海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置及控制方法

1.本发明涉及一种海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置及控制方法，属于海上风电控制技术领域。


背景技术：

2.近几十年，世界范围内的风能利用与开发得到了广泛持续地高速发展，与传统的陆上风力机相比，深海风能资源更加丰富，空间限制更小，是未来风电产业发展的必然选择。与固定式基础风力机相比，漂浮式海上风力机所处的海洋环境更加复杂，风浪联合载荷会导致结构产生过大的振动，并且会在叶根、塔根等关键部位引起较大的疲劳载荷。
3.针对此大负荷，当前提出两类控制方法。第一种方法是利用桨距控制策略改变转子推力以减轻负载，但浮式风力机的柔性基础特性决定了平台运动频率很低，这导致传统桨距控制方法可能产生负阻尼。减少载荷的另一种有效方法是利用结构控制系统进行被动或主动控制，该方法已经成功用于土木结构中防风抗震，被认为是延长风力机使用时间的推荐策略。
4.最常见的被动结构控制装置是调谐质量阻尼器(tmd)。tmd被动控制存在对结构受控频率波动过于敏感及鲁棒性较差等缺点，主动控制被证明效果更优、发挥更加稳定，但是当前的研究仅将lqr和h∞控制算法应用于主动控制器，这两种方法均需要线性简化风力机模型进行控制设计，本文尝试发挥主动控制的抑振潜力，提出工业应用更为实际的控制方法，无需线性简化模型，可以在线调参，达到控制效果更优的目的。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置及控制方法，能很好的克服在工作过程中因风浪联合载荷所产生的不利影响，且能保证系统在大负载多工况下受到控制作用都能保持良好的稳定性。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置，包括：传感器、控制器和执行器；
7.在海上漂浮式风电系统的塔架顶部和平台上均安装所述传感器，所述传感器，用于采集塔顶位移加速度和平台俯仰角加速度数据，并将所得数据输送到所述控制器，所述塔架一端连接风机机舱，另一端连接海中漂浮式的所述平台；
8.所述控制器，用于根据所述数据计算控制力，根据计算得到的控制力生成抵消信号发送给所述执行器；
9.所述执行器，用于根据所述抵消信号对风机机舱中的调谐质量阻尼器tmd施加控制力，用于通过控制风机机舱中的调谐质量阻尼器tmd控制所述平台保持稳定。
10.进一步的，所述控制器采用nfc控制器，nfc控制器为新型基础控制器。
11.一种海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置的控制方法，包括：
12.根据凯恩动力学理论，基于预先获取的海上漂浮式风电系统机舱的质量、高度、刚
度系数、阻尼系数、转动惯量和塔架的质量、高度、刚度系数、阻尼系数、转动惯量推导得到海上漂浮式风力发电机组的凯恩运动方程；
13.采用相对于地面的坐标系，基于hmd结构中tmd质量块的质量、阻尼器的阻尼系数、弹簧的刚度系数及所施加的主动控制力建立单自由度hmd系统的弹性动力学运动方程；
14.结合所述凯恩运动方程和所述弹性动力学运动方程，推导出hmd与该风电系统耦合的完整非线性时域运动方程；
15.针对所研究的海上漂浮式风电系统，在fast仿真软件中获取其动态响应，计算得到海上漂浮式风电系统主要运动模态，根据海上漂浮式风电系统主要运动模态以及所选取的tmd质量块的质量计算得出tmd刚度系数，并结合系统运动方程和最小化代价函数得到tmd阻尼系数，由此得到tmd最佳参数，tmd为调谐质量阻尼器；
16.设置调谐质量阻尼器tmd中的tmd参数为所述tmd最佳参数以达到被动控制效果最优的情况，并引入加速度反馈设计nfc主动控制器；
17.根据z-n法则进行nfc控制器参数整定，获得hmd最优主动控制力，并将hmd最优主动控制力的大小传输给执行器，执行器进行相应控制。
18.进一步的，所述完整非线性时域运动方程表示为：
[0019][0020]
式中，m
ij
是惯性质量矩阵的(i,j)分量，该分量非线性地依赖于系统自由度q、控制输入u和时间t，为自由度j的二阶导数，fi是与自由度i相关的力的函数的分量，表示为自由度j的一阶导数。
[0021]
进一步的，所述nfc控制器的函数为：
[0022][0023]
式中：g(s)表示主动控制系统传递函数，gain
t
和gain
p
分别为使得信号塔顶前后位移和平台俯仰角无量纲化的rms值，α为可变参数，α∈[0,1]，nfc(s)表示nfc控制器的传递函数，hplo(s)表示高性能超前观测器hplo的传递函数，hppi(s)表示高性能pi控制器hppi的传递函数，将hppi和hplo串联得到新型基础控制器nfc。
[0024]
hppi(s)具体定义如下所示：
[0025][0026]
式中：k
hppi
为hppi的外部比例增益；高效积分器hei由aswf构造，hei(s)表示hei的传递函数，t
hei
表示hei时间常数，aswf(s)、t
aswf
、n
aswf
分别为aswf的传递函数、近似滑动窗时
间长度、整数阶次，β表示阶次，传递函数中的复变量s在实部为零、虚部为角频率时就是频率响应；
[0027]
hplo(s)具体定义如下所示：
[0028][0029]
式中：hplo(s)、t
hplo
分别为hplo的传递函数、超前观测时间常数；hgpi为高增益pi控制器，hgpi(s)、k
hgpi
、t
hgpi
为hgpi的传递函数、比例增益、积分时间常数；lpf为低通滤波器，lpf(s)、t
lpf
为lpf的传递函数、滤波时间常数。
[0030]
进一步的，所述根据z-n法则进行nfc控制器参数整定，获得hmd最优主动控制力，包括：
[0031]
利用z-n法则对下式进行nfc控制器参数整定，得到ω
pfb
,ω
pfb
与t
z-n
之间的关系；
[0032][0033]
式中：t
hplo
表示超前观测时间常数，t
hei
表示hei时间常数，k
hppi
表示hppi的外部比例增益，ω
pfb
为过程频率带宽，τ
z-n
为过程滞后，t
z-n
为过程时间常数，k
z-n
为过程增益；
[0034]
所述ω
pfb
,ω
pfb
与t
z-n
之间的关系表示为：
[0035][0036]
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
[0037]
一种计算机设备，包括，一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。本发明所达到的有益效果：
[0038]
(1)建立在加速度信息反馈及nfc控制方法的基础上，理论上按照本发明所给出的控制器设计方法所设计的非线性控制器不会丢失系统的原有信息；
[0039]
(2)适用于各种海上漂浮式风电系统，尤其是整体吃水较浅，重心偏高，在深海恶劣海况时，会发生较大的摇荡运动的驳船式系统，因此可以应用到各类实际工程系统中，有广阔的应用前景；
[0040]
(3)本发明所提出的控制器设计方法无需高深的理论知识和复杂的数学推导，减
少了传统控制器如lqr控制器设计所需的线性化模型和参数辨识，易于工程实现。
附图说明
[0041]
图1是驳船式海上风电系统与hmd主动控制系统连接示意图；
[0042]
图2是hmd主动控制系统示意图；
[0043]
图3是结构振动hmd主动控制策略的控制框图；
[0044]
图4是驳船式风电系统塔顶前后位移的功率谱密度；
[0045]
图5无控制、被动控制、主动控制作用下驳船式风电系统塔顶前后位移对比图；
[0046]
图6无控制、被动控制、主动控制作用下驳船式风电系统塔顶前后位移psd对比图；
[0047]
图7无控制、被动控制、主动控制作用下驳船式风电系统平台俯仰角对比图；
[0048]
图8无控制、被动控制、主动控制作用下驳船式风电系统平台俯仰角psd对比图；
[0049]
图9是nfc控制器的控制流程图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0051]
本发明的一种海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制方法，包括：首先，基于凯恩动力学理论，结合单自由度hmd系统的弹性动力学运动方程，推导出hmd与风力机系统耦合的完整非线性时域运动方程的一般形式；然后，针对该非线性模型通过最小化代价函数进行tmd参数优化设计；最后，引入加速度反馈并用nfc控制器作为控制核心实现本发明的主动结构振动控制系统。
[0052]
如图1和2所示，本发明的海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置，包括：传感器、控制器和执行器；
[0053]
在海上漂浮式风电系统的塔架顶部和平台上均安装所述传感器，所述传感器，用于采集塔顶位移加速度和平台俯仰角加速度数据，并将所得数据输送到所述控制器，所述塔架一端连接风机机舱，另一端连接海中漂浮式的所述平台；
[0054]
所述控制器，用于根据所述数据计算控制力，根据计算得到的控制力生成抵消信号发送给所述执行器；
[0055]
所述执行器，用于根据所述抵消信号对风机机舱中的调谐质量阻尼器tmd施加控制力，用于通过控制风机机舱中的调谐质量阻尼器tmd控制所述平台保持稳定。
[0056]
所述控制器采用nfc控制器，nfc控制器为新型基础控制器。
[0057]
如图9所示，所述方法具体包括：
[0058]
ss1根据现有文献，对于包含p个广义坐标系的风力发电整机系统，如图1所示，使用凯恩动力学理论来推导系统的运动方程。根据牛顿运动定律的直接结果，简单完整系统的凯恩运动方程可以表述为:
[0059]fi
+f
i*
＝0 (i＝1,2,
…
,p)
[0060]
对于一组参考坐标系nr，质量mr，和质量中心位置xr的w刚体，广义驱动力fi和广义惯性力f
i*
可表述为：
[0061][0062]
其中，与分别表示xr处的驱动力和力矩，表示刚体在质量中心点角动量的一阶导数，分别表示质量中心点的速度、加速度和角速度。
[0063]
hmd控制装置放置于风力机机舱，根据所建立的hmd运动方程，可以导出风机与支撑平台耦合系统的完整非线性时域运动方程一般形式为:
[0064][0065]
式中，m
ij
是惯性质量矩阵的(i,j)分量，该分量非线性地依赖于系统自由度q、控制输入u和时间t。为dofj的二阶导数，fi是与自由度i相关的力的函数的分量。
[0066]
ss2采用相对于地面的坐标系，建立单自由度hmd系统的弹性动力学运动方程为：
[0067][0068]
其中,m、c、k分别是风力机结构的质量、阻尼和刚度系数，m
t
、c
t
、k
t
分别是hmd的质量、阻尼和刚度系数，x、分别是风力机系统相对于地平面的位移、速度和加速度，x
t
是hmd相对于地平面的位移，fa(t)是hmd系统作动器的主动驱动力，uh(t)是hmd系统作用于风力机系统的合力，可以表示为
[0069][0070]
ss3结合上述方程，推导出hmd与该风电系统耦合的完整非线性时域运动方程的一般形式。这些运动方程与ss1得到的风机与支撑平台耦合系统的完整非线性时域运动方程具有相同的一般形式，唯一的区别是hmd带来的额外自由度。由此，将tmd系统的附加动力学与风力机的原始运动方程耦合起来，从而获得真正的tmd与风力机结构之间的动态相互作用。
[0071]
ss4选取系统重要模态，图4中可见两种系统模态，频率wj可以分别由0.54hz和0.08hz计算得到。由此对hmd的参数分析如下:打开tmdx dof，其中tmd的初始位移是相对于其中立参考位置的0m，设置质量较大选取为20,000kg，为使得hmd的固有频率(wh)与结构的主导模态的固有频率(wj)相同，根据kh值选取为5000n m-1。基于选定的mh和kh值，改变mh的值，以与未施加结构控制时相同的初始条件作为仿真条件，对系统进行300s的被动控制的模拟，直到最小化代价函数，因为ttdspfa的变化与塔内的疲劳载荷密切相关，因此所使用的代价函数是塔顶前后位移ttdspfa的标准差，使这个代价函数最小化的mh值被确定并标记为最优hmd参数。
[0072]
ss5针对系统非线性模型，考虑到被动控制效果有限，在机舱tmd上施加主动控制力，形成hmd，对漂浮式风力机振动响应进行主被动综合控制。其中hmd通过采用一种新型基础控制技术，构造一种新型基础控制器(nfc)获得最优控制力。在现有的工程方法中提炼出一种近似滑动窗滤波器(aswf)，将aswf用于构造一种高效积分器(hei)和一种高性能超前
观测器(hplo)，将hei构造得到的高性能pi控制器hppi和hplo串联得到新型基础控制器nfc，显著提高了反馈控制性能、彻底摆脱了模型的束缚、具有优良的鲁棒性能、简单性和良好的工程易用性，适用于复杂的海上浮式风力机模型。
[0073]
图3为控制系统基本框图，其中反馈信号为平台俯仰角ptfmpitch和塔顶前后位移ttdspfa。该系统主要包括新型基础控制器nfc、fast非线性风力机模型、可变参数α和用于归一化信号的固定参数gain
t
和gain
p
。其中增益gain
t
和gain
p
分别为使得信号ttdspfa和ptfmpitch无量纲化的rms值。而对于可变参数α∈[0,1]，α＝0仅对应平台俯仰角ptfmpitch反馈，α＝1仅对应塔顶前后位移ttdspfa反馈，当α∈[0,1]时，两个反馈量都用来计算作用于hmd的主动控制力。
[0074]
现将系统传递函数定义如下：
[0075][0076]
nfc由pi控制器hppi和超前观测器hplo所构成。
[0077]
ss6依据工程师发现z-n法则适合用于nfc控制器参数整定，对于高阶惯性加滞后过程,nfc参数整定的原则如下所示，该原则避开了模型辨识、模型降价等繁琐的中间过程,完全不依赖模型。
[0078][0079]
其中，ω
pfb
为过程频率带宽，τ
z-n
为过程滞后,t
z-n
为过程时间常数,k
z-n
为过程增益。
[0080]
其中,hglo(s)、t
hglo
分别为hplo的传递函数、超前观测时间常数，hgpi为高增益pi控制器，lpf为低通滤波器。hgpi(s)、k
hgpi
、t
hgpi
为hgpi的传递函数、比例增益、积分时间常数。lpf(s)、t
lpf
为lpf的传递函数、滤波时间常数。
[0081]
ss7模拟了tmd被动控制和hmd综合控制对风浪联合载荷下驳船式浮式风力机动态响应的抑制效果。如图5、6、7、8所示，分别是tmd质量行程限制为
±
10m时，三种控制条件下风力机塔顶前后位移(ttdspfa)、平台俯仰角(ptfmpitch)的对比图，其中图5是ttdspfa幅值对比图，图6是ttdspfa的psd能量对比图，图7是ptfmpitch幅值对比图，图8是ptfmpitch的psd能量对比图。从各个指标的psd图可以看出，一些较大的峰集中在0.06～0.14hz之间，这些峰的频率接近0.08hz，这是峰谱频率。tmd被动控制和hmd综合控制可以显著降低这些峰值，hmd综合控制还可以降低更多的峰值。结合塔顶振动位移和平台俯仰角的变化，可以得出结构控制系统能有效抑制风力机振动的结论。最重要的是，nfc控制比tmd被动控制能达到更大的减载减振效果，表明所设计的hmd主动控制器具有一定的可靠性。
[0082]
整个工作流程图如图9所示。
[0083]
相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
[0084]
相应的本发明还提供一种计算机设备，包括，一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
[0085]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0086]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0087]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0088]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0089]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置，其特征在于，包括：传感器、控制器和执行器；在海上漂浮式风电系统的塔架顶部和平台上均安装所述传感器，所述传感器，用于采集塔顶位移加速度和平台俯仰角加速度数据，并将所得数据输送到所述控制器，所述塔架一端连接风机机舱，另一端连接海中漂浮式的所述平台；所述控制器，用于根据所述数据计算控制力，根据计算得到的控制力生成抵消信号发送给所述执行器；所述执行器，用于根据所述抵消信号对风机机舱中的调谐质量阻尼器tmd施加控制力，用于通过控制风机机舱中的调谐质量阻尼器tmd控制所述平台保持稳定。2.根据权利要求1所述的海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置，其特征在于，所述控制器采用nfc控制器，nfc控制器为新型基础控制器。3.一种基于权利要求2所述的海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置的控制方法，其特征在于，包括：根据凯恩动力学理论，基于预先获取的海上漂浮式风电系统机舱的质量、高度、刚度系数、阻尼系数、转动惯量和塔架的质量、高度、刚度系数、阻尼系数、转动惯量推导得到海上漂浮式风力发电机组的凯恩运动方程；采用相对于地面的坐标系，基于hmd结构中tmd质量块的质量、阻尼器的阻尼系数、弹簧的刚度系数及所施加的主动控制力建立单自由度hmd系统的弹性动力学运动方程；结合所述凯恩运动方程和所述弹性动力学运动方程，推导出hmd与该风电系统耦合的完整非线性时域运动方程；针对所研究的海上漂浮式风电系统，在fast仿真软件中获取其动态响应，计算得到海上漂浮式风电系统主要运动模态，根据海上漂浮式风电系统主要运动模态以及所选取的tmd质量块的质量计算得出tmd刚度系数，并结合系统运动方程和最小化代价函数得到tmd阻尼系数，由此得到tmd最佳参数，tmd为调谐质量阻尼器；设置调谐质量阻尼器tmd中的tmd参数为所述tmd最佳参数，并引入加速度反馈设计nfc主动控制器；根据z-n法则进行nfc控制器参数整定，获得hmd最优主动控制力，并将hmd最优主动控制力的大小传输给执行器，执行器进行相应控制。4.根据权利要求3所述的海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置的控制方法，其特征在于，所述完整非线性时域运动方程表示为：式中，m
ij
是惯性质量矩阵的(i,j)分量，该分量非线性地依赖于系统自由度q、控制输入u和时间t，为自由度j的二阶导数，f
i
是与自由度i相关的力的函数的分量，表示为自由度j的一阶导数。5.根据权利要求3所述的海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置的控制方法，其特征在于，所述nfc控制器的函数为：
式中：g(s)表示主动控制系统传递函数，gain
t
和gain
p
分别为使得信号塔顶前后位移和平台俯仰角无量纲化的rms值，α为可变参数，α∈[0,1]，nfc(s)表示nfc控制器的传递函数，hplo(s)表示高性能超前观测器hplo的传递函数，hppi(s)表示高性能pi控制器hppi的传递函数，将hppi和hplo串联得到新型基础控制器nfc。hppi(s)具体定义如下所示：式中：k
hppi
为hppi的外部比例增益；高效积分器hei由aswf构造，hei(s)表示hei的传递函数，t
hei
表示hei时间常数，aswf(s)、t
aswf
、n
aswf
分别为aswf的传递函数、近似滑动窗时间长度、整数阶次，β表示阶次，传递函数中的复变量s在实部为零、虚部为角频率时就是频率响应；hplo(s)具体定义如下所示：式中：hplo(s)、t
hplo
分别为hplo的传递函数、超前观测时间常数；hgpi为高增益pi控制器，hgpi(s)、k
hgpi
、t
hgpi
为hgpi的传递函数、比例增益、积分时间常数；lpf为低通滤波器，lpf(s)、t
lpf
为lpf的传递函数、滤波时间常数。6.根据权利要求3所述的海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置的控制方法，其特征在于，所述根据z-n法则进行nfc控制器参数整定，获得hmd最优主动控制力，包括：利用z-n法则对下式进行nfc控制器参数整定，得到ω
pfb
,ω
pfb
与t
z-n
之间的关系；
式中：t
hplo
表示超前观测时间常数，t
hei
表示hei时间常数，k
hppi
表示hppi的外部比例增益，ω
pfb
为过程频率带宽，τ
z-n
为过程滞后，t
z-n
为过程时间常数，k
z-n
为过程增益；所述ω
pfb
,ω
pfb
与t
z-n
之间的关系表示为：7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求3至6所述的方法中的任一方法。8.一种计算机设备，其特征在于，包括，一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求3至6所述的方法中的任一方法的指令。

技术总结
本发明公开了一种海上漂浮式风电系统振荡抑制的主动控制装置及控制方法，包括：传感器、控制器和执行器；在海上漂浮式风电系统的塔架顶部和平台上均安装传感器，传感器用于采集塔顶位移加速度和平台俯仰角加速度数据，并将所得数据输送到控制器，塔架一端连接风机机舱，另一端连接海中漂浮式的平台；控制器用于根据数据计算控制力，根据计算得到的控制力生成抵消信号发送给执行器；执行器用于根据抵消信号对风机机舱中的调谐质量阻尼器TMD施加控制力，用于通过控制风机机舱中的调谐质量阻尼器TMD控制平台保持稳定。优点：适用于各种海上漂浮式风电系统，可以应用到各类实际工程系统中，有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。


技术研发人员：王万成 吴欣露 张松正 盛凯
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/14