本發(fā)明涉及風力發(fā)電，具體涉及一種主動控制的半潛式大型海上風電平臺及其使用方法。

背景技術：

1、海上漂浮式風力發(fā)電技術近年來發(fā)展迅速，尤其是在深遠海區(qū)域，漂浮式風電平臺因其無需固定基礎的特點，成為解決深水風能開發(fā)問題的重要技術手段。目前主流的漂浮式平臺結(jié)構(gòu)形式包括半潛式、單柱式和張力腿式，其中半潛式平臺因其良好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性被廣泛應用于大型風力發(fā)電項目中。

2、然而，現(xiàn)有的半潛式平臺在復雜海況下仍存在明顯的技術局限性。傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)設計無法有效應對風浪載耦合作用帶來的復雜動載荷，導致平臺傾覆的風險增加，平臺穩(wěn)定性不足；同時，現(xiàn)有平臺通常采用固定的結(jié)構(gòu)形式，難以針對不同的風浪工況做出靈活調(diào)整，無法在多變的海洋環(huán)境中實現(xiàn)最優(yōu)性能。在面臨極端惡劣海況時，單個立柱或浮體往往承受過大的載荷，容易引發(fā)局部結(jié)構(gòu)失效，從而影響平臺整體穩(wěn)定性和使用壽命。針對上述問題，近年來研究者嘗試通過平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運動控制策略改善其穩(wěn)定性。然而，大多數(shù)研究僅局限于平臺被動響應的優(yōu)化設計，缺乏主動調(diào)控能力，無法動態(tài)應對風浪方向和強度的變化。特別是在復雜工況(如風浪方向不一致)下，現(xiàn)有技術難以平衡抗傾覆穩(wěn)定性與波浪激勵力間的矛盾。因此，為了進一步提升海上漂浮式風電平臺的普適性和穩(wěn)定性，亟需一種能夠主動調(diào)控平臺結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新技術方案，以實現(xiàn)針對不同工況的高效響應。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有海上漂浮式風力發(fā)電平臺在復雜海況下穩(wěn)定性不足、結(jié)構(gòu)形式單一以及載荷分布優(yōu)化效果不佳的問題，提供一種具備主動調(diào)控能力的半潛式大型海上風電平臺及其使用方法。通過平臺結(jié)構(gòu)形式的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)抗風浪性能和載荷分布的優(yōu)化，提高平臺在不同工況下的穩(wěn)定性和適應能力，同時降低單一立柱或浮體的受力壓力，延長平臺使用壽命。

2、本發(fā)明公開了一種主動控制的半潛式大型海上風電平臺，

3、一、一種主動控制的半潛式大型海上風力發(fā)電平臺

4、包括：

5、風機塔架，設置于平臺中央，通過連接架與配重塊直接相連，塔架頂部安裝有風速傳感器和中央控制器；

6、配重塊，通過多個呈120°分布的鉸接座與可調(diào)節(jié)安裝支架連接，位于平臺底部；

7、可調(diào)節(jié)安裝支架，包括支撐連桿、鉸接支架和滑動環(huán)；通過支撐連桿連接滑動環(huán)、鉸接支架和配重塊；

8、浮子組件，包括多個等間距分布的異形浮子，通過螺栓與鉸接支架連接；

9、主動控制系統(tǒng)，包括風速傳感器、姿態(tài)傳感器、中央控制器和調(diào)節(jié)組件，用于接受環(huán)境信號并發(fā)送平臺形式調(diào)節(jié)信號；

10、調(diào)節(jié)組件，包括保護罩、電機、聯(lián)軸器、換向器和姿態(tài)傳感器，用于調(diào)節(jié)平臺形式。

11、所述浮子組件由六個按120°等間距分布的異形浮子組成，分為單數(shù)組浮子組件和雙數(shù)組浮子組件；單數(shù)組浮子組件由浮子組件中第一個、第三個和第五個異形浮子組成；雙數(shù)組浮子組件由浮子組件中第二個、第四個和第六個異形浮子組成。

12、每個異形浮子通過螺栓與鉸接支架固定連接，異形浮子外表面為半圓球形，內(nèi)表面為成140°夾角的斜截面，中部設置有供支撐連桿旋轉(zhuǎn)的中空結(jié)構(gòu)；每個異形浮子外表面安裝有錨鏈架，用于連接錨鏈，內(nèi)表面的斜截面用于為連桿轉(zhuǎn)動提供限位。

13、所述錨鏈架設置于異形浮子質(zhì)心的水平延長線上，以確保受力平衡。

14、所述支撐連桿分為三根上部連桿、六根中部連桿和三根下部連桿；三根上部連桿上端分別鉸接連接至滑動環(huán)周向布置的鉸接座上，滑動環(huán)為中空圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，表面分布有多個呈120°等間隔布置的鉸接座；三根上部連桿下端分別與安裝有單數(shù)組浮子組件的三個鉸接支架鉸接相連；六根中部連桿首尾相接，相鄰兩根中部連桿通過鉸接支架鉸接連接，每個鉸接支架上安裝有一個異形浮子，六個異形浮子按120°等間距分布組成浮子組件；三根下部連桿上端分別與安裝有雙數(shù)組浮子組件的三個鉸接支架連接，下端分別鉸接連接至配重塊周向表面呈120°等間隔布置的多個鉸接座上。

15、鉸接支架為十字交叉圓盤結(jié)構(gòu)，十字交叉圓盤結(jié)構(gòu)由兩塊交叉后截面呈十字的圓盤組成，用于連接支撐連桿和異形浮子，每個十字交叉圓盤結(jié)構(gòu)左右兩端連接有中部連桿。

16、所述滑動環(huán)的每個鉸接座上安裝有調(diào)節(jié)組件；調(diào)節(jié)組件內(nèi)部設置的姿態(tài)傳感器、系統(tǒng)外部的波高計、風機塔頂?shù)娘L速計和中央控制器共同構(gòu)成主動控制系統(tǒng)；調(diào)節(jié)組件內(nèi)固定的調(diào)節(jié)電機和鉸接支架上固定的卡緊電機共同組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)電機固定于滑動環(huán)的鉸接座上用于調(diào)節(jié)上部連桿轉(zhuǎn)動；所述調(diào)節(jié)組件還包括安裝于十字交叉圓盤結(jié)構(gòu)上的卡緊裝置，卡緊裝置由卡緊控制電機、絲杠、卡緊擋塊組成，上部連桿與十字交叉圓盤結(jié)構(gòu)連接的端部外表面呈棘輪狀，卡緊擋塊通過卡住上部連桿的棘輪以固定調(diào)整后的支撐連桿位置，防止在極端海況下發(fā)生松動。風機塔架上套裝有可沿風機塔架上下滑動的滑動環(huán)，滑動環(huán)通過銷軸與支撐連桿連接。

17、調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制可調(diào)節(jié)安裝支架的連桿和卡緊裝置的卡緊擋塊的運動，具體為：調(diào)節(jié)組件內(nèi)的電機在接收到改變形態(tài)的命令后，通過聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動動能傳遞給換向器，換向器內(nèi)部存在多級傳動齒輪，將電機輸出的高轉(zhuǎn)速小扭矩轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速大扭矩，并帶動上部連桿運動，進而聯(lián)動中部連桿和下部連桿的運動；鉸接支架上的電機在接收到控制命令后驅(qū)動絲杠使卡緊擋塊靠近或遠離上部連桿的棘輪，從而實現(xiàn)卡緊或松開的功能。所述配重塊采用高密度混凝土或鋼材制成，內(nèi)部設置加強筋以增強抗沖擊能力。

18、二、一種半潛式大型海上風力發(fā)電平臺的運行方法

19、包括以下步驟：

20、1)平臺布置完成并錨定后，主動控制系統(tǒng)進入待命狀態(tài)，中央控制器通過姿態(tài)傳感器持續(xù)監(jiān)測平臺的六自由度運動，實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，包括風速、浪高、波向和平臺的傾斜角度；

21、2)中央控制器通過分析數(shù)據(jù)進行工況判斷，包括正常工況、過渡工況、極端工況和維修工況；

22、3)根據(jù)工況確定調(diào)控策略，并向調(diào)節(jié)組件發(fā)送信號，調(diào)節(jié)電機通過驅(qū)動支撐連桿調(diào)整異形浮子位置以優(yōu)化平臺重心和載荷分布，具體為：

23、在正常工況下，將平臺調(diào)節(jié)為平臺形式四；

24、在過渡工況下，將平臺調(diào)節(jié)為平臺形式三或平臺形式一；

25、在極端工況下，將平臺調(diào)節(jié)為平臺形式一；

26、在維修工況下，將平臺調(diào)節(jié)為平臺形式二。

27、所述正常工況為：風速在額定范圍，平臺姿態(tài)穩(wěn)定，浪高未超過平臺設計工況，風向跟波浪來流方向的夾角波動范圍大于45°(風與波浪方向變化頻率高)；

28、所述過渡工況為：風速超過額定范圍，即風速大于15m/s，此時將平臺調(diào)節(jié)為平臺形式三；浪高或波頻率接近平臺設計工況的極限值(即風機設計工況的極限值)，平臺運動趨于不穩(wěn)定，此時將平臺調(diào)節(jié)為平臺形式一；

29、所述極端工況為：風速或浪高超出極限工況，即風速大于30m/s，浪高大于10m；

30、所述維修工況為：風力和波浪載荷較小，風速小于8m/s，浪高小于1.5m。

31、所述平臺形式一為：通過調(diào)整使所有上部連桿垂直于海平面；

32、所述平臺形式二為：通過調(diào)整使六根中部連桿組成三角形結(jié)構(gòu)；

33、所述平臺形式三為：通過調(diào)整使六根中部連桿組成六邊形結(jié)構(gòu)，且所有上部連桿調(diào)整至與海平面平行；

34、所述平臺形式四為：通過調(diào)整使六根中部連桿組成六邊形結(jié)構(gòu)，且所有上部連桿與海平面夾角小于90°。

35、所述調(diào)控策略具體為：

36、對于正常工況：

37、1)調(diào)節(jié)浮子位置：通過支撐連桿調(diào)整浮子深度和位置，減少波浪激勵力；

38、2)風機運行優(yōu)化：根據(jù)風速實時調(diào)整葉片角度和發(fā)電功率輸出，確保風機穩(wěn)定運行；

39、對于過渡工況：

40、1)增強抗傾覆能力：將浮子組件布局調(diào)整為六邊形分散構(gòu)型，優(yōu)化重心位置；

41、2)減少波浪影響：通過調(diào)整浮子的相對深度或方向，減小波浪的激勵響應幅值；

42、3)風機功率限制：主動限制發(fā)電功率(如降至額定功率的50％-70％)，以避免機械部件受損；

43、對于極端工況：

44、1)停機模式：將風機葉片調(diào)整為羽化角(使葉片與風向平行，從而最大限度地減少風對葉片的作用力，避免風機過載或損壞)，停止發(fā)電；

45、2)電機鎖定支撐連桿，確保浮子穩(wěn)定布局，重心盡可能下移；

46、3)浮子構(gòu)型優(yōu)化：在波浪傳播方向上排列浮子，減少波浪力；

47、4)遠程報警：實時將平臺狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至岸基控制中心,提示需人工干預；

48、對于維修工況：

49、1)停機模式：將風機葉片調(diào)整為羽化角，停止發(fā)電；

50、2)電機鎖定支撐連桿，確保浮子穩(wěn)定布局，重心盡可能上浮便于檢測配重塊情況。

51、本發(fā)明的技術效果：

52、本發(fā)明的提出的半潛式大型海上風電平臺通過主動控制的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，能夠根據(jù)實時海洋環(huán)境載荷變化靈活調(diào)整平臺形式，以適應不同工況需求。通過電機驅(qū)動系統(tǒng)、滑動環(huán)與支撐連桿的協(xié)同作用，平臺可實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)，動態(tài)改變浮子與支撐結(jié)構(gòu)的布局。四種平臺形式分別針對風速、波浪方向及周期等環(huán)境特征進行優(yōu)化，既能在大風浪環(huán)境下降低波浪激振力，增強平臺的穩(wěn)定性和抗傾覆能力，也能在極端工況下分散載荷，減少結(jié)構(gòu)受力與疲勞，提升平臺的安全性和耐久性。此外，平臺的三角形構(gòu)型提供便利的維護空間，滿足日常停機檢修需求。

53、本發(fā)明通過主動分散載荷與動態(tài)避共振功能，確保平臺在風浪不一致或易發(fā)生共振的環(huán)境下依然能夠保持穩(wěn)定運行，顯著提高了平臺的適應性和可靠性。同時，優(yōu)化后的力學結(jié)構(gòu)降低了單一支撐的受力壓力，延長平臺的使用壽命，提升運行經(jīng)濟性。整體來看，該平臺能夠在復雜多變的海洋環(huán)境中提供穩(wěn)定、高效的運行表現(xiàn)。