本实用新型涉及海上漂浮式风力机组发电领域，特别涉及一种三浮筒漂浮式风机偏航稳定性控制装置。
背景技术：
风能是一种可再生的清洁能源，因为对环境污染小，且资源丰富储量巨大，已成为各国新能源开发和利用的战略选择。作为一种缓解世界能源危机的战略性产业，风电产业在世界各地快速发展。近年来，随着陆地上可开辟风电场日益减少，海上风电场成为风电产业发展新的增长点。截至2018年底，全球海上风电装机容量约为22000mw，我国海上风电装机容量已达到3630mw。到2020年底，我国海上风电装机容量将达到5000mw以上。海上风电机组正不断朝着大型化方向发展，国外已有8mw、9mw、9.5mw等系列机型相继推出；国内4mw-6mw机组将批量进入海上风电场，单机容量达7.25mw的海上风电机组也已安装。
目前，已经提出的海上风力发电机组漂浮式平台结构主要有单柱结构(spar结构)、张力腿结构和三浮体结构等。在上述几种结构中，三浮体式结构简单，后期安装、维护方便，是目前产业界具有浓厚兴趣的一种发展模式，也是本实用新型研究的结构模式。随着风速和风向发生变化，风机组的受力状态亦随之变化，尤其当风向变化角度大时，在风力发电机组启动偏航系统转动机舱对风的过程中，必然破坏整体平衡力矩，从而导致整机倾翻事故发生。
因此，本实用新型提出一种漂浮式风机偏航稳定性的控制方法和装置，对实现海上风力发电机组偏航稳定运行的发展有积极意义。
技术实现要素：
为了解决上述的技术问题，本实用新型设计一种漂浮式风机偏航稳定性的控制方法和装置。
本实用新型的工作原理是：当风向风力发生变化，偏航系统在转动机舱对风的运转过程中，不仅载荷大小发现变化，塔筒顶部推力通过塔筒传递到漂浮式平台后形成的力矩方向也时刻变化，导致漂浮式平台产生倾斜时，需要动态调节压舱水，改变漂浮式平台压舱水的质量分布来平衡机组的倾斜弯矩，以保证整机运行的平稳状态。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种漂浮式风机偏航稳定性控制装置，包括三浮筒漂浮式平台，传感检测装置，数据处理与控制装置和水位调节装置。所述三浮筒漂浮式平台连接固定在塔筒下端；所述传感检测装置包括设置在塔筒上部结构机舱上的风速风向传感器、温湿度传感器、大气压力传感器，设置在漂浮平台上的水位传感器和倾角传感器；所述数据处理与控制装置设置在塔筒内；所述的水位调节装置包括设置在三浮筒漂浮式平台的水泵、联通管。
所述三浮筒漂浮式平台，包括有三个空心封闭的钢制圆罐浮筒、压舱水、端盖、压水板，所述压舱水装在浮筒里，所述端盖固定在浮筒顶端，所述塔筒用法兰固定在其中一个浮筒的盖板上，所述压水板固定在压水舱浮筒底端。
所述联通管为单向通道，呈等边三角形分别与三个钢制圆罐压水舱浮筒相连；所述水泵各布置一个在浮筒压舱水内，对三个浮筒内的压舱水进行抽送。
所述传感检测装置包括温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向传感器、水位传感器和倾角传感器，温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向传感器、水位传感器和倾角传感器用以采集信号并上传；所述数据处理与控制装置用以分析采集的温湿度和大气压力信号计算出空气密度，并结合风速风向信号，利用叶素动量理论计算出气动载荷，从而根据整体结构力矩平衡求得水位调节的方向；所述数据处理与控制装置分析所述倾角传感器测得平台x，y方向转动角，经坐标转换计算漂浮平台倾斜高度位置信息获得水位调节具体方向，从而启动水位调节装置并调整三浮筒内压舱水的质量分布。
所述的一种漂浮式风机偏航稳定性控制方法和装置中，利用温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向传感器检测的信号分析的水位调节方向和利用倾角传感器检测信号获得的水位调节方向，两者一致则启动水位调节装置，否则触发报警提示。
所述水位调节装置的启动还需满足一个条件，即最高与最低浮筒位置的高度差达到设定值δh。
所述水位调节装置的启动包括利用控制器运行相对最低位置浮筒内的水泵往最高位置的浮筒抽送压舱水，以重新调整漂浮式平台的质量分布，保证整机运行的稳定。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型的一种漂浮式风机偏航稳定性控制方法和装置解决风速风向变化时整机稳定性控制问题。
(2)本实用新型的一种漂浮式风机偏航稳定性控制方法和装置在偏航对风的过程中，能够自动调整以保证整机运行的平稳，而无需人工干预。
(3)本实用新型的一种漂浮式风机偏航稳定性控制方法和装置为未来漂浮式风电机组控制稳定性提供了一种方案。
附图说明
图1是本实用新型控制装置的结构示意图。
图2是本实用新型整体结构受力分析示意图。
图3是本实用新型三维坐标系转换算法示意图。
图4是本实用新型数据处理与控制装置结构图。
图5是本实用新型装置涉及的控制方法方案流程图。
图中：1—圆罐压水舱浮筒2—联通管3—倾角传感器4—端盖5—水泵6—压舱水7—系泊线8—压水板9—连接杆10—水位传感器11—数据处理与控制装置12—塔筒13—风速风向传感器14—温湿度传感器15—大气压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本实用新型作进一步详细的描述。
如图1～图5所示，本实用新型提供的一种漂浮式风机偏航稳定性的控制装置，包括三浮筒漂浮式平台，传感检测装置，数据处理与控制装置和水位调节装置。所述传感检测装置包括利用温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向传感器、水位传感器和倾角传感器采集信号并上传；所述数据处理与控制装置分析采集的温湿度和大气压力信号计算出空气密度，并结合风速风向信号，利用叶素动量理论计算出气动载荷，从而根据整体结构力矩平衡求得水位调节的方向；所述数据处理与控制装置分析所述倾角传感器测得平台x，y方向转动角，经坐标转换计算漂浮平台倾斜高度位置信息获得水位调节具体方向，从而启动水位调节装置调整三浮筒内压舱水的质量分布。
如图1所示，所述三浮筒漂浮式平台和水位调节装置包括圆罐压水舱浮筒1、联通管2、端盖4、水泵5、压舱水6、系泊线7、压水板8和连接杆9；圆罐压水舱浮筒1的数量为三个，且各个圆罐压水舱浮筒1为空心封闭的钢制结构；三个圆罐压水舱浮筒1呈等边三角形布设，且通过联通管2相联通；联通管2与三个呈等边三角布设的圆罐压水舱浮筒1顶部相连；所述连接杆9与三个呈等边三角布设的圆罐压水舱浮筒1底部相连；所述端盖4固定在圆罐压水舱浮筒1的顶端，所述塔筒12通过法兰固定在其中一个圆罐压水舱浮筒1的端盖4上；所述压水板8固定在浮筒底端，圆罐压水舱浮筒1内装有一定量的压舱水6；所述水泵5布置各个在圆罐压水舱浮筒1的压水舱内，所述系泊线7设置在压水舱浮筒底部，所述漂浮平台通过系泊线7与海底连接。
所述传感检测装置包括设置在三浮筒漂浮式平台上的倾角传感器3和水位传感器10，以及设置在塔筒上部结构中机舱上的风速风向传感器13、温湿度传感器14和大气压力传感器15。
如图1、2所示，所述联通管2采用的是单向流向通道，即水泵5通过联通管2抽水输送到相应浮筒的流向为i号浮筒抽送压舱水向ii号浮筒，ii号浮筒抽向送压舱水iii号浮筒，iii号浮筒抽送压舱水向i号浮筒。
如图1、4所示，风向风速传感器13采用由超声波信号发生器以及超声波信号接收器组成的超声波风向风速传感器，温湿度传感器14采用数字式温湿度传感器，大气压力传感器15采用数字式大气压传感器，所检测到的风速、风向信号、温湿度信号和大气压值信号，通过运用叶素动量理论，用来计算风机风轮处的水平气动推力；水位传感器10采用投入式的数字式水位传感器，检测到的信号是用来实时监测漂浮平台的三个圆罐压水舱浮筒内压舱水6的水位情况；倾角传感器3采用双轴倾角传感器，检测到的信号是漂浮平台的实际倾斜角度，通过运用三维坐标转换的算法，用来计算三个圆罐压水舱浮筒在原始稳定状态下三维坐标系的相应位置坐标。
如图4所示，所述数据处理与控制装置11选用stm32f429单片机作为整个装置的中央处理模块；传感检测装置与数据与处理装置(11)连接；所述风速风向传感器13和大气压力传感器15采集到的风速、风向信号和大气压值信号后，经过信号放大，a/d转换器，将模拟信号转换为数字信号然后传递到中央处理系统；所述倾角传感器3采集到的漂浮平台的倾斜角度信号，所述水位传感器10采集到的压舱水水位高度信号和所述温湿度传感器14采集到温湿度信号后直接传递给中央处理系统进行分析处理。
如图1～图5所示，本实用新型的一种漂浮式风机偏航稳定性的控制方法，其操作方法的实施步骤如下：
(1)传感检测装置对信号的采集与传输；
如图4所示，传感检测装置所需要采集的信号为温湿度信号、大气压值信号、风速风向信号、压舱水水位高度信号和漂浮平台的倾斜角度信号，分别利用风速风向传感器13、温湿度传感器14、大气压力传感器15、水位传感器10以及倾角传感器3通过采集卡实现测量，并上传到数据处理和控制装置11。
(2)数据处理与控制装置对所采集信号的分析与处理；
如图5所示，数据处理和控制装置11对传感检测装置采集到信号的进行分析和处理。风速风向传感器13检测到的风速、风向信号，温湿度传感器14检测到的温湿度信号，大气压力传感器15检测到的大气压值信号，通过运用叶素动量理论，用来计算风机风轮处的水平气动推力；水位传感器10检测到的信号是用来实时监测漂浮平台的三个浮筒内压舱水水位情况；倾角传感器3检测到的信号是漂浮平台的倾斜角度，通过运用三维坐标转换的算法，用来计算三个浮筒在固定三维坐标系下的相应坐标。
(a)计算空气密度；
根据温湿度传感器14检测的温湿度信号，大气压力传感器15检测的大气压值信号，计算出空气密度，表达式如下：
式中，pma为湿空气的全压力，ps为温度为t时的饱和空气中水蒸气的分压力，
(b)计算风机风轮处的水平气动推力；
风轮旋转过程中，承受的风载荷采用叶素动量理论(bladeelementmomenttheroy,bem)进行计算。结合风速风向传感器13检测到的风速、风向信号，根据bem理论，作用在叶素上气动力dfr分解为轴向力分量，表达式如下：
即可得水平气动推力：
式中，v0为轴向风速；c为半径r处的叶片弦长；
(c)对整体结构作受力分析，根据力矩平衡关系，判断三个浮筒内压舱水的调节方向；
如图2所示，设i号、ii号、iii号圆罐压水舱浮筒的浮力和压舱水重分别为ff1、ff2、ff3和gw1、gw2、gw3，i号圆罐压水舱浮筒自重及浮筒上部结构(包括塔筒和塔筒上部结构的机舱、轮毂、风轮等)为gs1，ii号、iii号圆罐压水舱浮筒的自重分别为gs2、gs3，风轮所受水平气动力为ft，上述的所有力对x，y，z轴三个方向产生的力矩列mx、my、mz平衡方程如下：
根据平衡方程计算出三个圆罐压水舱浮筒内压舱水重，即判断出压舱水的调节方向。
(d)计算三个圆罐压水舱浮筒在固定三维坐标系下的相应坐标；
如图3所示，设坐标系(xt,yt,zt)固定在倾角传感器3处但不随平台动荡，坐标系(xr,yr,zr)固定在倾角传感器3处且在外部载荷作用下随漂浮平台平动或转动。根据倾角传感器3测量的漂浮平台的倾斜角度，坐标系(xr,yr,zr)在转动关系上看作是由坐标系(xt,yt,zt)绕x轴旋转θtx，绕y轴旋转θty，绕z轴旋转θtz后所得。
三维坐标的转换公式为：
式中，atr(θtx)，atr(θty)，atr(θtz)分别是坐标系(xt,yt,zt)绕x轴旋转θtx，绕y轴旋转θty，绕z轴旋转θtz后的坐标系(xr,yr,zr)的转换矩阵。由于系泊线对漂浮平台的稳定作用，不考虑漂浮平台的平动、绕z轴转动的情况，即忽略转换矩阵atr(θtz)。
设三个圆罐压水舱浮筒1的底部圆半径用r表示，相互间的连接杆9长度用l表示，则在坐标系(xr,yr,zr)中，i号、ii号、iii号圆罐压水舱浮筒底部中心的坐标分别表示为
故，i号、ii号、iii号圆罐压水舱浮筒在坐标系(xt,yt,zt)中的坐标表示为，
即求得三个圆罐压水舱浮筒在z方向的坐标z1，z2，z3。
(3)水位调节装置的运行与停止；
如图4所示，数据处理与控制装置11通过控制器控制启动水位调节装置，运行最低位置圆罐压水舱浮筒内的水泵往最高位置的圆罐压水舱浮筒抽送压舱水，以调整漂浮式平台的质量分布，保证整机运行的稳定。
(a)水位调节装置的运行；
设
(b)水位调节装置的停止；
根据倾角传感器3上传的实时信号，经过数据处理与控制装置11的分析和处理，计算出最高与最低位置圆罐压水舱浮筒新的高度差，若不满足za-zb＞δh，则数据处理与控制装置11向水位调节装置发出停止工作的指令，即水泵不再抽送压舱水。此时，i号、ii号、iii号圆罐压水舱浮筒内的压舱水完成了相应的质量分配比。
此外，本实用新型提供的一种漂浮式风机偏航稳定性控制方法和装置，还包括在紧急情况下触发报警提示。所述的紧急情况包括上述步骤(2)中步骤(b)判断出的压舱水的水位调节方向与上述步骤(3)中步骤(a)的运行水泵抽送压舱水的方向不一致；包括水位传感器10检测到的圆罐压水舱浮筒压舱水高度为0。
以上具体实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的保护范围应由权利要求限定。
1.一种漂浮式风机偏航稳定性的控制装置，其特征在于：包括三浮筒漂浮式平台、传感检测装置、数据处理与控制装置和水位调节装置；所述传感检测装置包括温湿度传感器、大气压力传感器、风速风向传感器、水位传感器和倾角传感器；
所述三浮筒漂浮式平台和水位调节装置包括圆罐压水舱浮筒(1)、联通管(2)、端盖(4)、水泵(5)、压舱水(6)、系泊线(7)、压水板(8)和连接杆(9)；圆罐压水舱浮筒(1)的数量为三个，且各个圆罐压水舱浮筒(1)为空心封闭的钢制结构；三个圆罐压水舱浮筒(1)呈等边三角形布设，且通过联通管(2)相联通；联通管(2)与三个呈等边三角布设的圆罐压水舱浮筒(1)顶部相连；所述连接杆(9)与三个呈等边三角布设的圆罐压水舱浮筒(1)底部相连；所述端盖(4)固定在圆罐压水舱浮筒(1)的顶端，塔筒(12)通过法兰固定在其中一个圆罐压水舱浮筒(1)的端盖(4)上；所述压水板(8)固定在浮筒底端，圆罐压水舱浮筒(1)内装有一定量的压舱水(6)；所述水泵(5)布置各个在圆罐压水舱浮筒(1)的压水舱内，所述系泊线(7)设置在压水舱浮筒底部，所述漂浮式平台通过系泊线(7)与海底连接；
所述传感检测装置包括设置在三浮筒漂浮式平台上的倾角传感器(3)和水位传感器(10)，以及设置在塔筒上部结构中机舱上的风速风向传感器(13)、温湿度传感器(14)和大气压力传感器(15)；
所述数据与处理装置(11)选用stm32f429单片机作为整个装置的中央处理模块；传感检测装置与数据与处理装置(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机偏航稳定性的控制装置，其特征在于：所述联通管(2)采用的是单向流向通道，即水泵(5)通过联通管(2)抽水输送到相应浮筒的流向为i号圆罐压水舱浮筒抽送压舱水向ii号圆罐压水舱浮筒，ii号圆罐压水舱浮筒抽向送压舱水iii号圆罐压水舱浮筒，iii号圆罐压水舱浮筒抽送压舱水向i号圆罐压水舱浮筒。
3.根据权利要求1所述的一种漂浮式风机偏航稳定性的控制装置，其特征在于：风速风向传感器(13)采用由超声波信号发生器以及超声波信号接收器组成的超声波风向风速传感器，温湿度传感器(14)采用数字式温湿度传感器，大气压力传感器(15)采用数字式大气压传感器。
技术总结