[发明专利]一种海上风电机组的环境荷载预测方法与振动预控制系统

说明书

本发明公开了一种海上风电机组的环境荷载预测方法与振动预控制系统，包括海上风电机组结构以及分别与风电机组结构固定连接的风速测量装置、磁流变阻尼器阵列、浪高测量装置、流速测量装置、结构振动控制终端；所述结构振动控制终端将对风速测量装置、浪高测量装置和流速测量装置测得的实时数据进行经验模态分解和自回归滑动平均模型构建，实现对风速、浪高以及流速的荷载预测，进而结合数字孪生模型输出磁流变阻尼器阵列的控制力，实现海上电机组结构的多频振动控制。本发明可以在荷载作用于结构前得到荷载影响，实现结构振动的提前控制，进而规避结构产生的瞬态极大响应，降低结构与机械装置的损伤。

技术领域

本发明涉及海上风电开发领域，具体涉及一种海上风电机组的环境荷载预测方法与振动预控制系统。

背景技术

海上风电机组结构是一种多子系统联合的工程装备，包含上部风力发电机、中部风机塔架、下部结构基础(固定式基础、漂浮式基础)以及其他附属构件。这些子系统有着不同的动力学性能，工作中承受着不同的荷载，相互之间存在着不可分割的耦合关系。

海上风电机组结构服役期间一直承受多种复杂随机荷载，包括风、浪、流、冰、潮汐、船舶靠泊等，特别的，固定式海上风电机组结构会受到地震的影响，漂浮式海上风电机组结构会受到系泊荷载的影响。由此可见，海上风电机组结构的振源极其复杂，环境荷载间的耦合效应、子系统动力响应间的耦合效应、系统动力响应与环境荷载间的耦合效应均十分明显。众所周知，风电机组结构中的上部风力发电机是一种振动敏感性装置，当机舱的加速度达到某一阈值时，风机便会自动紧急制动以保护各机械构件。在目前已经投产的很多海上风电场中，风机因为过大振动而造成的停机现象屡见不鲜。频繁的过大振动会严重影响风机内部各机械构件的使用寿命，增加运维成本；频繁的制动停机会大大降低风机的发电时长，降低发电效率。因此，针对于海上风电机组面临的复杂振源提出一种有效的结构振动控制系统具有极强的工程意义。

目前，在工程领域常用的结构振动控制手段多是添加一些被动控制的阻尼器，比如调谐质量阻尼器、多重调谐质量阻尼器、调谐液体柱型阻尼器。大量的研究与工程实践表明，这些被动的阻尼器控制确实能在一定程度上控制风机荷载，削弱结构的动力响应幅值。但是正如所知的，上述的这些阻尼器控制均属于单频控制，针对某一种窄频荷载这些控制方法能起到有效的控制，可是作用在海上风电机组结构上的空气动力荷载、波浪荷载、海冰荷载等均为典型的随机荷载，含有丰富的频率分量，且空气动力荷载等又为典型的宽频荷载，可想而知，这些现有的单频控制方法并不能真正意义上对频率分量丰富的海上风电机组结构随机荷载动力响应实现有效控制。

磁流变阻尼器是一种机构简单、响应快、动态范围大、耐久性好、可靠性强的结构振动智能控制装置。磁流变阻尼器内部的磁流变液是一种由微小磁性颗粒和非导磁性液体共同组成的特殊材料，能随外磁场强度的改变而改变自身的流变特性，能在磁场作用下瞬间从自由流动的线性粘滞流体变为具有一定可控屈服强度的半固体。但是，磁流变流体的非线性物理性质目前依然很难通过物理模型进行表达。

目前，采用磁流变阻尼器来进行结构减振的装置中，多是依靠加速度传感器、位移传感器得到的实时加速度信号和位移传感器信号作为减振装置的输入，利用神经网络或是其他模糊控制程序来得到磁流变阻尼器的控制电流。这种控制方式确实在一定程度能达到多频控制的目的，神经网络和模糊控制程序一定程度上解决了磁流变流体的非线性物理模型难以建立的问题，但是基于结构响应实时监测信号的控制是一种滞后控制，面对于突发的极端荷载，很有可能在装置给出控制指令前结构便已遭受到破坏与损伤。对于海上风机而言，低空急流、湍流、雷暴、风暴潮、畸形波、聚焦波都是典型的恶劣短期荷载，结构因此产生的瞬时极端响应屡见不鲜，滞后控制往往难以对这些突发极端荷载形成控制。此外，用于监控实时响应的传感器在实际工程中的安装难度较大，尤其是在结构的水下部分，部分在船坞与工厂里预安装的传感器还极易在拖航、施工过程中损坏，例如在风机基础打桩作业中因为冲击而发生损坏、脱落。