一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，包括浮式风机

【技术实现步骤摘要】
一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统


[0001]本专利技术涉及海上浮式风机定位
，具体涉及一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统
。

技术介绍

[0002]当今对于能源需求的不断增长以及对全球变暖等自然问题的担忧，人们对于可再生能源的需求和兴趣不断增长，近年来，风电越来越受到欢迎
。
风电有两种类型：陆上风电以及海上风电，海上风电相较于陆上风电具有明显的优势
。
海上风速更高，风能资源丰富；海面摩擦较小，风能质量高，海风有稳定的主导方向，风机能够较长时间稳定运行；海上风机单机容量大，能量输出大；海上风电的发展对环境的负面影响较小，不用占用宝贵的土地资源，对居民的生活影响较小
。
因此，随着海上风机安装技术的逐步完善，海上风电作为发展趋势是可预见的
。
[0003]目前浮式风机都采用系泊系统进行定位，依靠锚链提供的回复力平衡浮式风机所受的环境力，使其固定在一定范围内，具有投资少
、
使用
、
维修方便等特点
。
但是随着风电开发逐渐走向深海，深水系泊系统为了抵抗复杂的极端海况需要将锚链长度和强度设计的过于冗余，导致锚链重量剧增，安装作业也变得更加复杂和困难，成本急剧增加
。
针对上述问题，有人提出了在浮式风机平台上安装不受水深影响的动力定位系统
。
动力定位系统依靠推进器产生的推力使浮式风机自动保持在目标位置和艏向实现定位
。<br/>它的基本原理是通过获得浮式风机当前实时位置与目标位置的偏差，由控制系统计算使浮式风机回到目标位置所需的推力和力矩，再由推进系统实现所需推力，以达到抵抗外界环境力使浮式风机在目标位置附近保持定位的目的
。
动力定位系统虽然出力灵活，定位精度高，但是需要持续不间断工作，功率消耗极为严重
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提出一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，实现了在平静海况条件下只采用系泊系统进行定位，没有能量消耗，系泊系统设计强度大大降低，有效降低锚链成本和安装难度；在极端海况条件下触发动力定位系统进行协作定位，提升浮式风机的定位能力和定位精度，减少了动力定位系统的工作时间，降低功率消耗，提升浮式风机的经济性
。
[0005]为实现上述目的，本申请提出的一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，包括浮式风机
、
强度小的系泊系统
、
动力定位系统；所述浮式风机包括风力发电机
、
半潜式平台；所述系泊系统包括锚链和锚固基础；所述动力定位系统包括与控制系统相连的测量系统
、
推进系统；所述风力发电机安装在半潜式平台上，所述半潜式平台通过锚链与位于海底的锚固基础相连；所述推进系统安装在半潜式平台底部，用于补偿浮式风机的低频运动；所述控制系统的触发模块通过监测浮式风机的运动响应和锚链的最大张力，判断是否开启推进系统：如果浮式风机的运动响应或某一根锚链的最大张力超过预设的安全
限值，则向推进系统发出开启信号，触发推进系统进行协作定位
。
[0006]进一步的，所述测量系统，包括位置传感器
、
张力传感器，所述位置传感器安装在半潜式平台底部，用于实时提供浮式风机的位置和艏向，进而得到运动响应；所述张力传感器安装在每根锚链顶端，用于获取锚链的张力
。
[0007]进一步的，所述锚链的最大张力与浮式风机的位置和艏向的映射关系如下：
[0008]F
Ti
＝
a|DM|
i
[0009]式中：
F
Ti
表示第
i
条锚链的最大张力；
a
表示映射关系系数；
|DM|
i
表示第
i
条锚链的导缆孔与锚点之间的距离；
[0010]为了将系泊系统的定位能力发挥到最大，安全限值设置如下：
[0011]T
safe
＝
nT
MBL
[0012]式中：
T
safe
表示安全限值；
T
MBL
表示锚链的破断张力；
n
表示安全系数
。
[0013]进一步的，所述控制系统的控制策略模块用于得到推进系统需要产生的总推力和力矩，具体为：
[0014][0015]式中：
F
control
表示控制力，即推进系统需要产生的总推力和力矩；
η
表示浮式风机当前的位置和姿态；
η
d
表示期望的定位点位置和姿态；
K
p
表示比例系数，用于控制输出与
(
η
‑
η
d
)
的比例关系；
K
i
表示积分系数，用于控制推进系统工作时段内的
(
η
‑
η
d
)
平均值；
K
d
表示微分系数，用于对推进系统的出力变换作出预测控制
。
[0016]进一步的，所述控制系统的推力分配模块用于得到推进系统中各个推进器的推力和力矩，具体为：
[0017][0018]式中：
W
i
表示第
i
个推进器产生所需推力的功率，个推进器产生所需推力的功率，其中
K
Q
表示推进器的转矩系数，
K
T
表示推进器的推力系数，
D
表示推进器的直径，
ρ
表示海水密度；
T
表示每个推进器产生的推力向量；
B(
α
)
表示推进器的布置矩阵，表示推进器的布置矩阵，其中，
α
i
为第
i
个推进器的推力方向，定义
α
∈R3为包含所有推力方向值向量，
(l
xi
，
l
yi
)
表示第
i
个推进器在水平面内的坐标；
s
表示所需控制力与推进器实际产生的总推力的误差；
Δ
T
i
表示第
i
个推进器的推力变化量；
T
i0
表示上一时刻第
i
个推进器的推力；
Δα
i
表示第
i
个推进器的推力方向变化量；
Q
i
表示第
i
个方向所需控制力与推进器实际产生的总推力的误差权值，定义
Q∈R3×3为包含所有方向误差权值的矩阵；
Ω<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，包括浮式风机
、
强度小的系泊系统
、
动力定位系统；所述浮式风机包括风力发电机
、
半潜式平台；所述系泊系统包括锚链和锚固基础；所述动力定位系统包括与控制系统相连的测量系统
、
推进系统；所述风力发电机安装在半潜式平台上，所述半潜式平台通过锚链与位于海底的锚固基础相连；所述推进系统安装在半潜式平台底部，用于补偿浮式风机的低频运动；所述控制系统的触发模块通过监测浮式风机的运动响应和锚链的最大张力，判断是否开启推进系统：如果浮式风机的运动响应或某一根锚链的最大张力超过预设的安全限值，则向推进系统发出开启信号，触发推进系统进行协作定位
。2.
根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述测量系统，包括位置传感器
、
张力传感器，所述位置传感器安装在半潜式平台底部，用于实时提供浮式风机的位置和艏向，进而得到运动响应；所述张力传感器安装在每根锚链顶端，用于获取锚链的张力
。3.
根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述锚链的最大张力与浮式风机的位置和艏向的映射关系如下：
F
Ti
＝
a|DM|
i
式中：
F
Ti
表示第
i
条锚链的最大张力；
a
表示映射关系系数；
|DM|
i
表示第
i
条锚链的导缆孔与锚点之间的距离；为了将系泊系统的定位能力发挥到最大，安全限值设置如下：
T
safe
＝
nT
MBL
式中：
T
safe
表示安全限值；
T
MBL
表示锚链的破断张力；
n
表示安全系数
。4.
根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述控制系统的控制策略模块用于得到推进系统需要产生的总推力和力矩，具体为：式中：
F
control
表示控制力，即推进系统需要产生的总推力和力矩；
η
表示浮式风机当前的位置和姿态；
η
d
表示期望的定位点位置和姿态；
K
p
表示比例系数，用于控制输出与
(
η
‑
η
d
)
的比例关系；
K
i
表示积分系数，用于控制推进系统工作时段内的
(
η
‑
η
d
)
平均值；
K
d
表示微分系数，用于对推进系统的出力变换作出预测控制
。5.
根据权利要求1所述一种具有触发协作功能的浮式风机动力定位辅助系泊系统，其特征在于，所述控制系统的推力分配模块用于得到推进系统中各个推进器的推力和力矩，具体为：
式中：
W
i
表示第
i
个推进器产生所需推力的功率，个推进器产生所需推力的功率，其中
K
Q
表示推进器的转矩系数，
K
T
表示推进器的推力系数，
D
表示推进器的直径，
ρ
表示海水密度；
T
表示每个推进器产生的推力向量；
B(
α
)
表示推进器的布置矩阵，表示推进器的布置矩阵，其中，
α
i
为第
i
个推进器的推力方向，定义
α
∈R3为包含所有推力方向值向量，
(l
xi
，
l
yi
)
表示第
i
个推进器在水平面内的坐标；
s
表示所需控制力与推进器实际产生的总推力的误差；
Δ
T
i
表示第
i
个推进器的推...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔东生，李慧敏，闫俊，唐国强，吕林，欧进萍，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：