摘要：常规的自航自升式风电安装船动力定位方法主要使用MOSES软件进行模拟调载定位分析，易受潮汐动态变化影响，导致船动力定位效果不佳。基于模糊控制设计了一种全新的自航自升式风电安装船动力定位方法。计算了自航自升式风电安装船环境荷载，利用模糊控制生成了风电安装船动力定位曲线，从而实现了自航自升式风电安装船动力定位。实例分析结果表明，设计的自航自升式风电安装船模糊控制动力定位方法的定位效果较好，具有可靠性，有一定的应用价值，为提高海上风电施工安全性作出了一定的贡献。

　　关键词：模糊控制；自航自升；风电；安装船；动力；定位

　　0引言

　　在工业化发展背景下，我国的能源消耗量激增，人们在进行陆地开采的同时也逐渐研究海洋开采。在海上风力发电建设的过程中[1]，需要使用风电安装船输送基础安装装置，将需要安装的零件运送至指定的区域。我国大部分风电安装区域距离海岸较远[2]，工作区域水深较高，因此，为了提升风电安装的安全性，需要研究一种有效的风电安装船动力定位方法。

　　事实上，我国早期的风电安装定位技术主要依赖驳船、起重船等完成[3]，其主要通过有效定位桩进行定位判断。但驳船、起重船等并非专业化风电安装运输工具，容易受潮汐变化、天气等因素影响，降低自身的机动性，导致定位精度偏低[4]。除此之外，若面临相对较恶劣的风电安装环境，其不仅无法正常运输安装，还可能出现安装安全事故。在正常的安装环境下，常规的定位方式使用了相对复杂的定位操作方法完成定位[5]，在转场过程中会花费一定的时间，直接影响安装效率。除此之外，目前我国的海上风电安装设备的结构越来越大，对安装船的要求越来越高，因此，大部分海上风电工程逐渐使用自航自升式专业化风电安装船替代传统的驳船、起重船。自航自升式风电安装船对动力定位的要求较高，需要各个推进器共同配合[6]，完成打桩操作，从而形成一个固定的海上风电安装平台。研究发现，常规的自航自升式风电安装船动力定位方法主要使用MOSES软件进行模拟调载定位分析，易受潮汐动态变化影响[7]，导致船动力定位效果不佳，不符合海上风电安装安全要求，因此，本文基于模糊控制技术，设计了一种全新的自航自升式风电安装船动力定位方法。

　　1方法设计

　　1.1计算环境荷载

　　自航自升式风电安装船属于一体式新型安装船舶，其涉及的参数较多，因此，要想提高定位精度，需要准确计算自航自升式风电安装船环境荷载。本文使用SolidWorks软件进行了风电安装船建模，划分了ANSYS计算网格[8]，除此之外，为了模拟船体的实际定位状态，本文设计的方法还设置了Shell点壳单元，并将划分完毕的网格导入AQWA中，开始进行风电安装船动力定位荷载计算，绘制的船体三维模型如图1所示。由图可知，根据上述构建的风电安装船网格三维模型可以设置荷载计算固定参考坐标系[9]，如图2所示。

　　由图可知，在实际的风电安装船动力定位过程中，风荷载的大小适中在发生改变，因此，本文使用模块法固定各个风荷载方向[10]，从每个小的计算单元出发，获取荷载力矩，此时的安装船环境荷载计算如下:

　　式中：C为形状荷载系数；L为高度荷载系数。

　　根据上述计算的荷载可以进一步进行叠加计算，获取横纵向风荷载，再根据选定坐标系的荷载力矩计算安装船动力总力矩[11]。为了降低海流对安装船动力定位造成的影响，可以选取API流荷载系数进行综合计算[12]，为后续风电安装船动力定位规划作参考。

　　1.2生成动力定位曲线

　　风电安装船动力定位涉及的参量过多，定位过程复杂，难以保证最终的定位效果，模糊控制技术可以简化控制动态参量，实现高精度定位控制。

　　假设风电安装船舶处于动力输出状态[13]，此时随荷载变化，其动力发生了一定的改变，可以通过模糊解耦设计模糊数学模型zb，如下所示：

　　式中：Fb为安装船动力输出参量；v v为速度约束；e为动力输出运动角。

　　结合上述构建的数学模型可以生成惯性系数模糊矩阵，调整定位控制权值，此时生成的风电安装船动力定位曲线如图3所示。由图可知，根据上述的动力定位曲线，可以有效调整定位推进器的放置位置，根据纵向抵抗风速变化状态计算环境荷载参数，保证船舶动力定位精度[14]。

　　若在定位的过程中，船舶动力输出位置发生改变[15]，即存在了扰动系数，可以根据全局控制量设计定位函数GC如下：

　　式中：σ为动力定位优化层级，Voc为定位分布系数。

　　根据上述生成的定位函数可以设置学习系数抵消量，再利用模糊控制算法生成最终的船动力定位策略O(Y)，如下所示：

　　式中：R(X)为万能逼近误差量；LX为定位波动误差；α为定位策略控制系数，使用上述的船动力定位策略可以有效确定全局控制量与输出量，实现定位最优化，保证了最终的风电安装船定位效果。

　　2实例分析

　　2.1概况及准备

　　根据风电安装船动力定位实例分析要求，本文选取浙江台州1号海上工程作为研究工程，进行了实例分析。研究工程的总装机容量为300 MW，存在配套升压站，本研究标段位于整个风电场西部，装机容量150 MW，海底泥面高程（85高程）在-8～-14 m之间，水深变化较小。本工程规划装机容量为300 MW，共40台7.5 MW风力发电机组，风机轮毂中心高度+122 m，叶轮直径204 m，研究区域位置如图4所示。

　　由图4可知，研究区域所用风电机组均为东方电气7.5 WM风电机组，共计20台。风机基础采用单桩基础形式，钢桩直径7.5～8.8 m，长度83～102 m，单桩质量1 393～1 766 t，材质为DH36船板，壁厚70～90 mm。钢管桩顶设置法兰结构，在钢管桩制作厂与钢管桩焊接完成检验合格后出厂，钢管桩顶法兰与风机下塔筒法兰对接，钢管桩法兰顶面高程为+15.000 m。

　　研究区域位于浙江沿海中部，南邻温州，北接宁波。台州属中亚热带季风区，气候受海洋调节，温暖湿润。本工程位于浙江省台州市海域，场区中心点距离海岸约16.5 km。本工程场址呈四边形，涉海面积23 km2。研究区域的月平均风速变化较大，各月平均风速在4.9~7.6 m/s之间，1—2月、7—12月属一年中风速较大时段，4—6月是一年中风速较小时段，风速较大月份原因为7—9月。

　　按照国家标准《海道测量规范》（GB12327-98）所规定的十三分潮（Sa、Ssa、O1、K1、P1、Q1、M2、S2、N2、K2、M4、MS4、M6）的振幅和迟角，从而计算出该区域的理论深度基准面。根据工程场区附近T1潮位站2017年9月—2018年9月期间的潮位观测成果，工程场区理论深度基准面在平均海面以下3.14 m，研究区域的工程海域基面关系如图5所示。由图可知，工程场区附近专用潮位站T1与健跳海洋站同步高、低潮位之间具有很好的相关性。其中，高潮位的相关关系为：y=0.843 3x+0.127 4，x为健跳海洋站高潮位，y为专用潮位站T1高潮位，相关系数R=0.992 8；低潮位的相关关系为：y=0.896 5x+0.082 9，x为健跳海洋站低潮位，y为专用潮位站T1低潮位，相关系数R=0.997 8。

　　对极值潮位资料采用PIII型和极值I型分布曲线推算，为安全考虑选用P-III型分布曲线推算结果，得到健跳海洋站100年一遇高、低水位分别为5.38 m和-3.93 m，50年一遇高、低水位分别为5.08 m和-3.84 m。考虑到健跳海洋站位于三门湾湾内近岸地区，湾内潮差相对工程海域偏大，且专用潮位站T1与健跳海洋站同期潮位资料相关性较好，故利用健跳海洋站和专用潮位站T1相关关系，分别计算工程场区附近专用潮位站T1的不同重现期高、低水位，根据上述的概况及准备，可以规划标准定位点，得出后续的实例分析结果。

　　2.2应用结果与讨论

　　结合上述的概况及准备，在选取的研究区域即可进行自航自升式风电安装船动力定位实例分析，即预设若干个风电安装船动力定位点，使用本文设计的基于模糊控制的自航自升式风电安装船动力定位方法进行定位，记录不同定位点的定位坐标，将其与标准定位坐标对比，实例分析结果如表1所示。由表可知，本文设计的基于模糊控制的自航自升式风电安装船动力定位方法在不同定位点的定位坐标与实际坐标较拟合，且定位识别的纵荡与横荡与实际相等，上述实验结果证明，本文设计的基于模糊控制的自航自升式风电安装船动力定位方法的定位效果较好，具有准确性，有一定的应用价值。

　　3结束语

　　综上所述，受不可再生能源消耗的影响，我国的生态环境恶化明显，急需使用风电等清洁能源替代原本的化石燃料能源。风力发电是一种新型发电技术，也是我国相对成熟的一种新能源发电方式。研究表明，海上风力资源相对较丰富，因此，在海上完成风力发电是目前的最优选择。目前我国主要使用自航自升式风电安装船完成安装，但其易受潮汐等因素影响导致安装定位失常，为了解决上述问题，本文基于模糊控制设计了一种全新的自航自升式风电安装船动力定位方法。实例分析结果表明，设计的风电安装船动力定位方法的定位效果较好，具有可靠性，有一定的应用价值，为降低海上风电施工风险作出了一定的贡献。

　　参考文献：

　　[1]王凯,武宗豪,韩若朗,等.砂土中桩靴贯入深度对自升式风电安装船水平承载特性影响的试验研究[J].南方能源建设,2023,10(4):1-10.

　　[2]刘润,孙国栋,袁宇,等.非对称风-浪荷载下海上风电筒型基础的累积倾角研究[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2023,56(6):613-622.

　　[3]张柏楠,韩勃,代松,等.基于FDEM的大型海上风机嵌岩单桩基础水平承载特性研究[J].岩石力学与工程学报,2023,42(S1):3309-3323.

　　[4]李达,白雪平,张婧文,等.圆筒型FPSO总体设计方案与关键技术——以"海洋石油122"为例[J].中国海上油气,2023,35(2):184-194.

　　[5]贺广健,刘海波,宫勋,等.基于有限时间超螺旋滑模控制的船舶动力定位控制律设计[J].长春理工大学学报(自然科学版),2022,45(6):1-9.

　　[6]张隆辉,彭秀艳,刘正锋,等.动力定位系统控制下的半潜生活支持平台靠泊FPSO动态过程数值仿真研究(英文)[J].船舶力学,2022,26(6):861-873.

　　[7]吴承恩,邱少华.无动力定位辅助系泊的北海型支持平台与FPSO靠泊运动响应分析[J].江苏航运职业技术学院学报,2021,20(4):76-81,86.

　　[8]周守为,曾恒一,林瑶生,等.海洋重大技术装备项目管理成效与启示——以"海洋石油981"平台研制为例[J].石油科技论坛,2021,40(3):108-112.

　　[9]郑旭,关钦月,徐敬友,等.考虑分布式能源集群暂态过电压抑制的交直流混联电网无功优化方法[J].可再生能源,2023,41(8):1089-1094.

　　[10]蔡宇航,吴炅,锁连,等.考虑热电厂的主动配电网源网荷储协调优化调度研究[J].内蒙古工业大学学报(自然科学版),2023,42(4):343-349.

　　[11]刘会涛,吴平平,许结芳,等.大容量储能系统在海上风电安装平台的应用[J].机电工程技术,2022,51(10):31-35.

　　[12]林超辉,曾镜灵,赖柏豪,等.海上风电安装船桩腿风浪流耦合有限元对比分析研究[J].机电工程技术,2022,51(10):11-16.

　　[13]赵亮,汪学锋,李欣,等.波流-碎冰耦合作用下平台动力定位辅助系泊模型试验研究[J].船舶力学,2023,27(7):995-1005.

　　[14]徐亮.自抗扰控制算法船舶动力定位仿真分析[J].舰船科学技术,2023,45(12):103-106.

　　[15]张晶晶,刘一,陈科,等.半潜式钻井平台在海洋内波中的动力定位能力分析[J].中国造船,2022,63(5):101-113.