浮式平台调谐减振-发电垂荡板及其半主动控制系统研究

In this project, a novel tuned heave plate and energy harvesting system (THPEH) base on dynamic absorber, is proposed to improve the motion performance of the floating platform and capture considerable wave energy for use. Firstly, the numerical model of the coupled system of the THPEH and platform is established, by combining the hydrodynamic calculation model of the platform, hydrodynamic coefficients of the heave plate and the force model of the generator module. Secondly, though the parameter analysis of the THPEH system based on this numerical model, the optimization design method of the system is proposed, considering two functions of motion suppressing and energy harvesting. Then, in order to improve the motion control and energy harvesting performances of the THPEH system, semi-active control strategies are established base on the latching control device and resistance regulation for the generator module. Finally, with the actuator delay is considered and compensated, the motion control and energy harvesting performances of the THPEH system with semi-active control system are studied through the real-time hybrid simulation test method. And the test results are used to verify the optimization design method and the semi-active control strategies. The object of this research is to propose a novel solution for improving the motion performances of the floating platform, and also offer a new idea for developing wave energy conversion technology, which has the important theoretical and practical significances.

本项目提出一种新型的调谐减振-发电垂荡板系统（THPEH）来改进深海平台的运动性能，同时可捕获波浪能并转换为电能供平台使用。首先结合浮式平台水动力计算模型、垂荡板水动力参数以及发电模块的阻力模型，建立THPEH系统与平台的耦合系统数值计算模型；其次在此基础上对该系统进行参数分析，并提出兼顾减振和发电两功能下的参数优化设计方法；然后基于液压锁定控制装置和发电机负载调节，建立相应的半主动控制策略，以进一步提高该系统对平台运动控制效果和发电效率；最后在考虑作动器时滞影响，并提出相应的数值计算方法和补偿方法基础之上，通过实时混合模拟实验方法，研究半主动控制条件下的THPEH系统对平台运动响应控制和波浪发电效率的作用，验证参数优化设计方法和控制策略的有效性。通过本项目的研究，为改善深海浮式平台运动性能提供了新的解决方案，并为波浪能开发利用提供了新的思路，具有重要的理论和实际意义。

浮式平台是深海油气开发的基础设施，其运动性能直接关系到油气生产效率以及安全性。而在传统能源开发过程中，如何辅以新能源的开发利用，进而优化现有能源的开发过程，也是大多数能源产业需要解决的关键问题。本项目提出一种新型的调谐减振-发电垂荡板系统（THPEH）来改进深海平台的运动性能，同时可捕获波浪能并转换为电能供平台使用。THPEH系统一方面利用垂荡板的巨大附加质量，与弹性元件和发电机组成一个大质量比的TMD系统，通过动力放大效应和增加发电机的附加阻尼，提高垂荡板结构对平台的运动响应的抑制效应；另一方面，调谐垂荡板系统与平台组成一个类似双体振荡浮子式波能转换装置，通过两者之间的相对运动来驱动的直驱式发电机进行发电。.本项目从THPEH与浮式平台的耦合系统的数值计算模型的建立、兼顾减振和发电双功能的THPEH系统参数优化设计方法、THPEH系统半主动控制策略的建立以及THPEH及其控制系统实时混合模拟实验方法研究四个方面开展研究。达成了THPEH系统的数值计算模型、THPEH系统参数优化设计方法、半主动控制系统建立以及实时混合模拟实验方法验证的研究目标。结果表明，采用THPEH系统能够有效减小浮式平台运动响应，并同时捕获可观波浪能进行发电；合理调节THPEH系统的刚度和阻尼系数可同时兼顾极限波浪荷载下的运动控制效果和平均波浪海况下的波能捕获效果；采用锁定半主动控制策略能够进一步提高THPEH系统的捕能效率；对于这种复杂结构，大比尺的实时混合模拟实验方法能够更为有效地完成试验，并与数值模拟结果保持较好的一致性。