级要大很多，一旦遇到风速过大或者海浪过大，这些风电机组倾斜角度会比较大，极易发生整体倾翻甚至毁机的事故。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组，实现海上悬浮式风力发电机组的主动平衡控制。
海上悬浮式风力发电机组包括风机、塔架、悬浮式底座、斜拉钢缆，所述风机通过塔架安装在悬浮式底座上，悬浮式底座通过斜拉钢缆连接在海底。为了解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：在所述悬浮式底座上设置卷扬机构、平衡传感器和实时平衡控制模块，所述卷扬机构对称地设置在悬浮式底座上，所述斜拉钢缆通过卷扬机构与悬浮式底座连接，平衡传感器发出倾斜角度信号控制卷扬机构收缩或伸长斜拉钢缆。
为保证在风机正常运转过程中，轻微的倾斜不致使风机倾翻，所述风机、塔架、悬浮式底座、斜拉钢索等组成整体的重心位于水面以下。
所述卷扬机构和实时平衡控制模块通过蓄电池供电，风机正常工作时，一部分电能通过转换器给蓄电池充电，以保证在紧急状态下能够正常供给控制器和卷扬机构所需电能。
当风机倾斜时，平衡传感器可发出倾斜角度信号，中心控制器的实时平衡控制模块以此输出控制信号，控制相应方向的卷扬机构收缩或伸长钢缆，以使风电机组平衡。
当工作状态恢复正常时，控制器输出控制信号，四个卷扬机构协调运作，以使风电机组恢复原来的平衡位置。
卷扬机构控制斜拉钢缆收缩或伸长的长度计算方法如下：
1)设对称的四个卷扬机构位置为ABCD，以AC连线为X轴，BD连线为Y轴，平衡传感器安装在X轴卷扬机构A附近，风机倾斜时，传感器测得X轴剖面倾斜角度为α，Y轴剖面倾斜角度为β；
2)无风无浪时，风机状态为最初始平衡状态，此时中心控制器接收的信号为：
P0＝(0，0，H0)T
其中H0为初始深度数据，由此可以得出初始钢缆长度：
L0＝(LA0，LB0，LC0，LD0)T，L0＝f(P0)
其中，LA0、LB0、LC0、LD0分别为卷扬机构A、B、C、D所控制斜拉钢缆的初始长度；
3)风电机组倾斜时，平衡传感器感应倾斜角度，此时中心控制器接收的信号为：
P＝(α，β，H)T
其中α为X轴剖面倾斜角度，β为Y轴剖面倾斜角度，H为深度数据，由此可得出为保持平衡此时钢缆应有长度：
L＝(LA，LB，LC，LD)T，L＝f(P)
4)与初始钢缆长度相减可得每个卷扬机构应控制钢缆收缩或者伸长的长度为：
ΔL＝L-L0＝(LA-LA0，LB-LB0，LC-LC0，LD-LD0)T
其中，负号表示收缩长度，正号表示伸长长度。
本发明的悬浮式风力发电机能有有效的防止风电机组因为风速较高或海浪较大而倾斜甚至倾翻，确保风电机组安全，提高风力发电效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明的俯视图。
图3是实时平衡控制模块控制流程图。
图4是X轴剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组包括风机1、塔架2、悬浮式底座3、斜拉钢缆5，所述风机1通过塔架2安装在悬浮式底座3上，悬浮式底座3通过斜拉钢缆5连接在海底，所述悬浮式底座3上还设置有卷扬机构4、平衡传感器6和实时平衡控制模块，所述卷扬机构4对称地设置在悬浮式底座3上，所述斜拉钢缆5通过卷扬机构4与悬浮式底座3连接，平衡传感器6发出倾斜角度信号控制卷扬机构4收缩或伸长斜拉钢缆5。斜拉钢缆5可系在海底的固定混凝土墩9上固定。
悬浮式底座3的底部安装深度测量仪7，可测量悬浮式底座3的深度。输电线缆8也设置在悬浮式底座3上。
风机1运行时，风力较大的阵风或者较大的海浪会使海上风电机组倾斜，如图3所示，X轴倾斜角度为α，Y
Figure BSA00000589561000031
倾斜角度为β.当倾斜角度α或者β较大时，风机可能会倾翻。所以在风机运行的过程中，需要主动的去矫正风机位置，使风机保持平衡，避免倾翻毁机事故。
风机倾斜角度的测量通过VTI公司的SCA100T系列2自由度倾角计来实现。
图2为本发明俯视示意图。四个对称圆形ABCD分别为四个卷扬机构，为示意方便，以AC连线为X轴，BD连线为Y轴。在X轴A附近安装平衡传感器。风机1倾斜时，平衡传感器6测得X轴剖而倾斜角度(如图2)为α，Y轴剖面倾斜角度为β。
无风无浪时，风机1状态为最初始平衡状态，此时中心控制器接收的信号为：
P0＝(0，0，H0)T
其中H0为初始深度数据。
由此可以得出初始钢缆长度：
L0＝(LA0，LB0，LC0，LD0)T，L0＝f(P0)
其中，LA0、LB0、LC0、LD0分别为卷扬机构A、B、C、D所控制斜拉钢缆5的初始长度。
风电机组倾斜时，倾角计感应倾斜角度，此时中心控制器接收的信号为：
P＝(α，β，H)T
其中α为X轴剖面倾斜角度，β为Y轴剖面倾斜角度，H为深度数据。
由此可得出为保持平衡此时钢缆应有长度：
L＝(LA，LB，LC，LD)T，L＝f(P)
与初始斜拉钢缆5长度相减可得每个卷扬机构4应控制斜拉钢缆5收缩或者伸长的长度：
ΔL＝L-L0＝(LA-LA0，LB-LB0，LC-LC0，LD-LD0)T
以一海上悬浮式风力发电机组为例，该发电机组重17吨，塔架高75米，悬浮式底座3半径15米，到海底距离为50米，卷扬机构4采用电机。
根据混凝土墩9所处海底实际位置，计算得初始斜拉钢缆5长度L0＝(72，74，30，76)T。20米/秒的风速工况下，风电机组发生倾斜，中心控制器得到的信号为P＝(6.5，8，51)T，计算得L＝(73.2，75.5，73.1，74.3)T，所以每根斜拉钢缆5变化量为
Figure BSA00000589561000041
负号表示收缩长度，正号表示伸长长度。经过电机收缩和伸长斜拉钢缆，风电机组恢复平衡，保证了悬浮式风电机组的安全性。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组，包括风机(1)、塔架(2)、悬浮式底座(3)、斜拉钢缆(5)，所述风机(1)通过塔架(2)安装在悬浮式底座(3)上，悬浮式底座(3)通过斜拉钢缆(5)连接在海底，其特征在于：所述悬浮式底座(3)上还设置有卷扬机构(4)、平衡传感器(6)和实时平衡控制模块，所述卷扬机构(4)对称地设置在悬浮式底座(3)上，所述斜拉钢缆(5)通过卷扬机构(4)与悬浮式底座(3)连接，平衡传感器(6)发出倾斜角度信号控制卷扬机构(4)收缩或伸长斜拉钢缆(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组，其特征在于：所述风机(1)、塔架(2)、悬浮式底座(3)、斜拉钢索(5)组成整体的重心位于水面以下。
3.根据权利要求1所述的一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组，其特征在于：所述卷扬机构(4)和实时平衡控制模块通过蓄电池供电。
4.根据权利要求1所述的一种基于主动平衡控制的海上悬浮式风力发电机组，其特征在于：所述卷扬机构(4)控制斜拉钢缆(5)收缩或伸长的长度计算方法如下：
1)设对称的四个卷扬机构(4)位置为ABCD，以AC连线为X轴，BD连线为Y轴，平衡传感器(6)安装在X轴卷扬机构A附近，风机倾斜时，平衡传感器(6)测得X轴剖面倾斜角度为α，Y轴剖面倾斜角度为β；
2)无风无浪时，风机状态为最初始平衡状态，此时中心控制器接收的信号为：
P0＝(0，0，H0)T
其中H0为初始深度数据，由此可以得出初始斜拉钢缆(5)长度：
L0＝(LA0，LB0，LC0，LD0)T，L0＝f(P0)
其中，LA0、LB0、LC0、LD0分别为卷扬机构A、B、C、D所控制斜拉钢缆(5)的初始长度；
3)风电机组倾斜时，平衡传感器(6)感应倾斜角度，此时中心控制器接收的信号为：
P＝(α，β，H)T
其中α为X轴剖面倾斜角度，β为Y轴剖面倾斜角度，H为深度数据，由此可得出为保持平衡此时斜拉钢缆(5)应有长度：
L＝(LA，LB，LC，LD)T，L＝f(P)
4)与初始斜拉钢缆(5)长度相减可得每个卷扬机构(4)应控制斜拉钢缆(5)收缩或者伸长的长度为：
ΔL＝L-L0＝(LA-LA0，LB-LB0，LC-LC0，LD-LD0)T
其中，负号表示收缩长度，正号表示伸长长度。
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