本發(fā)明屬于海上漂浮式風(fēng)力機組運動響應(yīng)，具體涉及一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法。

背景技術(shù)：

1、海上風(fēng)電是一種有著巨大開發(fā)潛力的可再生能源，當(dāng)前，漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)被視為未來深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電開發(fā)的主要技術(shù)，由于漂浮式海上風(fēng)力機的底部與海床之間并無固定連接，其動力響應(yīng)更為顯著，穩(wěn)定準(zhǔn)確估計出復(fù)雜風(fēng)浪環(huán)境下風(fēng)力機運動響應(yīng)，對機組控制、性能估計與預(yù)測都有重要意義。

2、現(xiàn)有的方法往往需要更多迭代次數(shù)才能接近最優(yōu)解，尤其是當(dāng)目標(biāo)函數(shù)復(fù)雜且存在多個局部最優(yōu)點時，容易陷入局部最優(yōu)解，不足以兼顧簡化動態(tài)模型的準(zhǔn)確性與運行響應(yīng)的計算效率，在面對復(fù)雜風(fēng)浪環(huán)境下，現(xiàn)有方法難以保持穩(wěn)定地估計風(fēng)力機組運動狀態(tài)響應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，能保持穩(wěn)定地估計風(fēng)力機組運動狀態(tài)響應(yīng)。

2、本發(fā)明的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，包括以下步驟，

3、s1：基于漂浮式風(fēng)力機組動力學(xué)架構(gòu)，構(gòu)建面向縱蕩與縱搖的二維簡化動力學(xué)模型；

4、具體包括以下步驟：

5、s1.1：將風(fēng)力機組簡化為剛性連接的桅桿浮標(biāo)、塔架、葉輪和機艙；將系泊系統(tǒng)簡化為線性彈簧；構(gòu)建的風(fēng)力機組動力學(xué)架構(gòu)；

6、s1.2：分析氣動力、氣動力矩、靜水恢復(fù)力矩、水動力、水動力矩和系泊力矩；

7、s1.3：基于剛體動力學(xué)定律，結(jié)合s1.2中的氣動力、氣動力矩、靜水恢復(fù)力矩、水動力、水動力矩和系泊力矩；設(shè)定風(fēng)力機組質(zhì)量矩陣m、附加質(zhì)量參數(shù)矩陣a、阻尼系數(shù)矩陣b和剛性系數(shù)矩陣c；得到風(fēng)力機組整體簡化動力學(xué)模型；

8、s2：基于openfast，建立適應(yīng)度函數(shù)和約束條件，對附加質(zhì)量參數(shù)矩陣a、阻尼系數(shù)矩陣b和剛性系數(shù)矩陣c進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后的矩陣分別記為abest，bbest和cbest；

9、s3：采用abest，bbest和cbest，基于卡爾曼濾波器，對未來時刻風(fēng)力機組縱蕩運動位移和風(fēng)力機組縱搖角度進(jìn)行估計。

10、進(jìn)一步地，步驟s1.3中，風(fēng)力機組質(zhì)量矩陣m為：

11、

12、m11＝m

13、m12＝m21＝m·ztotal

14、m22＝io

15、

16、式中，m為風(fēng)力機組質(zhì)量；ztotal為風(fēng)力機組的質(zhì)心位置；ifloater為桅桿浮標(biāo)轉(zhuǎn)動慣量；itower為塔架轉(zhuǎn)動慣量；mfloater為桅桿浮標(biāo)質(zhì)量；mtower為塔架質(zhì)量；mnacelle為葉輪質(zhì)量；mrotor為機艙質(zhì)量；

17、設(shè)

18、風(fēng)力機組整體簡化動力學(xué)模型為：

19、

20、式中，x表示風(fēng)力機組縱蕩運動位移；θ為風(fēng)力機組縱搖運動角度；fhydrodynamic為水動力；fwind為氣動力；thydrodynamic為水動力矩；twind為氣動力矩。

21、進(jìn)一步地，適應(yīng)度函數(shù)和約束條件的公式為：

22、

23、式中，xs(i)為簡化動力學(xué)模型在i時刻輸出的縱蕩運動位移；

24、xr(i)為openfast分析下風(fēng)力機組i時刻的縱蕩運動位移；

25、θs(i)為簡化動力學(xué)模型i時刻輸出的風(fēng)力機組的縱搖運動角度；

26、θr(i)為openfast分析下風(fēng)力機組i時刻的縱搖運動角度；

27、

28、為openfast根據(jù)不同風(fēng)力機結(jié)構(gòu)參數(shù)、風(fēng)浪環(huán)境參數(shù)以及風(fēng)力機初始狀態(tài)模擬得出的數(shù)據(jù)；通過式(1)(2)迭代收斂，設(shè)優(yōu)化后的abest，bbest和cbest為：

29、和

30、步驟s3中，包括以下步驟：

31、進(jìn)一步地，

32、s3.1：將式(1)轉(zhuǎn)化為簡化狀態(tài)空間模型，公式為：

33、

34、s3.2：設(shè)定真實的風(fēng)力機組縱蕩運動位移、風(fēng)力機組縱搖角度輸出方程為：

35、

36、s3.3：建立卡爾曼濾波方程：

37、

38、式中，

39、gk＝ezt,hk＝∫0tez(tx-t)ldτ,nk＝cbest

40、t為離散周期，tx是仿真時間，τ是從開始到k時刻的時間；xk為k時刻系統(tǒng)狀態(tài)變量；wk為k時刻的過程噪音向量；vk為k時刻的測量噪聲向量；uk為k時刻的系統(tǒng)輸入；uk-1為k-1時刻的系統(tǒng)輸入；

41、

42、式中，qk為wk的協(xié)方差矩陣；rk為測量噪聲向量vk的協(xié)方差矩陣；

43、狀態(tài)更新方程：

44、

45、誤差增益方程：

46、

47、其中，k時刻的實際測量的輸出為ytrue,k，由式(3)計算獲得；

48、更新協(xié)方差矩陣：

49、

50、i為單位矩陣；由卡爾曼方程估算某一時刻的風(fēng)力機組縱蕩運動位移x和縱蕩角速度θ。

51、進(jìn)一步地，氣動力和氣動力矩的計算公式為：

52、

53、

54、式中，fwind為氣動力；ρ為空氣密度；vtotal為風(fēng)力機葉片相對風(fēng)速；twind為氣動力矩；為入流角；cl為升力系數(shù)；cd為氣體阻力系數(shù)；r是葉素到風(fēng)力機組輪轂中心的距離。

55、進(jìn)一步地，靜水恢復(fù)力矩、水動力和水動力矩的計算公式為：

56、

57、式中，tbuoy為風(fēng)力機組總的靜水恢復(fù)力矩；m為風(fēng)力機組總質(zhì)量；g為重力加速度；zb是風(fēng)力機組的浮力中心；zg是風(fēng)力機組的重力中心；θ為風(fēng)力機組縱搖運動角度；ρ1為風(fēng)力機組所處位置水域密度；為風(fēng)力機組附加慣量，d為桅桿浮標(biāo)直徑；

58、

59、式中，thydrodynamic為水動力矩；w規(guī)則波浪的波頻；u水波浪的波浪速度；cm為慣性力系數(shù)；cd為水體阻力系數(shù)；z為風(fēng)力機組高度；a1為桅桿浮標(biāo)端面面積；fhydrodynamic為水動力。

60、進(jìn)一步地，式中，fmoor為水平方向系泊力；kmoor風(fēng)力機組水平系泊剛度系數(shù)矩陣；zmoor為局部坐標(biāo)系中系泊錨鏈點到局部坐標(biāo)系原點的距離；x0為局部坐標(biāo)原點的縱蕩位移。

61、有益效果：

62、1.本方案采用了簡化模型和卡爾曼濾波結(jié)合地方式預(yù)測縱搖和縱蕩，因為采用了簡化模型，所以大大地縮減了計算量。

63、2.本方案跟現(xiàn)有的預(yù)測模型相比，預(yù)測精度能保持與現(xiàn)有模型基本一致。

技術(shù)特征：

1.一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，其特征在于，包括以下步驟，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，其特征在于，步驟s1.3中，風(fēng)力機組質(zhì)量矩陣m為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，其特征在于，步驟s2中，適應(yīng)度函數(shù)和約束條件的公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，其特征在于，步驟s3中，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，其特征在于，氣動力和氣動力矩的計算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，其特征在于，靜水恢復(fù)力矩、水動力和水動力矩的計算公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，其特征在于，系泊力矩為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明的一種漂浮式風(fēng)力機運動狀態(tài)估計方法，屬于海上漂浮式風(fēng)力機組運動響應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：S1：構(gòu)建二維簡化動力學(xué)模型；具體包括以下步驟：S1.1：構(gòu)建的風(fēng)力機組動力學(xué)架構(gòu)；S1.2：分析氣動力、氣動力矩、靜水恢復(fù)力矩、水動力、水動力矩和系泊力矩；S1.3：得到風(fēng)力機組整體簡化動力學(xué)模型；S2：對附加質(zhì)量參數(shù)矩陣A、阻尼系數(shù)矩陣B和剛性系數(shù)矩陣C進(jìn)行優(yōu)化，分別記為A<subgt;best</subgt;，B<subgt;best</subgt;和C<subgt;best</subgt;；S3：采用A<subgt;best</subgt;，B<subgt;best</subgt;和C<subgt;best</subgt;，基于卡爾曼濾波器，對未來時刻風(fēng)力機組縱蕩運動位移和風(fēng)力機組縱搖角度進(jìn)行估計。本方法能夠提高計算效率的同時保證預(yù)測精度。

技術(shù)研發(fā)人員：黃曉君,魏賞賞,王新,李彤,劉晨夢,馬瑞祥,李秀坤
受保護的技術(shù)使用者：河海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2