用于风机单叶片安装的主动反馈控制方法和装置

摘要

本发明属于海洋工程技术领域，用于风机单叶片安装的主动反馈控制方法和装置，包括采集系统、监测系统、计算系统和执行系统。本发明适用于大型海上风机的安装。对于单叶片安装这种方法本身，风机结构总运输时间较短。在应用本发明的方法以后，装配过程得到极大程度的加快，从而降低装配时间和操作等时。因此，本方法有利于整体降低风机安装时长，降低风机总成本，从而有利于降低风能上网电价，增加风电竞争力，促进清洁能源的推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，特别涉及的是一种用于风机单叶片安装的主动反馈控制方法和装置。

背景技术

对于体积日渐增大的海上风机，单叶片安装作为一种风机叶片安装方法，具有其突出的特点。首先，甲板利用率更高，安装船单次可以运送更多的风机组件，从而降低平均运输时长。其次，该安装方法对起重装置要求低，更广泛的安装船可以用来实现此安装。然而其需要分步安装各个叶片，故总体安装时长增加，操作等时受到天气限制。通常安装方案为，在天气条件允许时，起吊叶片到风机轮毂高度，利用缆绳来被动限制叶片运动范围，从而提高装配成功率。通常安装平均风速为8-12m/s。当一段时间内，叶片根部的运动满足必要的条件，则进行装配；若叶片根部运动过大，则等待合适天气情况使得叶片运动降低；若等待超过一定时长后，叶片根部运动依然过大，则放下叶片，待天气条件满足后重复以上步骤。此方法很大程度上受天气限制(平均风速)，反而使安装成本增加。因此，如果能采用一种有效的控制方法，加快叶片的安装过程，提高安装成功率，可很大程度上减小海上风机的安装成本。

发明内容

本发明的目的：不同于以往的被动减摇方案，本发明利用缆绳上的力的主动控制系统，来补偿风力作用于叶片上的载荷，从而可以在同等风速下极大的降低叶片根部晃动，实现安装成功率的大幅提高。当风速及湍流风超过传统的安装范围时，本方法依然可以实现安装操作的顺利进行。因此，本方法扩展了单叶片安装操作对于环境的限制、提高风机安装效率、降低安装成本、推动风电作为清洁能源的适用范围。

本发明的技术方案：

用于风机单叶片安装的主动反馈控制装置，包括采集系统、监测系统、计算系统和执行系统；

采集系统和监测系统部署于当前设备(吊车、叶片、缆绳、轮毂)上，提取当前设备的数据信息；计算系统根据采集系统和监测系统提取到的数据信息，采用主动控制方法，确定吊车、叶片的运行轨迹，从而由执行系统完成最终的叶片吊装操作；

所述的采集系统包括位移传感器、风速和风向传感器和叶片姿态传感器；位移传感器用于测量叶片重心处和叶片根部中心点14的实时位移，其为卫星定位系统如GPS，或为动作捕捉装置；风速和风向传感器为一个以上，固定于机舱1、吊车8、安装船、待安装叶片11或吊具上；风速和风向传感器可以为风杯式、螺旋桨式、热线式、超声波式、激光多普勒式的风速计；叶片姿态传感器采用惯性导航模块或动作捕捉装置，用于测量叶片姿态；

所述的监测系统主要由轮毂运动监测模块、叶片运动监测模块、吊车运动监测模块、缆绳张力监测模块和环境监测模块组成；轮毂运动监测模块由安装在轮毂2上的若干定位模块及若干联捷惯导系统组成；叶片运动监测模块由安装在叶片11和吊具上的若干定位模块及若干联捷惯导系统组成；吊车运动监测模块由安装在吊车8顶端的定位模块及联捷惯导系统组成；缆绳张力监测模块由安装在具有主动张力控制的缆绳12上的若干张力传感器组成；环境监测模块由安装在操作室、吊车8、吊具、风机桩基础6上的若干风力计组成；

轮毂运动监测模块、叶片运动监测模块和吊车运动监测模块均经过传感器融合和滤波器共同作用，提供平滑的、无延迟的、实时对应位置的运动位移和速度信息；

所述的计算系统主要由控制器计算模块和路径规划模块组成；控制器计算模块包括例如比例积分微分(PID)算法的控制、基于滑膜控制器的线性及非线性控制器，控制器计算模块通过叶片的位移、倾角、线速度、角速度、风力、风向、规划的叶片路径数据信息，确定缆绳12需要的合力与转矩；路径规划模块根据监测系统监测得到的数据确定吊车8及叶片11的运行轨迹；

所述的执行系统包括力分配模块、缆绳主动力控制模块和吊车控制器模块；力分配模块根据计算系统得到的合力与转矩，获得每根具有主动张力控制的缆绳12需要输入的力；缆绳主动力控制模块通过所需的缆绳张力、叶片运动、缆绳长度等信息综合运算出施加在对应水平缆绳绞机的力矩；吊车控制器模块根据规划的吊车路径和实时吊车运动，控制施加在吊车各关节力矩从而实现吊车的路径追踪；力分配模块应具有以下特性：保持缆绳12处于张紧状态，即缆绳张力始终大于0；缆绳张力应小于绞机可实现的极限值；所分配力的变化率应小于绞机可实现变化率的极限；张力变化随时间曲线应尽可能平滑。

本发明的有益效果：本发明适用于大型海上风机的安装。对于单叶片安装这种方法本身，风机结构总运输时间较短。在应用本发明的方法以后，装配过程得到极大程度的加快，从而降低装配时间和操作等时。因此，本方法有利于整体降低风机安装时长，降低风机总成本，从而有利于降低风能上网电价，增加风电竞争力，促进清洁能源的推广使用。

附图说明

图1是安装系统示意图。

图2是控制系统组成示意图。

图中：1机舱；2轮毂；3塔筒；4海平面；5过渡段；6风机基础；7海床；

8吊车；9吊装缆绳；10吊钩；11叶片；12缆绳；13缆绳固定端；

14叶片根部中心点。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于具体实施例。

如图1所示：基于主动反馈控制的风机单叶片安装方法。

当风机基础6、过渡段5、塔筒3、机舱1、轮毂2一次安装完成后。本发明提出安装方法准备工作和传统的安装方法相同。

步骤101：收紧吊装缆绳9，从甲板上提起到轮毂2至对应的高度。

步骤102：转动轮毂2，使安装孔水平。叶片11通过吊装缆绳9和吊钩10与吊车8顶端相连；具有主动张力控制的缆绳12一端固定，另一端连接于叶片11或者吊具上；

步骤103：待作业环境满足要求后，起吊叶片11(含吊具)到轮毂2高度，通过具有主动张力控制的缆绳12移动叶片11(含吊具)的位置来施加预张力。由于缆绳12只能受拉不能受压的特性，其只能提供大于0的张力。故需要通过预先偏移叶片11来施加预张力。经过施加预张力，缆绳12可以通过提供正值的张力来实现表征的张力正负值。

如图1所示，水平轴风机已经自下而上安装了风机基础6、过渡段5、塔筒3、机舱1和轮毂2，风机基础6固定在海床7上；吊车通过吊车8顶端、吊装缆绳9、吊钩10与含吊具的叶片11相连；含吊具的叶片11与13缆绳固定端通过12具有主动张力控制的缆绳连接。本发明的目标在于安装11叶片(含吊具)到轮毂2上。通过引入主动控制的方法，通过控制水施加在具有主动张力控制的缆绳12上的力和吊车8顶端的运动，实现叶片根部中心点14可以追踪轮毂2的功能，而降低两者相对运动、提高风机叶片安装成功率。

步骤104：自动装配系统启动。对于任意时刻，该系统的工作方式如图2。

步骤201：轮毂运动监测模块、叶片运动监测模块和吊车运动检测模块提供实时的轮毂2、叶片根部中心点14、吊车8顶端的位置和速度信息给控制器计算模块。

步骤202：控制器计算模块根据叶片11和轮毂2的相对位置和环境监测模块所提供的风速、波高等信息，规划吊车8运行路径和叶片11对接路径。

步骤203：控制器计算模块通过规划的目标路径，计算出吊车8及缆绳12所需要的力。吊车运动控制器模块接收控制器计算模块的信号，对吊车进行控制，来满足控制器计算模块的要求。

步骤204：力分配模块利用控制器计算模块提供的合力来对每一条水平缆绳12上所施加的力。

步骤205：缆绳主动力控制模块通过分配的力信号，控制水平缆绳绞机来实线缆绳张力控制，最终实现装配过程的自动控制。

本发明提出的风机叶片安装方法将大大提高叶片安装效率，可以在更高海况和风速下实现精确安装。从而降低海上风电总成本，有利于新能源的推广。