浮式海上风电机组的混合模型实验装置及其实验方法

摘要

本发明涉及海洋工程技术领域，一种浮式海上风电机组的混合模型实验装置及其实验方法，其中实验方法包括以下步骤：(1)实验模型的制作，(2)气动荷载模拟系统参数的设定，(3)气动荷载模拟系统与监控单元的搭接，(4)控制指令的发送，(5)波浪的模拟，(6)运动状态的反馈。本发明能高精度的模拟风荷载对海上浮式风电机组的作用，贴近真实状态。可以根据需要操控电动缸对实验模型加载力来实时模拟不同风向、风速。解决了对造风装置的功能和风场品质要求高的问题以及弗劳德数与雷诺数相似准则不匹配的问题，整个装置结构简单,易安装,操作方便,安全可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种浮式海上风电机组的混合模型实验装置及其实验方法，属于海洋工程技术领域。

背景技术

海上风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，当海水水深超过50m时，浮式海上风电机组(FOWT)将具有更好的经济可行性。FOWT作为新兴的前沿学科领域，其耦合的风浪环境物理特性极其复杂且实际建设工程经验匮乏，相关数值研究需要更多地依赖物理模型试验进行验证，而如何真实地重现海上环境，提高FOWT模型试验研究的精度，是国内外学者普遍关注的问题。

对于浮式海上风电机组模型试验，目前波浪水池的风场普遍由可移动式风扇阵列产生，但是存在两大挑战：其一波浪水池试验中对造风装置的功能和风场品质要求非常高；其二弗劳德数与雷诺数相似准则不匹配。如何真实地重现海上环境，提高浮式海上风机模型试验研究的精度，成为国内外学者非常关注的一个问题，先进的浮式海上风电机组模型试验技术是我国海上风电开发的迫切需求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种浮式海上风电机组的混合模型实验装置及其实验方法。该实验装置能高精度的模拟风荷载对海上浮式风电机组的作用，贴近真实状态。可以根据需要操控电动缸对实验模型加载力来实时模拟不同风向、风速。解决了对造风装置的功能和风场品质要求高的问题以及弗劳德数与雷诺数相似准则不匹配的问题。

为了实现上述发明目的，解决现有技术存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种浮式海上风电机组的混合模型实验装置的实验方法，包括以下步骤:

步骤1、实验模型的制作，为保证实验模型与实体严格符合几何相似条件，需要在实验模型的制作与模拟过程中，要按照统一的实验模型缩尺比，实验模型在海洋工程水池中试验时，需对这些尺度参数以及外形设计尺寸进行换算，通过公式(1)进行描述，

式中，h_m为实验模型在试验时的水深、H_m为实验模型在试验时的波高、λ_m为实验模型在试验时的波长、h_s为实体在海上的实际水深、H_s为实体在海上的实际波高、λ_s为实体在海上的实际波长；

步骤2、气动荷载模拟系统参数的设定，在气动荷载模拟系统中进行浮式风电机组实际工作状态下叶片所受到风向、风速参数的设定；

步骤3、气动荷载模拟系统与监控单元的搭接，将气动荷载模拟系统与监控单元进行有效的搭接，便于实时监控浮式风机的工作状态，从而调整气动荷载模拟系统中的参数，进而更好地模拟实际工程中的工作状态；

步骤4、控制指令的发送，通过运动控制计算机向伺服驱动器发送控制指令，操控电动缸的运动来带动牵引绳，进而使风机叶片产生运动；

步骤5、波浪的模拟，包括规则波的模拟和不规则波的模拟，其中规则波的模拟思路包括以下子步骤：

(a)根据造波机能产生规则波的频率上限，即短周期的短波和频率下限，即长周期的长波，在此范围内等距分成10-12个造波的频率；

(b)计算各频率相应的规则波周期和波长；

(c)根据合适的波高与波长之比，确定各频率相应的规则波的波高；

(d)对造波机的控制系统确定相应于各频率的摇板运动周期和振幅；

(e)在水池中对10-12个造波频率逐一模拟相应的规则波，即总共需要模拟10-12个规则波，并以浪高仪测量所模拟规则波的时历曲线；

不规则波的模拟思路包括以下子步骤：

(a)根据给定的条件，应用计算机控制程序，产生造波机控制信号的时间序列，以此控制造波板的振幅与频率，从而在水池中产生不规则的波浪；

(b)采用浪高仪在试验持续时间内测量水池中不规则波的数据，进行谱分析后便得到模拟的波谱，如果模拟的波谱与给定的目标波谱差别较大，则应修正控制信号的时间序列，重新造波；

(c)谱的迭代修正，在不规则波的模拟过程中，第一次是以给定的目标谱作为驱动谱生成驱动信号，由此在水池中产生的不规则波的实测波谱，如果实测波谱与给定的目标谱有差异，需对驱动谱通过公式(2)进行修正，

式中，S_d1为驱动谱、S_m1为实测波谱、S_d2为修正后的驱动谱、S_T为目标谱；采用修正后的驱动谱S_d2生成驱动信号，在水池中第二次模拟不规则波浪，测量分析得到的实测波谱是S_m2，如果S_m2能够满足目标谱S_T的要求，便完成了给定条件不规则波浪的模拟工作，否则要重新修正，再次在水池中模拟不规则波浪，如此反复迭代修正，直到满意为止；

步骤6、运动状态的反馈，浮式风机模型通过编码器信号的形式将运动的信息传递给伺服驱动器，接下来，伺服驱动器将编码器信号传递给编码器接口，编码器接口通过ISA总线与运动控制计算机相连，从而使风机运动的信息得以传送给计算机，以实现风机运动信息的有效反馈。

所述实验方法中的实验装置，包括操纵系统部分和实验模型部分，所述操纵系统部分，包括气动荷载模拟系统、监控单元、运动控制计算机、编码器接口和伺服驱动器，所述气动荷载模拟系统与监控单元相连，监控单元与运动控制计算机之间通过以太网相连，运动控制计算机与编码器接口之间通过ISA总线相连，所述伺服驱动器还分别与运动控制计算机、编码器接口及实验模型部分相连；由运动控制计算机对伺服驱动器发送控制信号，伺服驱动器会通过伺服驱动来控制实验模型部分，同时，实验模型部分会将编码器信号通过伺服驱动器反馈给编码器接口，最终传给气动荷载模拟系统，实现气动荷载模拟系统与实验模型部分之间的信息传递；所述实验模型部分，包括水池及置于水池中的风机，水池内侧四周边缘凸台上安装有第一、二、三、四电动缸及第一、二、三、四、五、六滑轮道组，所述第一电动缸通过第一滑轮道组及牵引线与风机叶片端点A连接，第一电动缸还通过第二滑轮道组及牵引线与风机叶片端点C连接，当第一电动缸工作时，带动与其相连的第一、二滑轮道组工作，通过牵引线将力传递给与其相连的风机叶片，进而来模拟风的推力；所述第二电动缸通过第三滑轮道组及牵引线与风机叶片端点D连接，第二电动缸还通过第四滑轮道组及牵引线与风机叶片端点B连接，当第二电动缸工作时，带动与其相连的第三、四滑轮道组工作，通过牵引线将力传递给与其相连的风机叶片，进而来模拟风机的恢复力；所述第三电动缸通过第五滑轮道组及牵引线与风机叶片端点B连接，所述第四电动缸通过第六滑轮道组及牵引线与风机叶片端点D连接，当第三电动缸和第四电动缸工作时，分别带动与其相连的第五滑轮道组和第六滑轮道组工作，通过牵引线将力传递给与其相连的风机叶片，进而来模拟风机的扭矩，所述伺服驱动器分别与第一、二、三、四电动缸相连。

本发明有益效果是：一种浮式海上风电机组的混合模型实验装置及其实验方法，其中实验方法包括以下步骤：(1)实验模型的制作，(2)气动荷载模拟系统参数的设定，(3)气动荷载模拟系统与监控单元的搭接，(4)控制指令的发送，(5)波浪的模拟，(6)运动状态的反馈。与已有的技术相比，本发明能高精度的模拟风荷载对海上浮式风电机组的作用，贴近真实状态。可以根据需要操控电动缸对实验模型加载力来实时模拟不同风向、风速。解决了对造风装置的功能和风场品质要求高的问题以及弗劳德数与雷诺数相似准则不匹配的问题，整个装置结构简单,易安装,操作方便,安全可靠。

附图说明

图1是本发明方法步骤流程图。

图2是本发明结构示意图。

图中：1、风机、1a、风机叶片，2、水池，2a、第一电动缸，2b、第二电动缸，2c、第三电动缸，2d、第四电动缸，2e、第一滑轮道组，2f、第二滑轮道组，2g、第三滑轮道组，2h、第四滑轮道组，2i、第五滑轮道组，2j、第六滑轮道组。

图3是本发明实验装置中的四个电动缸与伺服驱动器连接示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种浮式海上风电机组的混合模型实验装置的实验方法，包括以下步骤:

步骤1、实验模型的制作，为保证实验模型与实体严格符合几何相似条件，需要在实验模型的制作与模拟过程中，要按照统一的实验模型缩尺比，实验模型在海洋工程水池中试验时，需对这些尺度参数以及外形设计尺寸进行换算，通过公式(1)进行描述，

式中，h_m为实验模型在试验时的水深、H_m为实验模型在试验时的波高、λ_m为实验模型在试验时的波长、h_s为实体在海上的实际水深、H_s为实体在海上的实际波高、λ_s为实体在海上的实际波长；

步骤2、气动荷载模拟系统参数的设定，在气动荷载模拟系统中进行浮式风电机组实际工作状态下叶片所受到风向、风速参数的设定；

步骤3、气动荷载模拟系统与监控单元的搭接，将气动荷载模拟系统与监控单元进行有效的搭接，便于实时监控浮式风机的工作状态，从而调整气动荷载模拟系统中的参数，进而更好地模拟实际工程中的工作状态；

步骤4、控制指令的发送，通过运动控制计算机向伺服驱动器发送控制指令，操控电动缸的运动来带动牵引绳，进而使风机叶片产生运动；

步骤5、波浪的模拟，包括规则波的模拟和不规则波的模拟，其中规则波的模拟思路包括以下子步骤：

(a)根据造波机能产生规则波的频率上限，即短周期的短波和频率下限，即长周期的长波，在此范围内等距分成10-12个造波的频率；

(b)计算各频率相应的规则波周期和波长；

(c)根据合适的波高与波长之比，确定各频率相应的规则波的波高；

(d)对造波机的控制系统确定相应于各频率的摇板运动周期和振幅；

(e)在水池中对10-12个造波频率逐一模拟相应的规则波，即总共需要模拟10-12个规则波，并以浪高仪测量所模拟规则波的时历曲线；

不规则波的模拟思路包括以下子步骤：

(a)根据给定的条件，应用计算机控制程序，产生造波机控制信号的时间序列，以此控制造波板的振幅与频率，从而在水池中产生不规则的波浪；

(b)采用浪高仪在试验持续时间内测量水池中不规则波的数据，进行谱分析后便得到模拟的波谱，如果模拟的波谱与给定的目标波谱差别较大，则应修正控制信号的时间序列，重新造波；

(c)谱的迭代修正，在不规则波的模拟过程中，第一次是以给定的目标谱作为驱动谱生成驱动信号，由此在水池中产生的不规则波的实测波谱，如果实测波谱与给定的目标谱有差异，需对驱动谱通过公式(2)进行修正，

式中，S_d1为驱动谱、S_m1为实测波谱、S_d2为修正后的驱动谱、S_T为目标谱；采用修正后的驱动谱S_d2生成驱动信号，在水池中第二次模拟不规则波浪，测量分析得到的实测波谱是S_m2，如果S_m2能够满足目标谱S_T的要求，便完成了给定条件不规则波浪的模拟工作，否则要重新修正，再次在水池中模拟不规则波浪，如此反复迭代修正，直到满意为止；

步骤6、运动状态的反馈，浮式风机模型通过编码器信号的形式将运动的信息传递给伺服驱动器，接下来，伺服驱动器将编码器信号传递给编码器接口，编码器接口通过ISA总线与运动控制计算机相连，从而使风机运动的信息得以传送给计算机，以实现风机运动信息的有效反馈。

如图2、3所示，一种浮式海上风电机组的混合模型实验装置，包括操纵系统部分和实验模型部分，所述操纵系统部分，包括气动荷载模拟系统、监控单元、运动控制计算机、编码器接口和伺服驱动器，所述气动荷载模拟系统与监控单元相连，监控单元与运动控制计算机之间通过以太网相连，运动控制计算机与编码器接口之间通过ISA总线相连，所述伺服驱动器还分别与运动控制计算机、编码器接口及实验模型部分相连；由运动控制计算机对伺服驱动器发送指令信号，伺服驱动器会通过伺服驱动来控制实验模型部分，同时，实验模型部分会将编码器信号通过伺服驱动器反馈给编码器接口，最终传给气动荷载模拟系统，实现气动荷载模拟系统与实验模型部分之间的信息传递；所述实验模型部分，包括水池2及置于水池2中的风机1，水池2内侧四周边缘凸台上安装有第一、二、三、四电动缸2a、2b、2c、2d及第一、二、三、四、五、六滑轮道组2e、2f、2g、2h、2i、2j，所述第一电动缸2a通过第一滑轮道组2e及牵引线与风机叶片1a端点A连接，第一电动缸2a还通过第二滑轮道组2f及牵引线与风机叶片1a端点C连接，当第一电动缸2a工作时，带动与其相连的第一、二滑轮道组2e、2f工作，通过牵引线将力传递给与其相连的风机叶片1a上，进而来模拟风的推力；所述第二电动缸2b通过第三滑轮道组2g及牵引线与风机叶片1a端点D连接，第二电动缸2b还通过第四滑轮道组2h及牵引线与风机叶片1a端点B连接，当第二电动缸2b工作时，带动与其相连的第三、四滑轮道组2g、2h工作，通过牵引线将力传递给与其相连的风机叶片1a上，进而来模拟风机1的恢复力；所述第三电动缸2c通过第五滑轮道组2i及牵引线与风机叶片1a端点B连接，所述第四电动缸2d通过第六滑轮道组2j及牵引线与风机叶片1a端点D连接，当第三电动缸2c和第四电动缸2d工作时，分别带动与其相连的第五滑轮道组2i和第六滑轮道组2j工作，通过牵引线将力传递给与其相连的风机叶片1a，进而来模拟风机1的扭矩，所述伺服驱动器分别与第一、二、三、四电动缸2a、2b、2c、2d相连。