專利名稱：深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種平衡控制系統，特別是一種深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統。
背景技術：
隨著全球能源短缺、能源供應安全形勢的日趨嚴峻，可再生能源以其清潔、安全、 永續的特點，在各國能源戰略中的地位不斷提高。風能作為可再生能源中成本較低、技術較成熟、可靠性較高的新能源，近年來發展很快并在新能源供應中發揮重要作用。
我國的風力發電在20世紀80年代開始發展。2010年，我國除臺灣省外其他地區共新增風電裝機18. 93GW，保持全球新增裝機容量第一的排名。中國正在對漫長海岸線上的海上風電開發前景進行細致的調研。2010年，首批海上風電項目——上海東海大橋10萬 Kff已完成組裝，安裝了 34臺華銳3MW風機。海上風電的開發和建設，將為可再生能源的發展做出重要貢獻。
海上風電機組中，懸浮式海上風電機組安裝簡單，便于遷移和制造，而且安裝成本比海上塔架式風電機組低，得到了廣泛的應用。
但海風的風力等級相比陸地風力等級要大很多，一旦遇到風速過大或者海浪過大，這些懸浮式風電機組傾斜角度會比較大，極易發生整體傾翻甚至毀機的事故。而且現有設計中對風電機組的控制基本都是被動式的，多數都是發現故障進行維修，缺少主動性。發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，克服了現有深海懸浮風力發電機組被動平衡控制存在的缺陷。
為了解決上述的技術問題，本發明的技術方案是一種深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，包括風機、塔架、懸浮平臺、斜拉鋼纜以及控制風機工作的風機中心控制器，所述風機安裝在塔架上，塔架樹立在懸浮平臺上，懸浮平臺通過斜拉鋼纜連接在混凝土墩上。
所述懸浮平臺上還設置有監測懸浮平臺傾斜角度的傳感器、集成在風機中心控制器中的實時平衡控制模塊和螺旋槳，傳感器實時監測懸浮平臺傾斜角度信號，實時平衡控制模塊接收傾斜角度信號，經過分析計算控制螺旋槳工作維持風機保持平衡。
所述風機、塔架、懸浮平臺、斜拉鋼索及混凝土墩組成整體的重心位于水面以下， 以保證在風機正常運轉過程中，輕微的傾斜不致使風機傾翻。
懸浮平臺上對稱安裝有三根斜拉鋼纜，用于牽引懸浮平臺，斜拉鋼纜對懸浮平臺沒有支撐作用，僅有限制平臺在一定范圍內的作用。
所述風機中心控制器通過蓄電池供電，風機正常工作時，通過轉換器給蓄電池充電，以保證其能夠正常提供控制器所需電能。
所述懸浮平臺下裝有對稱的三個螺旋槳，螺旋槳控制計算方法如下
三個螺旋槳分別標記為A、B、C，在X軸螺旋槳A附近安裝傳感器，風機傾斜時，傳感器測得X軸剖面傾斜角度為α，Y軸剖面傾斜角度為β ；
中心控制器接受的信號為
θ。= (α , β)τ
螺旋槳機構狀態方程為N = (nA, nB, nc)τ
其中，nA、nB、ne可為正，可為負，分別表示螺旋槳A、B、C的轉速，當為負時，代表螺旋槳反轉，當為正時，代表螺旋槳正轉，螺旋槳轉速方向不同，推力方向相反；
海上風浪較小時，風機狀態近似為平衡狀態，此時中心控制器接收的信號為
θ0 = (η, ξ)τ
其中，n，ξ代表懸浮平臺在X軸，Y軸傾斜的較小角度；
可以得出初始螺旋槳機構轉速
N0 = (0,0,0)T,N0 = f(0o)
風電機組傾斜時，傳感器感應傾斜角度，此時中心控制器接收的信號為
θ = (α , β )τ
其中α為X軸剖面傾斜角度，β為Y軸剖面傾斜角度；
可分析計算得出為保持平衡此時螺旋槳應有的轉速
N= (nA，nB，nc)T，N= f(0)
本發明深海懸浮式的的主動平衡控制系統能有效的防止由于風速較高或海浪較大而引起的傾斜甚至傾翻，確保風電機組安全，提高風力發電效率。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖1為本發明示意圖2為風力發電機組的仰視圖3為平衡控制流程圖4為風力發電機組傾斜時示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，包括風機1、塔架2、 懸浮平臺3、斜拉鋼纜6以及控制風機工作的風機中心控制器，所述風機1安裝在塔架2上， 塔架2樹立在懸浮平臺3上，懸浮平臺3通過斜拉鋼纜6連接在混凝土墩7上。
所述懸浮平臺3上設置有監測懸浮平臺3傾斜角度的傳感器4、集成在風機中心控制器中的實時平衡控制模塊和螺旋槳5，傳感器4實時監測懸浮平臺3傾斜角度信號，實時平衡控制模塊接收傾斜角度信號，經過分析計算控制螺旋槳5工作維持風機1保持平衡
圖2為風機仰視圖，三個對稱圓形分別為三根鋼纜固定位置，三個螺旋槳5標記為 A、B、C。為示意方便，在圖中標出X軸和Y軸，在懸浮平臺安裝傳感器4。風機傾斜時，傳感器4測得X軸剖面傾斜角度為α，Y軸剖面傾斜角度為β。風機傾斜角度的測量通過VTI 公司的SCA100T系列2自由斜角計來實現。
中心控制器接受的信號為
θ。= (α , β)τ
螺旋槳5機構狀態方程為N = (nA, nB, nc)τ
其中，ηΑ、ηΒ、η。可為正，可為負，分別為螺旋槳5各自的轉速，當為負時，代表螺旋槳5反轉，當為正時，代表螺旋槳5正轉。螺旋槳5轉速方向不同，推力方向相反。
海上風浪較小時，風機狀態近似為平衡狀態，此時中心控制器接收信號為
θ0 = (η, ξ)τ
其中，η，ξ代表平臺在X軸，Y軸傾斜的較小角度。
可以得出初始螺旋槳5轉速
N0 = (0,0,0)T,N0 = f(0o)
風電機組傾斜時，傳感器4感應傾斜角度，此時中心控制器接收的信號為
θ = (α , β )τ
其中α為X軸剖面傾斜角度，β為Y軸剖面傾斜角度。
由此可得出為保持平衡此時螺旋槳應有的轉速
N = (nA, nB, nc)T, N = f ( θ )
實時平衡控制模塊的控制方式采用模糊控制。
圖3為實時平衡控制模塊內部控制流程。傳感器4實時檢測懸浮式底座的傾斜角度，并與平衡閥值比較。當風機在一定小的傾斜角度下，認為是平衡狀態，只有傳感器4角度絕對值信號都大于平衡閥值時，才通過計算進行控制輸出。一般模糊控制器包括輸入量模糊化接口、模糊推理機、數據庫、規則庫、模糊推理機和輸出量解模糊接口。
模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能使用并進行模糊控制器的求解，模糊化接口就是模糊控制器的輸入接口，用來將特定的輸入量轉換成一個模糊量。對于輸入傾角變量，取模糊子集為{NB，NS, Z0, PS, PB}。對于輸入變量α，角度在-10度到10度范圍內設定為Ζ0，角度在-30到-10范圍內設定為NS，角度在-30以上時設定為ΝΒ，角度在10到30 范圍內設定為PS，角度在30以上時設定為ΡΒ。對于另一個輸入變量β，同樣設定。如圖4 所示，X軸正方向向下傾斜時角度α為正，同樣，Y軸正方向向下傾斜時角度β為正。
輸入變量經過模糊化接口后，轉換成模糊矢量，在模糊推理機中推理得出模糊控制量，在本發明中，模糊控制量就是三個螺旋槳5的轉速以及方向。一般模糊推理的結果一般都是模糊值，不能直接用來作為被控制對象的控制量，因此要將得到的模糊控制量經過解模糊接口轉化成一個可以被執行機構所實現的精確量。在本發明中，解模糊接口輸出的控制量為各個螺旋槳電氣量。
表1為模糊控制規則表，存放在規則庫里。規則庫用來存放全部模糊控制規則，在推理時為推理機提供控制規則。表中數據為螺旋槳Α、B、C轉速歸一化后的數值，例如數據 1表示正向最大轉速。注意，表中數據以及實舉例數據僅為方便對專利的理解，沒有任何限定作用。
表 權利要求
1.一種深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，包括風機(1)、塔架O)、懸浮平臺(3)、斜拉鋼纜(6)以及控制風機(1)工作的風機中心控制器，所述風機(1)安裝在塔架(2)上，塔架( 樹立在懸浮平臺C3)上，懸浮平臺C3)通過斜拉鋼纜(6)連接在混凝土墩(7)上，其特征在于所述懸浮平臺C3)上還設置有監測懸浮平臺C3)傾斜角度的傳感器 G)、集成在風機中心控制器中的實時平衡控制模塊和螺旋槳(5)，傳感器(4)實時監測懸浮平臺( 傾斜角度信號，實時平衡控制模塊接收傾斜角度信號，經過分析計算控制螺旋槳( 工作維持風機(1)保持平衡。
2.根據權利要求1所述的深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，其特征在于所述風機(1)、塔架O)、懸浮平臺(3)、斜拉鋼索(6)及混凝土墩(7)組成整體的重心位于水面以下。
3.根據權利要求1所述的深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，其特征在于所述風機中心控制器通過蓄電池供電，風機(1)正常工作時，通過轉換器給蓄電池充電，以保證其能夠正常提供控制器所需電能。
4.根據權利要求1所述的深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，其特征在于所述懸浮平臺( 下裝有對稱的三個螺旋槳(5)。
5.根據權利要求1所述的深海懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，其特征在于螺旋槳控制計算方法如下三個螺旋槳( 分別標記為A、B、C，在X軸螺旋槳A附近安裝傳感器，風機(1)傾斜時，傳感器(4)測得X軸剖面傾斜角度為α，Y軸剖面傾斜角度為β ； 中心控制器接受的信號為 θ0 = (α , β)τ螺旋槳機構狀態方程為N = (nA, nB, nc)T其中，nA、nB、可為正，可為負，分別表示螺旋槳A、B、C的轉速，當為負時，代表螺旋槳 (5)反轉，當為正時，代表螺旋槳(5)正轉，螺旋槳(5)轉速方向不同，推力方向相反； 海上風浪較小時，風機狀態近似為平衡狀態，此時中心控制器接收的信號為 θ。= (η, ξ)τ其中，n，ξ代表懸浮平臺(3)在X軸，Y軸傾斜的較小角度； 可以得出初始螺旋槳(5)轉速 N0 = (o，o，o)t，n0 = f(e0)風電機組傾斜時，傳感器(4)感應傾斜角度，此時中心控制器接收的信號為θ = (α , β)τ其中α為X軸剖面傾斜角度，β為Y軸剖面傾斜角度； 可分析計算得出為保持平衡此時螺旋槳( 應有的轉速 N= (nA，nB，nc)T，N = f(9)。
全文摘要
本發明公開了一種海上懸浮式風力發電機組的主動平衡控制系統，該系統中風機和塔架固定在懸浮平臺上，在懸浮平臺上裝置三個螺旋槳，懸浮平臺通過鋼纜系在海底的固定混凝土墩上；當風速較高或海浪較大，機組向某個方向傾斜或出現較大波動，傳感器檢測風機平臺傾斜角度信號，集成在中心控制器中的實時平衡控制模塊接收信號，經過分析計算，控制螺旋槳機構的轉速與轉向來保證風機平衡，防止由于風速較高或海浪較大而傾斜甚至傾翻，確保風電機組安全。
文檔編號G05D3/12GK102495637SQ20111036693
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者湯奕, 王 琦, 賈麗娟, 高丙團 申請人:高丙團