本發(fā)明涉及一種浮式風機平臺吸波減搖發(fā)電裝置及其主動控制方法，屬于船舶與海洋工程和自動控制領域。

背景技術：

隨著海上風電技術的日益成熟，風電產(chǎn)業(yè)向海上發(fā)展已成為必然趨勢。與陸上風能相比，海上風能儲量豐富，風速高，年平均利用小時長，對人類生活影響小，且靠近沿海用電集中區(qū)。目前海上風電開發(fā)主要集中在淺海，采用固定式支撐平臺，而隨著水深的增加，風速更大大、風切變更小，因此未來海上風電的開發(fā)必然走向深海。

隨著海上風能的開發(fā)逐漸走向更深海域，風機的支撐平臺將會由固定式轉向浮式。浮式支撐平臺由于沒有穩(wěn)定的樁基，在風和浪作用下的運動響應較大，嚴重影響風機的工作效率和安全性，怎樣減小浮式支撐平臺在波浪和風作用下的運動響應是浮式風機的關鍵技術。

在海上風能開發(fā)利用領域，風機形式分為固定式和浮式兩種，固定式風機一般應用于30-50m以下水深的海域，由于其樁基固定在海底，與陸上風機比較相似，目前在應用上并沒有太多技術上的難題，而浮式風機由于沒有穩(wěn)定的基礎，在應用上卻有很多技術上的挑戰(zhàn)，這也是目前海上風能開發(fā)利用進行緩慢的主要原因。在波浪和風的作用下，浮式風機平臺會產(chǎn)生較大的運動響應，嚴重影響風機的工作效率和安全性，怎樣減小風機平臺在波浪和風作用下的運動響應是漂浮式風機的關鍵技術。

本發(fā)明提供一種漂浮式風機平臺吸波減搖發(fā)電裝置的主動控制方法，首先采集來波參數(shù)，傳輸給信號處理裝置，計算出該波浪作用下，吸波浮子在不同位置處的功率，再通過運動控制裝置調(diào)節(jié)吸波浮子位置，使其在來波到達時位于功率最大的位置。本發(fā)明通過控制吸波浮子位置，使其始終位于功率最大的位置，可以使吸波浮子對波浪能的吸收最大化，從而降低傳遞到平臺上的波浪能，即可以有效增加發(fā)電功率，又可以有效降低平臺的運動響應。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種浮式風機平臺吸波減搖發(fā)電裝置及其主動控制方法，可以實時波浪信號主動控制吸波減搖發(fā)電裝置，使其一直處在吸波減搖的最佳位置，大大提高了吸波減搖發(fā)電裝置的效率。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種浮式風機平臺吸波減搖發(fā)電裝置，包括由三個平臺樁腿和用于連接平臺樁腿的撐桿組成的浮式風機平臺，每個平臺樁腿內(nèi)設置有吸波浮子，每個吸波浮子的上端設置有步進電機，步進電機的輸出端連接有直線發(fā)電機動子，且直線發(fā)電機動子的下端上設置有螺紋，緩沖彈簧通過螺紋座與直線發(fā)電機動子的螺紋配合，緩沖彈簧的上端與平臺樁腿的內(nèi)頂連接，每個平臺樁腿的上端安裝有直線發(fā)電機定子，直線發(fā)電機動子的上端部依次穿過緩沖彈簧、平臺樁腿和直線發(fā)電機定子，每個所述平臺樁腿的外表面還設置有一支架，每個支架的端部設置有來波信號采集裝置，支架上還設置有來波信號處理裝置。

本發(fā)明還包括這樣一些結構特征：

1.所述支架由兩塊上下布置的三角板組成，所述來波信號處理裝置設置在兩三角板之間，來波信號采集裝置設置在兩三角板的端部。

2.一種浮式風機平臺吸波減搖發(fā)電裝置的主動控制方法，包括所述的浮式風機平臺吸波減搖發(fā)電裝置，步驟如下：

步驟一：通過來波信號采集裝置采集浮式風機平臺的來波的波高、周期、波速；

步驟二：在步驟一采集到的來波作用下，在吸波浮子的運動范圍內(nèi)，得到吸波浮子在不同位置時的瞬時功率p為：

其中：為吸波浮子在不同位置處的受到的波浪力，m為吸波浮子質(zhì)量，δm為吸波浮子的附加質(zhì)量，為吸波浮子上下運動的加速度，cr為輻射阻尼，為吸波浮子上下運動的速度，z3為吸波浮子上下運動的位移，s為吸波浮子的濕表面積，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度，為平臺樁腿上下運動的速度，z1為平臺樁腿上下運動的位移，ρ為水的密度，g為重力加速度，f3wave為吸波浮子受到的波浪力；

步驟三：調(diào)節(jié)吸波浮子位置，通過步進電機使得吸波浮子在步驟一測得的來波到達時的位置為瞬時功率最大的位置。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的發(fā)電裝置設置了來波參數(shù)采集裝置、來波信號處理裝置和步進電機，來波參數(shù)采集裝置用于采集來波方向某處的波高、波長、波速等波浪參數(shù)，來波信號處理裝置用于計算來波到達時，吸波浮子在不同位置處的功率，吸波浮子運動控制裝置用于調(diào)節(jié)吸波浮子至功率最大的位置，也即本發(fā)明通過設置步進電機、通過信號采集裝置和處理裝置可以使吸波浮子一直處于最佳位置，可以使吸波浮子對波浪能的吸收最大化，從而降低傳遞到平臺上的波浪能，提高了減搖效果和發(fā)電效率，有效降低浮式支撐平臺在波浪下的運動響應，大大提高了吸波減搖發(fā)電裝置的效率，可以提高浮式風機的工作效率和安全性，在海上風能的開發(fā)利用領域可以起到很重要的作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的控制方法流程圖；

圖2是本發(fā)明應用時的剖面示意圖；

圖3是圖2中a部分的局部放大示意圖；

圖4是本發(fā)明的發(fā)電裝置的整體結構示意圖；

圖5是本發(fā)明的發(fā)電裝置中的緩沖彈簧示意圖；

圖6是本發(fā)明的發(fā)電裝置中的直線發(fā)電機動子示意圖；

各圖中編號表示內(nèi)容如下：①吸波浮子；②平臺樁腿；③緩沖彈簧；④直線發(fā)電機定子；⑤直線發(fā)電機動子；⑥撐桿；⑦來波信號采集裝置；⑧來波信號處理裝置；⑨步進電機；⑩支架；直線發(fā)電機動子上的螺紋；緩沖彈簧的螺紋座。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

結合圖2-6，介紹本發(fā)明的發(fā)電裝置各結構及作用，吸波浮子①主要有兩個作用，一是提供風機平臺所需的浮力，二是吸收波浪能，把波浪能轉換成自身運動的機械能；風機平臺用于支撐風機，包括平臺樁腿②和撐桿⑥；主動控制系統(tǒng)用于調(diào)整吸波浮子與平臺樁腿之間的相對位置，使其一直處于最佳位置，以獲得最佳減搖發(fā)電效果，包括波浪信號采集裝置⑦、信號處理裝置⑧和步進電機⑨；緩沖彈簧③起運動緩沖作用，增加風機平臺的運動阻尼；直線發(fā)電機包括動子⑤和定子④，主要有兩個作用，一是發(fā)電，把吸波浮子轉換的機械能轉換為電能，二是增加風機平臺的運動阻尼，動子⑤與步進電機⑨連接的一端有螺紋與緩沖彈簧的螺紋相匹配，步進電機轉動時用以調(diào)節(jié)吸波浮子與樁腿之間的相對位置。

如圖2所示，在靜水中時，吸波浮子①，步進電機⑨，緩沖彈簧③，平臺樁腿②，直線發(fā)電機的動子⑤和定子④同軸心豎直放置，步進電機的底座固定安裝在吸波浮子的頂部，轉子端固定連接動子⑤，緩沖彈簧的一端固定連接在平臺樁腿的內(nèi)側頂部，另一端與緩沖彈簧通過匹配的螺紋連接，可以相互轉動，直線發(fā)電機的定子固定安裝在平臺樁腿頂部，動子穿過定子和緩沖彈簧；信號處理裝置固定安裝在平臺樁腿上，位于水面之上，兩個支架⑩水平的固定安裝在信號處理裝置上，另一端朝向平臺樁腿迎浪方向，并與豎直的波浪信號采集裝置固定連接，波浪信號采集裝置的下端位于水面之下。

本發(fā)明的工作過程如下：

在波浪的作用下，安裝在樁腿迎浪前方的波浪信號采集裝置采集波浪信息，并將信息傳遞給信號處理裝置，信號處理裝置計算出吸波浮子與平臺樁腿之間的最佳相對位置，然后驅動步進電機轉動，調(diào)節(jié)吸波浮子至與平臺樁腿的最佳相對位置。當波浪到達吸波浮子處，吸波浮子吸收波浪能，把波浪能轉換成其自身運動的機械能，吸波浮子和風機平臺樁腿之間產(chǎn)生相對運動，由于直線發(fā)電機的定子和平臺樁腿固定連接，動子和吸波浮子固定連接，因此，直線發(fā)電機的動子和定子之間也會隨之產(chǎn)生相對運動，產(chǎn)生電能，從而實現(xiàn)吸收波浪能發(fā)電。直線發(fā)電機的動子和定子相互運動發(fā)電過程中，兩者之間產(chǎn)生阻尼，阻止兩者的相互運動，緩沖彈簧通過拉伸與壓縮阻止吸波浮子與平臺樁腿之間的相對運動，這兩種方式都阻止了吸波浮子與平臺樁腿直接相互作用，增加了風機平臺的運動阻尼，降低風機平臺在波浪下的運動響應，提高風機的工作效率和安全性。通過主動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，吸波浮子和平臺樁腿始終在最佳相對位置，大大提高了吸波減搖和發(fā)電的效率。

結合圖1，本發(fā)明的主動控制方法包括：

步驟1：采集平臺來波的波高、周期、波速等參數(shù)。

步驟2：在步驟一采集到的波浪作用下，在吸波浮子的運動范圍內(nèi)，計算吸波浮子在不同位置時的瞬時功率。

步驟3：調(diào)節(jié)吸波浮子位置，使吸波浮子在步驟1測得的波浪到達時位于瞬時功率最大的位置。

步驟1中，通過安裝在平臺來波方向前段的波浪信號采集裝置采集來波參數(shù)。

步驟2通過安裝在平臺上的信號處理裝置實現(xiàn)，信號處理裝置接受到波浪信號采集裝置采集到的來波參數(shù)后，根據(jù)公式(1)計算出吸波浮子在不同位置處的受到的波浪力，再根據(jù)公式(2)計算出吸波浮子在不同位置處的功率。

式中，m為吸波浮子質(zhì)量，δm為吸波浮子的附加質(zhì)量，為吸波浮子上下運動的加速度，cr為輻射阻尼，為吸波浮子上下運動的速度，z3為吸波浮子上下運動的位移，s為吸波浮子的濕表面積，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度，為平臺樁腿上下運動的速度，z1為平臺樁腿上下運動的位移，ρ為水的密度，g為重力加速度，f3wave為吸波浮子受到的波浪力，p為吸波浮子功率。

步驟3通過運動控制裝置實現(xiàn)，根據(jù)步驟1.2算出的吸波浮子最大功率位置，驅動吸波浮子使其在步驟1測得的波浪到達時位于該功率最大位置。

下面給出本發(fā)明的具體工作過程：

初始時，平臺靜浮在水面上，有來波時，位于來波方向某處的來波參數(shù)采集裝置檢測來波的波高、周期、波速等參數(shù)，并傳遞給信號處理裝置。來波信號處理裝置接收到信號后，根據(jù)公式(1)和(2)分別計算來波到達時，吸波浮子在不同位置處受到的波浪力和功率。

式中，m為吸波浮子質(zhì)量，δm為吸波浮子的附加質(zhì)量，為吸波浮子上下運動的加速度，cr為輻射阻尼，為吸波浮子上下運動的速度，z3為吸波浮子上下運動的位移，s為吸波浮子的濕表面積，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度，為平臺樁腿上下運動的速度，z1為平臺樁腿上下運動的位移，ρ為水的密度，g為重力加速度，f3wave為吸波浮子受到的波浪力，p為吸波浮子功率。

算出吸波浮子在來波到達時的最大功率位置后，運動控制裝置調(diào)節(jié)吸波浮子位置，使其在來波到達時位于功率最大的位置。