重新定位浮动离岸风力涡轮机的制作方法

1.本发明涉及重新定位位于当前离岸位置处并且具有在转子叶片平面中旋转的转子叶片的浮动离岸风力涡轮机的方法和装置。此外，本发明涉及一种包括该装置的风力涡轮机。


背景技术：

2.当今，由于与陆上风况相比更好的风况，许多风力涡轮机离岸安装。这些浮动离岸风力涡轮机(fowt)被安装在漂浮在海上的浮动平台处。fowt会经历源自许多来源的环境干扰。这些干扰可能导致机器机械疲劳性能的劣化或损伤。尾流引起的湍流和涡流引起的振动(viv)的存在继而可能由于风电场布局和接近相邻单元而导致不利的二次载荷。随着1)fowt单元之间的距离增加和/或2)上游fowt单元避免遮挡下游风力涡轮机，这些干扰趋于减少。实际上，fowt单元之间的空间受风电场租赁面积大小和使风场经济可行所需的最小单元数量的限制。因此，风力涡轮机单元之间的大间距或距离不是实用的解决方案。
3.浮动风电行业仍处于形成阶段，并且专门解决上述fowt挑战的技术仍处于“发现”阶段。常规广泛接受的减轻尾流干扰的做法使用主动控制来使转子偏摆角偏移并故意产生偏摆误差。虽然这种方法有利于底部安装的风力涡轮机，但故意的偏摆偏移可能会导致fowt的许多其他后果和问题。因此，fowt将需要采用新技术来减轻对风电场的尾流干扰。
4.us 9,670,908 b2公开了一种风力发电场，其包括控制单元和多个浮动平台，这些浮动平台中的每一个锚定到至少一个锚点，并且包括移位装置，以用于根据包括风向的一组参数来使风力涡轮机移位，以便最小化空气动力尾流效应。控制单元包含用于最大化发电量的预定位置表。此外，一组传感器提供风向信息。致动器适于牵拉锚索，以便使风力涡轮机移位。该文件致力于通过减少暴露于尾流引起的湍流来最大化发电量。由此，似乎需要用于最大化发电量的预定位置表。
5.文件us 2011/0074155 a1公开了一种浮动离岸风电场，其包括适于确定第一风力涡轮机相对于第二风力涡轮机的水平位置的定位系统以及适于相对于第二风力涡轮机水平移动第一风力涡轮机的驱动系统。第一风力涡轮机的第一操作状态和第二风力涡轮机的第二操作状态被接收，并且第一风力涡轮机的新的水平位置被确定为使得当第一风力涡轮机处于该新的水平位置处时，第一风力涡轮机和/或第二风力涡轮机的机械载荷减小。
6.常规已知的方法和系统无法在所有情形或情况下确保减轻或甚至避免离岸风力涡轮机上的疲劳载荷或疲劳损伤。此外，常规已知的方法和系统是复杂的并且通常需要几何表示或考虑环境。此外，一些常规已知的技术可能依赖于监测电功率输出。然而，功率输出不一定是确保减轻疲劳载荷或疲劳损伤的最佳参数。此外，通常，照常规可能需要相邻fowt单元之间的位置信息的交互通信，从而增加了系统和方法的复杂性。此外，照常规可能需要复杂的尾流相互作用模型，例如对风力涡轮机单元之间的空气动力学影响的估计。由此，通常需要复杂的物理数学建模。
7.因此，可能需要重新定位浮动离岸风力涡轮机的方法和相对应的装置，其中，特别
是可减少疲劳损伤或疲劳载荷，并且通常可在操作期间减少机械载荷。


技术实现要素：

8.该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。
9.根据本发明的一个实施例，提供了一种重新定位浮动离岸风力涡轮机的方法，该浮动离岸风力涡轮机位于当前离岸位置处并且具有在转子叶片平面中旋转的转子叶片，该方法包括：测量与风力涡轮机处的第一位置相关的载荷的变异性的第一值；测量与风力涡轮机处的第二位置相关的载荷的变异性的第二值；将该第一值与第二值比较；并且取决于该比较，并且特别是还取决于相对于第二位置的第一位置，而沿(例如，水平)方向移动风力涡轮机。
10.该方法可部分地以硬件和/或软件来实现。该方法例如可由风力涡轮机控制器或风电场控制器来执行。所考虑的风力涡轮机可以是离岸风力发电场的多个风力涡轮机中的一个。
11.所述载荷的变异性可能(对于第一位置以及第二位置)与不同位置处的风湍流相关或由其引起。该风湍流例如可分别与第一位置和第二位置处的风速的变异性或标准差相关。该湍流例如可由于一个或多个上游风力涡轮机所造成的尾流效应引起，所述上游风力涡轮机即相对于所考虑的风力涡轮机处于上游的风力涡轮机，其中，上游意指相对于当前风向。
12.所述载荷例如可通过一个或多个传感器测量，如将在下面进一步解释的。因此，所述方法将载荷的变异性视为测量或指示载荷随时间变化的程度的参数。因此，为了得到载荷的变异性，可考虑多个载荷测量结果。例如，传感器可以相对小或精细的差异时间间隔对载荷测量结果采样。考虑载荷测量的时间窗口例如可范围在120秒和600秒之间。载荷测量的采样时间间隔例如可范围在120秒和600秒之间。
13.风力涡轮机处的第一位置可与风力涡轮机的第二位置分开例如介于10m和100m之间。因此，所述方法可考虑如针对两个不同位置确定的载荷的变异性，这两个不同位置可能经历不同的风况，特别是在湍流方面。如果载荷在不同位置处的变异性非常不同，则可能表明风力涡轮机的至少一部分处于高湍流区域中。该高湍流区域例如可能是由于一个或多个上游风力涡轮机引起的尾流效应。在确定所述位置中的至少一个位于潜在尾流区域中时，可移动风力涡轮机，使得风力涡轮机离开当前离岸位置。由此，主要地或完全地，可不考虑风力涡轮机的功率输出或其他机械功率输出。
14.可按照不同的方式执行相应地与第一位置和第二位置相关的(载荷的相应变异性的)第一值和第二值的比较。载荷的变异性例如可与转子推力载荷的标准差相关或者为转子推力载荷的标准差。
15.风力涡轮机的移动例如可根据第一值或第二值中的任一个较大来执行。此外，为了移动风力涡轮机，可考虑机舱定向。该机舱方向确定如下：使用加速度计和全球定位系统的组合来确定风力涡轮机的位置和定向，并且使用编码器来确定机舱相对于流动单元的相对定向。
16.本发明的实施例通过将fowt单元的位置动态地改变到干扰减少或甚至消失的区
域来解决风电场布局载荷中的尾流引起的湍流和涡流引起的振动。由此，可增加风力涡轮机和浮动基础两者的疲劳寿命。由此，fowt可使用称为“系泊索”的柔性线缆来连接到海底。这些fowt具有如下优势，即：能够远离逆风干扰移动并在寻找载荷中性位置中进行重新调整。
17.本发明的实施例提供了一种利用动态定位使fowt远离由上游fowt产生的尾流或viv(涡流引起的振动)移动的设备。由此，可采用控制器来激活动态定位动作。针对相同或较低的载荷，这些方法步骤可允许下游单元产生与上游风力涡轮机相同量的功率。该动态定位可通过同步系泊索收入/放出并将fowt重新定位到湍流不那么严重或者viv降低或最小的目标位置来实现。
18.如果1)存在湍流尾流效应和/或2)风电场包括两个或更多个fowt单元，则本发明的实施例可有效用于减轻载荷。通过提高疲劳寿命性能，本发明的实施例使得fowt系统能够在风力涡轮机和浮动基础两者上实现较低的部件成本。
19.根据本发明的实施例，风力涡轮机处的第一位置布置在风力涡轮机的第一侧向半部中，并且风力涡轮机处的第二位置布置在风力涡轮机的第二侧向半部中。风力涡轮机的第一侧向半部和风力涡轮机的第二侧向半部可被定义为当沿转子轴线观察面向轮毂时的风力涡轮机的右半部和左半部。
20.根据本发明的实施例，风力涡轮机处的第一位置布置在转子叶片平面的第一侧向半部中，并且风力涡轮机处的第二位置布置在转子叶片平面的第二侧向半部中。
21.该转子叶片平面可被认为是垂直于安装转子叶片的主转子轴的平面。在转子旋转时的操作期间，转子叶片可基本上占据具有圆形形状的平面盘。该转子叶片平面可以是该盘中的一个平面，例如如下平面，即：在该平面中，例如应变传感器的一个或多个传感器被安装在该一个或多个转子叶片处。可能需要至少一个传感器，以便测量与第一位置相关的载荷以及与第二位置相关的载荷。与第一位置相关的载荷例如可在第一时间间隔期间测量，在该第一时间间隔中，相应的传感器被布置在转子叶片平面的第一侧向半部内。与第二位置相关的载荷例如可在第二时间间隔期间测量，在该第二时间间隔期间，传感器位于转子叶片平面的第二侧向半部内。在其他实施例中，可采用多于一个传感器来分别测量与第一位置相关的载荷和与第二位置相关的载荷。传感器例如也可被安装在机舱处，以测量转子旋转速度、产生的机械功率以及叶片桨距角。然后，这三个传感器输入的组合将估计整个转子区域上的推力载荷。该推力载荷估计与用于由相同的传感器输入估计风速所使用的算法相关。然后，执行坐标变换，以计算每个叶片上的载荷分布，以确定每个转子区域侧向半部上的时间变化的推力。
22.具有处于转子叶片平面的第一侧向半部中的第一位置和第二侧向半部中的第二位置可允许确定不同区域中的载荷的变异性是否实际上不同，并且可以可靠地指示风力涡轮机的一部分是否潜在地处于尾流区域中或尾流状态下。于是，可有利地开始将风力涡轮机从当前离岸位置移开。
23.根据本发明的实施例，所述方向包括侧向方向，所述方法还包括确定该侧向方向，特别是水平方向：如果第一值小于第二值，则从转子叶片平面的中心区域指向第一侧向半部；如果第二值小于第一值，则从转子叶片平面的中心区域指向第二侧向半部。
24.风力涡轮机的移动在海洋表面上沿水平方向。基于第一值和第二值的比较来确定
该侧向方向。由此，提供了一种用于确定该侧向方向的简单方法。对于该方法步骤，也可能不一定需要任何统计模型。所确定的侧向方向可垂直于转子轴线方向。因此，该侧向方向可能取决于机舱定向。
25.根据本发明的实施例，将第一值与第二值比较包括评估第一值与第二值之间的差的绝对值是否大于阈值，并且移动风力涡轮机包括仅当该差的绝对值大于阈值时才移动风力涡轮机。
26.由此，提供了比较不同值的简单方法。该阈值可根据特定应用来限定。例如，可考虑实验结果来限定该阈值。如果仅当该差的绝对值大于阈值时才移动风力涡轮机，则可避免风力涡轮机的不必要移动。此外，作为移动风力涡轮机的标准，可限定该差的绝对值大于阈值持续长于阈值时间间隔。
27.根据本发明的实施例，载荷的变异性指示安装在风力涡轮机处的至少一个传感器的载荷传感器测量结果的方差或标准差，该传感器包括安装在机舱和/或转子叶片处的前述机舱传感器和/或应变传感器和/或光纤布拉格传感器，其中，载荷的变异性特别地指示冲击风力涡轮机、特别是至少一个转子叶片处的风的湍流。
28.由此，在本发明的实施例中可采用常规可用的传感器。所述标准差可与常规已知的统计标准差相关。所述标准差可有利地指示冲击在叶片或机舱上的风的湍流。通常，风的湍流可能导致疲劳损伤或增加疲劳载荷。由此，在本发明的实施例中可减少疲劳损伤或疲劳载荷。
29.根据本发明的实施例，风力涡轮机位于浮动平台上，其中，移动风力涡轮机包括控制构造成改变风力涡轮机的离岸位置的定位设备，该定位设备包括布置在浮动平台处和/或海底地面处和/或海中的至少一个致动器，其中，该定位设备特别是包括至少两个系泊索，该系泊索在一端处连接到浮动平台处的不同位置，并且在另一端处连接到海底地面的不同位置，该致动器被构造成放松和收紧系泊索。
30.因此，浮动平台不是固定地连接到海底地面，而是可在水平方向上移动。由此，提供了如下优点，即：可减少载荷，特别是疲劳损伤，和/或可增加发电量。该致动器例如可包括电动马达和/或液压系统。通过还支持系泊索，可支持常规可用的定位设备。
31.根据本发明的实施例，该方法还包括采用第一统计模型，特别是贝叶斯模型，该模型将尾流影响的状态与以下至少一者相关联：风力涡轮机的离岸位置；风力涡轮机的机舱的定向，该机舱至少部分地保持转子；载荷测量值的变异性，特别是时间序列；定位设备控制输入，特别是系泊索的收入和/或放出长度，特别是时间序列；风速，特别是时间序列；风向。
32.例如，第一统计模型可根据如上列出的参数来提供风力涡轮机处于尾流区域中或不处于尾流区域中的(条件)概率。统计模型可能已从测量或确定所有上述参数或至少监测上面列出的参数的一部分的先前获得的训练数据中得到。载荷测量值例如可包括与第一位置和/或第二位置相关的载荷测量值。载荷测量值可被连续监测，并且可与第一位置和第二位置之间的任何位置相关。
33.使用第一统计模型，给定其他以上列出的参数，可使得能够确定风力涡轮机是否处于尾流影响的状态的(条件)概率。
34.根据本发明的实施例，所述方法还包括采用第二统计模型，特别是贝叶斯模型，该
模型将风力涡轮机的离岸位置与以下至少一者相关联：尾流影响的状态；风力涡轮机的机舱的定向，该机舱至少部分地保持转子；载荷测量值的变异性，特别是时间序列；定位设备控制输入，特别是系泊索的收入或放出长度，特别是时间序列；风速，特别是时间序列，风向，其中，第一模型和第二模型特别地可由基本上相同的训练数据得到。
35.给定如上列出的参数中的一个或多个，利用第二统计模型可使得能够特别地确定目标离岸位置。由此，例如可执行优化方法。本发明的实施例采用张拉整体架构原理(tensegrity architecture principle)，这是通过在系泊索上施加张力来将浮动平台导航到最佳位置。该最佳位置可以是机械推力载荷标准差在转子区域上平衡的位置。由此，风力涡轮机可被重新定位，以将其引离逆风尾流和viv干扰。由此，同时定位和地图构建(slam)可适于避免需要例如尾流干扰区和风力涡轮机运动学模型的地形几何形状的明确数学描述。
36.第一统计模型可限定风力涡轮机不处于尾流区中的条件概率。给定风力涡轮机运动学状态、载荷测量结果和定位设备控制器输入，第一统计模型可描述或限定风力涡轮机处于尾流区中或不处于尾流区中的概率。
37.第二统计模型可用于求解第一统计模型，以便确定环境地图构建m_i(即，处于尾流区域中或不处于尾流区域中)和轨迹规划x_i。
38.根据本发明的实施例，所述方法还包括基于第一统计模型和/或第二统计模型来确定目标离岸位置；以及将风力涡轮机移动到该目标离岸位置。由此，不仅限定了移动方向，而且还限定了最终期望的目标离岸位置。由此，可使得能够将风力涡轮机移动到新的离岸位置，该位置以更高程度的可靠性处于可接受的位置，即处于无尾流区域中。
39.根据本发明的实施例，所述方法还包括基于第一统计模型和/或第二统计模型来确定从当前离岸位置到目标离岸位置的轨迹，并且沿所确定的轨迹将风力涡轮机移动到目标离岸位置。
40.确定该轨迹可利用或采用第一统计模型和/或第二统计模型。当该轨迹也被确定时，例如可避免风力涡轮机平台与一个或多个其他平台碰撞。为了确定该轨迹，可考虑另外的限制。因此，可改进移动，特别是提高安全性。
41.根据本发明的实施例，所述方法还包括：当风力涡轮机处于目标离岸位置处或任何中间离岸位置处时，测量与风力涡轮机处的第一位置相关的载荷的变异性的另一个第一值；测量与风力涡轮机处的第二位置相关的载荷的变异性的另一个第二值，并且特别是基本上同时或在至少基本上相同的风况下，测量与参考风力涡轮机处的第一位置相关的载荷的变异性的第一参考值；测量与参考风力涡轮机处的第二位置相关的载荷的变异性的第二参考值；将另一第一值与第一参考值比较；将另一第二值与第二参考值比较；并且基于参考比较，来确定风力涡轮机处于可接受的离岸位置处，特别是尾流区域之外。
42.根据该实施例，可确定重新定位的风力涡轮机是否经历与参考风力涡轮机相似的载荷变异性，其中，该参考风力涡轮机可代表在风相互作用方面基本上未受任何障碍物或其他风力涡轮机阻挡的风力涡轮机。该参考风力涡轮机例如可被认为是不受尾流影响的风力涡轮机。由此，提供了一种可靠的措施，其使得能够准确地确定目标离岸位置是否实际上处于可接受的离岸位置处。另一个第一值和另一个第二值例如可利用相应地用于确定第一值和第二值的相同传感器或其他传感器来确定。对于参考风力涡轮机，可利用与用于测量
待重新定位的所考虑的风力涡轮机的相应值的传感器相似或相同类型的传感器。特别地，对于变异性，可确定在相应的不同位置处测量的载荷值的标准差。
43.根据本发明的实施例，参考风力涡轮机定位成距离所考虑的风力涡轮机不超过5km(或者7km或10km)，和/或冲击到参考风力涡轮机上的风不受任何其他风力涡轮机阻碍，并且特别是还包括基于参考比较来更新第一统计模型和/或第二统计模型。
44.由此，参考风力涡轮机可代表经历风冲击的风力涡轮机，该风冲击不受任何其他逆风障碍物干扰，例如其他风力涡轮机。如果已经重新定位的考虑用于重新定位的风力涡轮机在不同位置处显示或展示出与参考风力涡轮机相似的载荷变异性，则这可以可靠地表明重新定位的风力涡轮机现在也处于基本上无尾流的区域中，并且由此经历与参考风力涡轮机相似的风况。
45.此外有利地，可利用基于参考比较的评价来更新统计模型。由此，统计模型可得到改进并将增量式地改进。
46.根据本发明的实施例，将另一个第一值与第一参考值比较包括确定另一个第一值与第一参考值之间的差的第一绝对值；其中，将另一个第二值与第二参考值比较包括确定另一个第二值与第二参考值之间的差的第二绝对值；其中，确定风力涡轮机处于可接受的离岸位置处包括确定该第一绝对值和第二绝对值之和小于参考阈值。
47.由此，提供了用于执行参考比较的简单方式。该参考阈值可根据应用、灵敏度和特异性来确定。如果第一绝对值和第二绝对值之和不小于参考阈值，则可表明重新定位的风力涡轮机不处于可接受的离岸位置处，特别是处于至少部分地受尾流影响的区域或离岸位置。
48.应当理解，单独地或以任何组合公开、描述、解释或提供的用于重新定位浮动离岸风力涡轮机的方法的特征也单独地或以任何组合适用于根据本发明的实施例的用于重新定位浮动离岸风力涡轮机的装置，并且反之亦然。
49.根据本发明的实施例，提供了一种用于重新定位浮动离岸风力涡轮机的装置，该浮动离岸风力涡轮机位于当前离岸位置处并且具有在转子叶片平面区域中旋转的转子叶片，该装置包括处理器。该处理器适于接收与风力涡轮机处的第一位置相关的载荷的变异性的第一值，并且接收与风力涡轮机处的第二位置相关的载荷的变异性的第二值；将该第一值与第二值比较；并且根据该比较，并且特别是还根据相对于第二位置的第一位置，而得到适于沿一方向移动风力涡轮机的控制信号。
50.该装置还可包括至少一个传感器，其能够提供至少第一和/或第二位置处的载荷的测量信号。此外，该装置还可包括定位设备。
51.根据本发明的实施例，提供了一种风力涡轮机，其包括：转子，多个转子叶片被安装在该转子处并被允许在转子叶片平面中旋转；至少一个传感器，其适于测量与风力涡轮机处的第一位置相关的载荷的多个第一载荷值，并且测量与风力涡轮机处的第二位置相关的载荷的多个第二载荷值；根据前述实施例的装置，其通信地耦接到该传感器，以便接收测量值，特别是定位设备，该定位设备构造成改变风力涡轮机的离岸位置，并且通信地耦接到该处理器，以便接收控制信号。
52.本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更
详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。
附图说明
53.现在参考附图来描述本发明的实施例。本发明不限于所图示或描述的实施例。
54.图1示意性地图示了根据本发明的实施例的方法期间的状况；
55.图2示意性地图示了根据本发明的实施例的方法期间的另一种状况；
56.图3示意性地图示了根据本发明的实施例的方法方案；以及
57.图4示意性地图示了根据本发明的实施例的风力涡轮机。
具体实施方式
58.图1是两个离岸风力涡轮机1、2的正视图，其图示了根据本发明的实施例的重新定位浮动离岸风力涡轮机的方法期间的状况。箭头3表示风向。因此，风力涡轮机1为逆风的风力涡轮机，由于如区域4中所示的尾流区域，其可能会影响下游的风力涡轮机2。应当注意的是，区域4为由于上游的风力涡轮机1的尾流引起的干扰而具有增加的值的风速标准差湍流(wind velocity standard deviation turbulence)的区域。引入该区域4只是为了视觉演示的目的，而不是根据本发明的实施例的如本技术中公开的模型/算法所必需的。
59.逆风的风力涡轮机1位于浮动平台5上，该浮动平台5被连接到系泊索6，该系泊索6在一端处连接到浮动平台5处的不同位置，并且在另一端处连接到海底地面(sea ground)处的不同位置7。
60.类似地，下游的风力涡轮机2(考虑用于重新定位)被布置在浮动平台5上，该浮动平台5也被连接到系泊索6，该系泊索6在一端上连接到浮动平台5的不同位置，并且在另一端处连接到海底地面7处的不同位置。通过收入/放出不同的系泊索6，风力涡轮机2可被水平移动，这是根据本发明的实施例所采用的。
61.逆风的风力涡轮机1可用作参考风力涡轮机，其在冲击风方面不受任何进一步上游的风力涡轮机影响。参考风力涡轮机1包括至少一个传感器(如将在图4中图示的)，其能够测量转子叶片平面8的不同侧向半部处的载荷f^_1、f^_2。转子叶片9在转子叶片平面8内旋转。第一参考载荷测量结果f^_1与转子叶片平面8的第一侧向半部中的载荷测量相关，并且参考载荷测量结果f^_2与转子叶片平面8的第二侧向半部中的载荷测量相关。
62.类似地，考虑用于重新定位的风力涡轮机2也包括至少一个传感器，其能够测量与转子叶片平面8的第一半部相关的载荷f_1。此外，风力涡轮机2包括用于测量与转子叶片平面8的第二侧向半部处的载荷相关的载荷f_2的传感器。转子叶片区域在图1中被分成转子叶片平面的第一侧向半部8_1和第二侧向半部8_2，它们共同以附图标记8标记。风力涡轮机2的传感器可被布置在转子叶片平面的第一侧向半部8_1或第二侧向半部8_2或者整个风力涡轮机2内的任何位置处。风力涡轮机2包括用于重新定位浮动离岸风力涡轮机的装置，其能够执行根据本发明的实施例的重新定位浮动离岸风力涡轮机的方法。下面将参考图4来更详细地描述该装置。
63.风力涡轮机2当前位于当前离岸位置11(x0)处。在重新定位浮动离岸风力涡轮机的方法期间，确定目标位置10(x)。该目标位置x特别是基于比较在转子叶片平面8的不同侧向位置处测量的载荷f_1和f_2的变异性(variability)来确定。此外，还确定前进方向12。
64.在图2中，图示了下一种状况的正视图，其中，风力涡轮机2已移动到先前确定的目标离岸位置x。因此，风力涡轮机2完全布置在尾流区域4之外。特别地，包括第一侧向半部8_1和第二侧向半部8_2的整个转子叶片平面布置在尾流区域4之外。
65.图3示意性地图示了根据本发明的实施例的重新定位浮动离岸风力涡轮机的方法。方法20开始于起始块21处。在块22中，在由风力涡轮机2的旋转的转子叶片9跨越的转子叶片平面的第一侧向半部8_1和第二侧向半部8_2处执行载荷测量f_1、f_2。根据不同位置处的载荷测量结果f_1、f_2，来确定相应的变异性。由此，在本实施例中，通过计算相应的标准差(standard deviation)σ来计算变异性。因此，项σ(f_1)表示与风力涡轮机处的第一位置相关的载荷的变异性的第一值。类似地，项σ(f_2)表示与风力涡轮机处的第二位置相关的载荷的变异性的第二值。在块23中，将该第一值σ(f_1)与该第二值σ(f_2)比较。特别地，确定该第一值和第二值之间的差的绝对值，并且评估该差是否大于阈值ε。因此，在框23中，执行以下评估：
66.∈＜||σ(f2)-σ(f1)||
67.如果该评估在逻辑上为假，则该方法终止于停止块24处。如果在块23中执行的评估在逻辑上为真，则其转换到评估块25。在评估块25中，执行以下评价或评估以确定移动方向：
68.如果σ(f_1)＜σ(f_2)，则向右移动。
69.如果σ(f_2)＜σ(f_1)，则向左移动。
70.因此，基于第一值σ(f_1)是小于还是大于第二值σ(f_2)，来确定移动方向。由此，移动方向是从转子叶片平面的中心区域朝向载荷的相应变异性较小的侧向半部。
71.在后续的块26中，考虑第一统计模型p(mi|xi，z
1：i
，u
1：i
)和第二统计模型p(xi|mi，z
1:i
，u
1：i
)，以用于求解轨迹和环境地图(environmental map)。因此，由此确定了目标离岸位置和朝向目标离岸位置的轨迹。
72.在模块27的一个或多个步骤中，其增量式地移向目标位置x，也如块28中所示。在块29中，到达目标位置x。
73.在后续的块30中，评估风力涡轮机现在是否处于可接受的离岸位置处。由此，将第一值σ(f_1)与第一参考值σ(f^_1)比较，并且将第二值σ(f_2)与第二参考值σ(f^_2)比较。参考值(与“不受尾流影响(unwaked)”的风力涡轮机相关)是从块60获得的，该块60从块61接收来自参考涡轮机1的数据。特别地，在评估块30中，执行以下评估：
[0074][0075]
如果块30中进行的评估得到逻辑上为真的结果，则其转换到方法块31。在方法块31中，更新第一统计模型和/或第二统计模型。特别地，在块31中，执行以下分配：
[0076]
p(mi|xi，z
1：i
，u
1：i
)＝l
[0077]
p(xi|mi，z
1：i
，u
1：i
)＝1
[0078]
然后该方法在停止块32处停止。
[0079]
如果在块30中完成的评估得到逻辑上为假的结果，则其转换到分配块33。在该分配块33中，也更新第一统计模型和/或第二统计模型。
[0080]
特别地，在块33中，执行以下分配：
[0081]
p(mi|xi，z
1：i
，u
1：i
)＝0
[0082]
p(xi|mi，z
2：i
，u
1：i
)＝0
[0083]
在方法步骤34中，执行增量。该增量发生在计算标准差σ(.)的新值的间隔之间。然后其返回到方法块26，其中，如前所述求解轨迹和环境地图。
[0084]
贝叶斯模型p(mi|xi，z
1：i
，u
1：i
)可限定风力涡轮机不处于受尾流影响(waked)的区域中的条件概率。由此，该方程可描述在给定输入x(风力涡轮机运动学状态)、z(载荷测量结果)和u(控制器输入)为真的情况下发生的环境地图的m、即尾流区域的概率。
[0085]
类似地，采用贝叶斯模型p(xi|mi，z
1：i
，u
1：i
)与上述模型一起求解，以确定环境地图构建m_i和轨迹规划x_i。函数σ(.)为标准差，其通过如下得到载荷测量的已知统计标准差来确定：
[0086][0087]
这里，f_i为指定区间内的相关载荷时间序列，并且f
′
_i是时间序列均值。
[0088]
σ(f_1)、σ(f_2)为单个风力涡轮机上的转子推力机械载荷的标准差。f_1和f_2描述了转子区域的一个半部、即右侧和左侧的推力时间序列，例如图1和图2中所示的横向侧部8_1、8_2。这些载荷是使用风电场中的所有风力涡轮机上可用的传感器来估算的。变量f^表示无尾流干扰的单元的转子推力时间历程(time history)，例如图1中所示的逆风的风力涡轮机1。这样的无尾流单元基于风向是已知的，特别是为处于风力发电场的行列的前部处的单元。
[0089]
对于给定的单元，当∈＜|σ(f2)-σ(f1)|时，用于重新定位的控制器被激活。
[0090]
该算法可在取决于所述第一值和第二值何者较小的方向上侧向地操纵受尾流影响的风力涡轮机单元。贝叶斯模型的载荷测量结果为z
1：n
＝{σ1，σ2，...，σn}。
[0091]
贝叶斯模型的控制器输入为系泊索线缆收入/放出长度和风速。
[0092]
贝叶斯模型的运动学状态为风力涡轮机全局位置和机舱定向。
[0093]
slam算法可通过创建统计模型来工作，该统计模型通过将尾流区域视为回避区来描述在下游机器上发生尾流相互作用的概率。该方法可在不需要显式模型或描述尾流区域的环境地图的情况下执行。因此，该算法不需要如图1和图2中所示的尾流区域4的知识。尾流事件概率是基于先验观察和用于填充缺失信息的干扰算法的组合。该干扰算法可被认为是一个优化问题，其中选择x_i、z_i：i、u_1：i的组合以便最大化
…
发生的概率。
[0094]
变量z_1：i表示载荷测量的标准差的时间序列。每个σ可在例如30秒和600秒之间的时间间隔内计算。统计模型中利用的所有时间序列都可以是离散时间序列。
[0095]
图1中描绘了风力涡轮机1、2的初始状态。期望或目标离岸位置x通过贝叶斯模型确定。然后，风力涡轮机2沿总体前进方向x连续移动。使用图3中所示的方法方案来执行如图1和图2中所示执行的过程。由此，根据本发明的实施例可执行以下步骤：
[0096]
1.fowt上的传感器测量转子推力载荷不平衡。当检测到载荷不平衡：∈0＜||σ(f1)-σ(f2)||时，此控制器被触发。当fowt单元“受尾流影响”时，此事件被注册。
[0097]
2.“受尾流影响”的涡轮机前进方向基于哪个转子半部载荷更高来确定。这作为算
法的第n个初始步骤来完成，以决定具有最小阻力路径的方向。
[0098]
3.使用贝叶斯模型同时求解运动轨迹和环境地图构建。在模型对于一组输入未限定的情况下，使用最大化期望优化算法来推断理想轨迹。
[0099]
4.到达期望位置。
[0100]
5.一旦到达设计位置，就针对不受尾流影响的风力涡轮机计算转子推力载荷的标准差。这基于风向和已知处于风电场行列的前部处的fowt单位来确定。接受顺风单位为“不受尾流影响”的标准是：
[0101][0102]
其中∈1为接受阈值。当σ(fi)＝σ(fi)时，两个单元遇到相同的载荷，并且因此，无论在风电场中的位置如何，都暴露于相同的大气条件。
[0103]
6.如果满足该标准，则停止更新fowt位置的过程，并且针对给定输入以“1”来更新贝叶斯概率模型。
[0104]
7.如果该标准未被接受，则针对给定输入以“0”来更新贝叶斯模型，并且重复该过程。
[0105]
根据本发明的实施例，提供以下主题：
[0106]
一种风电场，包括控制单元和多个浮动平台，执行浮动平台中的每一个锚定到至少一个锚点并且包括：
[0107]
系泊索供给系统，其在fowt上的每个连接点处收入/放出缆索，以最小化风力涡轮机部件上的周期性机械载荷；
[0108]
控制单元，其连接到fowt上的传感器，以测量叶片上的周期性机械载荷和机舱加速度。
[0109]
该系泊索供给系统是能够自动保持fowt的位置和前进方向的动态定位系统，并且需要：
[0110]
slam技术和贝叶斯模型，以识别将把fowt导航到尾流区之外的位置，从而减少推力载荷的方差(variance)。
[0111]
控制系统，其跟踪特定的期望轨迹和位置；
[0112]
控制系统，其将该期望轨迹和位置转换成fowt系统中每个系泊导缆器的缆索收入/放出速率；
[0113]
控制系统，其在浮动风电场内导航和协调fowt单元之间的移动。
[0114]
动态定位系统，其包括至少一个系泊索收入/放出致动器，该致动器适于改变部署的线缆长度，以便改变风力涡轮机轨迹和位置。
[0115]
风电场中的fowt单元之间的载荷时间序列信息的通信。
[0116]
作为系泊索或通过系泊索收入/放出调整的补充或替代，水下方位推进器可用于动态定位离岸风力涡轮机。作为其他上面公开的特征的补充或替代，当前也可在底部建造的离岸风力涡轮机上部署和利用尾流转向控制器。将需要增加系泊恢复力刚度以使得这种方法有效益。
[0117]
图4示意性地图示了根据本发明的实施例的风力涡轮机2。图1中所示的风力涡轮机2例如可构造为图4中所示的风力涡轮机。风力涡轮机2包括在漂浮在海41上的浮动平台5
处竖立的风力涡轮机塔架40。浮动平台5经由系泊索6连接到海底地面42处的不同位置7。在风力涡轮机塔架40的顶部上，安装保持转子43的机舱45。
[0118]
风力涡轮机2包括转子43，在该转子43处安装多个转子叶片9。这些转子叶片9在转子叶片平面8中旋转。转子叶片平面8可被分成转子叶片平面8的第一侧向半部8_1和第二侧向半部8_2。至少一个转子叶片9包括能够测量载荷的传感器44，例如通过应变传感器、光纤布拉格传感器(fibre bragg sensor)等。一个传感器44被布置在第二位置51处，并且另一个传感器44被布置在第一位置49处。
[0119]
风力涡轮机2还包括用于重新定位浮动离岸风力涡轮机2的装置50。该装置50包括处理器，其适于接收与转子叶片区域8的第一侧向半部8_1相关的多个第一载荷值52，并且得到该第一载荷值的变异性的第一值。此外，传感器44或者一个或多个其他传感器可能够测量与转子叶片平面8的第二半部8_2相关的载荷值。装置50还构造成接收与转子叶片平面的第二侧向半部8_2相关的多个第二载荷值46，并且得到该第二载荷值的变异性的第二值。
[0120]
风力涡轮机2还包括重新定位设备，其包括耦接到不同的系泊索6的致动器47、48。这些致动器47、48能够收入或收出系泊索6的长度，以便重新定位浮动平台5。由此，装置50被通信地耦接到致动器47、48。
[0121]
用于测量载荷的传感器可包括叶片载荷传感器和/或机舱加速度计。此外，可利用光纤布拉格传感器。可在slam方法中利用贝叶斯模型。可使用专门为概率优化定制的算法来同时求解单元位置和环境地图构建。
[0122]
应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

技术特征：
1.重新定位浮动离岸风力涡轮机(2)的方法，所述浮动离岸风力涡轮机(2)位于当前离岸位置(11)处并且具有在转子叶片平面(8)中旋转的转子叶片(9)，所述方法包括：测量与所述风力涡轮机处的第一位置(49)相关的载荷(f_1)的变异性的第一值(σ(f1))；测量与所述风力涡轮机处的第二位置(51)相关的载荷(f_2)的变异性的第二值(σ(f2))；将所述第一值(σ(f1))与所述第二值(σ(f2))比较；以及取决于所述比较，并且特别是还取决于相对于所述第二位置的所述第一位置，而沿方向(12)移动所述风力涡轮机。2.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述风力涡轮机处的所述第一位置(49)被布置在所述转子叶片平面(8)的第一侧向半部(8_1)中；其中，所述风力涡轮机处的所述第二位置(51)被布置在所述转子叶片平面(8)的第二侧向半部(8_2)中。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方向包括侧向方向(12)，所述方法还包括确定所述侧向方向，特别是水平方向：如果所述第一值(σ(f1))小于所述第二值(σ(f2))，则从所述转子叶片平面的中心区域指向所述第一侧向半部(8_1)，如果所述第二值(σ(f2))小于所述第一值(σ(f1))，则从所述转子叶片平面的中心区域指向所述第二侧向半部(8_2)。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述第一值(σ(f1))与所述第二值(σ(f2))比较包括评估所述第一值(σ(f1))与所述第二值(σ(f2))之间的差的绝对值是否大于阈值；以及移动所述风力涡轮机包括仅当所述差的所述绝对值大于阈值(ε0)时才移动所述风力涡轮机。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述载荷的所述变异性指示安装在所述风力涡轮机处的至少一个传感器(44)的载荷传感器测量结果(46)的方差或标准差，所述传感器包括安装在机舱和/或转子叶片处的加速度计和/或应变传感器和/或光纤布拉格传感器，其中，所述载荷的所述变异性特别是指示冲击所述风力涡轮机、特别是至少一个转子叶片处的风的湍流。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机位于浮动平台(5)上，其中，移动所述风力涡轮机包括控制构造成改变所述风力涡轮机的离岸位置的定位设备，所述定位设备包括布置在所述浮动平台(5)处和/或海底地面(42)处和/或海中的至少一个致动器(47、48)，其中，所述定位设备特别是包括至少两个系泊索(6)，所述系泊索(6)在一端处连接到所述浮动平台(5)处的不同位置，并且在另一端处连接到海底地面(42)的不同位置(7)，所述致动器被构造成放松和收紧所述系泊索。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
采用第一统计模型，特别是贝叶斯模型，所述模型将尾流影响的状态(mi)与以下至少一者相关联：所述风力涡轮机(2)的离岸位置(xi)；所述风力涡轮机的机舱(45)的定向，所述机舱至少部分地保持转子；载荷测量值(46)的变异性，特别是时间序列；定位设备控制输入，特别是系泊索的收入和/或放出长度，特别是时间序列；风速，特别是时间序列；风向(3)。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：采用第二统计模型，特别是贝叶斯模型，所述模型将所述风力涡轮机的离岸位置与以下至少一者相关联：尾流影响的状态(mi)；所述风力涡轮机的机舱的定向，所述机舱至少部分地保持转子；载荷测量值(46)的变异性，特别是时间序列；定位设备控制输入，特别是系泊索的收入或放出长度，特别是时间序列；风速，特别是时间序列，风向(3)，其中，所述第一模型和所述第二模型特别地能够从基本上相同的训练数据得到。9.根据前两项权利要求中任一项所述的方法，还包括：基于所述第一统计模型和/或所述第二统计模型来确定目标离岸位置(x)；以及将所述风力涡轮机移动到所述目标离岸位置。10.根据前三项权利要求中任一项所述的方法，还包括：基于所述第一统计模型和/或所述第二统计模型来确定从所述当前离岸位置到目标离岸位置的轨迹；沿所确定的轨迹将所述风力涡轮机移动到所述目标离岸位置。11.根据前三项权利要求中任一项所述的方法，还包括，当所述风力涡轮机处于所述目标离岸位置处或任何中间离岸位置处时：测量与所述风力涡轮机处的所述第一位置相关的所述载荷的变异性的另一个第一值(σ(f1))；测量与所述风力涡轮机处的所述第二位置相关的所述载荷的变异性的另一个第二值(σ(f2))；特别是基本上同时或在至少基本上相同的风况下：测量与参考风力涡轮机处的第一位置相关的载荷的变异性的第一参考值测量与所述参考风力涡轮机处的第二位置相关的载荷的变异性的第二参考值将另一个第一值(σ(f1))与所述第一参考值比较；将另一个第二值(σ(f2))与所述第二参考值比较；以及
基于参考比较来确定所述风力涡轮机处于可接受的离岸位置，特别是处于尾流区域之外。12.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述参考风力涡轮机(1)定位成距离所考虑的风力涡轮机(2)不超过5km，和/或冲击到所述参考风力涡轮机(1)上的风未受任何其他风力涡轮机或障碍物阻挡，特别是还包括：基于参考比较来更新所述第一统计模型和/或所述第二统计模型。13.根据前两项权利要求中任一项所述的方法，其中，将另一个第一值(σ(f1))与所述第一参考值比较包括确定另一个第一值与所述第一参考值之间的差的第一绝对值；其中，将另一个第二值(σ(f2))与所述第二参考值比较包括确定另一个第二值与所述第二参考值之间的差的第二绝对值；其中，确定所述风力涡轮机处于可接受的离岸位置包括确定所述第一绝对值和所述第二绝对值之和小于参考阈值(∈1)。14.用于重新定位浮动离岸风力涡轮机(2)的装置，所述浮动离岸风力涡轮机(2)位于当前离岸位置(11)处并且具有在转子叶片平面区域(8)中旋转的转子叶片，所述装置包括：处理器，其适于：接收与所述风力涡轮机处的第一位置(49)相关的多个第一载荷值(46)，并且得到所述第一载荷值(46)的变异性的第一值(σ(f1))；接收与所述风力涡轮机处的第二位置(51)相关的多个第二载荷值(52)，并且得到所述第二载荷值(52)的变异性的第二值(σ(f2))；将所述第一值(σ(f1))与所述第二值(σ(f2))比较；以及取决于所述比较，并且特别是还取决于相对于所述第二位置的所述第一位置，而得到适于沿方向(12)移动所述风力涡轮机的控制信号。15.风力涡轮机(2)，包括：转子(43)，多个转子叶片(9)被安装在所述转子(43)处并且被允许在转子叶片平面(8)中旋转；至少一个传感器(44)，其适于测量与所述风力涡轮机处的第一位置(49)相关的载荷的多个第一载荷值(46)，以及测量与所述风力涡轮机处的第二位置(51)相关的载荷的多个第二载荷值(52)；根据前一权利要求所述的装置(50)，其通信地耦接到所述传感器(44)，以便接收测量值，特别是定位设备(47、48、6)，其构造成改变所述风力涡轮机的离岸位置，并且通信地耦接到所述处理器，以便接收控制信号。

技术总结
重新定位浮动离岸风力涡轮机。描述了一种重新定位浮动离岸风力涡轮机(2)的方法，所述浮动离岸风力涡轮机(2)位于当前离岸位置(11)处并且具有在转子叶片平面(8)中旋转的转子叶片(9)，所述方法包括：测量与所述风力涡轮机处的第一位置(49)相关的载荷(F_1)的变异性的第一值；测量与所述风力涡轮机处的第二位置(51)相关的载荷(F_2)的变异性的第二值；将所述第一值与所述第二值比较；以及取决于所述比较，并且特别是还取决于相对于所述第二位置的所述第一位置，而沿方向(12)移动所述风力涡轮机。机。机。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：西门子歌美飒可再生能源公司
技术研发日：2021.10.14
技术公布日：2023/8/1