海上漂浮式风力机变桨距减载控制研究.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueNov.2023Vol.46 No.222023年11月15日第46卷第22期0 引 言近年来，陆上风电不断开发，随着陆上风力机趋于饱和，研究热点已从陆地转到海上。海上风电具有风速强、设备利用率高、湍流度和风切小、风速稳定等优势1。海上风电已成为我国风电行业发展的重心2，具有广阔的发展前景。漂浮式风力机受到风浪流等载荷的综合影响，会引起发电效率低、稳定性变差，容易导致在叶根、塔根等重要部位载荷变化，会引起疲劳载荷，导致部件故障3。因此，降低漂浮式风力机的载荷，使风力机安全稳定运行，是一个亟待解决的问题。在已有研究中，通常采用独立变桨距控制4降低风力机叶片载荷，提高风机稳定性。目前，国内外学者针对风电机组变桨距控制开展了大量深入研究。L.Colombo等提出了滑膜控制方法，将叶片桨距角作为控制变量输入，并验证了其闭环收敛性5。Yin等提出了风电机组变桨距自适应鲁棒控制策略，提高了系统的鲁棒性6。文献78利用人工蜂群算法对风电机组变桨距PID控制器参数进行优化，有效地降低了发电功率和风轮转速波动。闫学勤等提出了DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.22.003引用格式：张志鹏，宋伟，程志江，等.海上漂浮式风力机变桨距减载控制研究J.现代电子技术，2023，46（22）：915.海上漂浮式风力机变桨距减载控制研究张志鹏1，2，宋 伟1，2，程志江1，2，王智强1，2（1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830046）摘 要：海上漂浮式风力机在受到风浪载荷作用，会引起漂浮式海上风机的叶尖位移和平台运动，造成载荷变化，使得风机的稳定性变差。为减小风机受到的载荷影响，基于 Coleman坐标变化，提出一种基于模糊 PID算法独立变桨距控制策略，利用模糊控制器对PID参数进行在线整定。通过FAST与Matlab/Simulink联合仿真，结果表明：提出的基于模糊PID独立变桨距控制技术有效减小了由漂浮式平台的晃动引起的载荷，提高了平台稳定性；对由叶片摆动引起的载荷有一定的减载作用；同时降低了漂浮式海上风力机塔基载荷，提高了风机的稳定性。关键词：海上漂浮式风力机；独立变桨距；减载控制；Coleman变换；dq变换；模糊控制理论；气动载荷中图分类号：TN87634 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）22000907Research on variable pitch load reduction control of offshore floating wind turbineZHANG Zhipeng1,2,SONG Wei1,2,CHENG Zhijiang1,2,WANG Zhiqiang1,2(1.School of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,China;2.Engineering Research Center of Ministry of Education for Renewable Energy Generation and Gridconnected Technology,Xinjiang University,Urumqi 830046,China)Abstract：Under the action of wind and wave loads,floating offshore wind turbines can cause blade tip displacement and platform motion,resulting in changes in load and poor stability of the wind turbine.In order to reduce the impact of load on the wind turbine,a fuzzy PID algorithm based independent pitch control strategy is proposed based on Coleman coordinate changes,and the PID parameters are adjusted online by means of fuzzy controller.By the joint simulation of FAST and Matlab/Simulink,the results show that the independent variable pitch control technology based on fuzzy PID is proposed,which can effectively reduce the load caused by the shaking of floating platform and improve the stability of platform.It can reduce the load caused by blade swing to a certain extent.The tower foundation load of floating offshore wind turbine is reduced and the stability of wind turbine is improved.Keywords：offshore floating wind turbine;independent pitch;load reduction control;Coleman transformation;d q transformation;fuzzy control theory;aerodynamic load收稿日期：20230226 修回日期：20230331基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2021D01C046）；新疆维吾尔自治区重点实验室建设项目（2021D04011）9 9现代电子技术2023年第46卷一种改进型准比例积分谐振独立变桨距控制算法，基于科尔曼坐标变换对机组输出的有功功率无冲击影响进行分析9。周腊吾等提出一种基于径向基函数神经网络的独立变桨控制方法，有效提高了输出功率，并降低了漂浮平台的载荷波动和俯仰振荡10。王诗琪等提出了变桨距线性自抗扰控制（LADRC）策略，有效地改善了海上漂浮式风电机组变桨距灵敏度，抑制了发电功率波动11。国内外大多数学者针对漂浮式海上风力机受到风浪载荷作用，漂浮式风力平台运动和叶尖位移会引起的载荷变化，采用机舱安装调谐质量阻尼器进行研究，对采用独立变桨距控制下减载相关研究较少。本文针对漂浮式海上风力机面临的复杂海况条件，为减小由平台运动和叶尖位移引起的载荷，考虑到桨叶旋转坐标的影响，利用卡尔曼（Coleman）坐标变换将轮毂旋转坐标转换为静止坐标系下的输出模型，然后提出一种基于模糊PID算法的独立变桨距控制技术。通过开源 FAST软件与Matlab/Simulink联合仿真平台研究，结果表明:与统一变桨相比，本文所提出的控制方法有效地减小了由漂浮式平台的晃动引起的载荷，提高了平台稳定性；对由叶片摆动引起的载荷有一定的减载作用，降低了漂浮式海上风机塔基载荷。该控制策略有一定的减小载荷作用，能够提高风机的稳定性。1 研究对象及仿真实验研究对象选用 NREL 5 MW OC4 半潜式漂浮式风力机，OC4半潜式漂浮式风力机模型如图1所示。图1 半潜式漂浮式风力机模型表1为风力机主要参数12，表2为平台主要参数12。表 1 风力机参数参数功率/MW风轮直径/m轮毂高度/m切入风/(ms-1)额定风速/(ms-1)切出风/(ms-1)风轮质量/kg机舱质量/kg塔架质量/kg数值512690311.4251.11052.41053.45105表2 平台参数参数吃水/m排水量/m3平台总重量/kg质心横摇惯量/(kgm2)纵摇惯量/(kgm2)艏摇惯量/(kgm2)系泊缆数目缆索直径/m缆索质量/kg缆索拉伸刚度/N数值202.0291043.8521068.658 82.5621092.5621094.24310930.076 6113.357.536108半潜式风力机平台有六自由度的运动，受到风浪环境载荷作用，将会沿 x轴、y轴和 z轴做往复直线运动及绕各轴转动，沿各轴分别做直线运动的为纵荡（Surge）、横荡（Sway）和垂荡（Heave），其运动单位为m；沿各轴分别做转动运动的为横摇（Roll）、纵摇（Pitch）和艏摇（Yaw），其运动单位为（）。2 气动载荷风轮捕获功率13为：P=12Cp(,)R2V3（1）10第22期空气动力学转矩为：Ta=12Cp(,)V2（2）=2RnV=tRV（3）式中：是空气密度；R是叶片半径；V是迎面风风速；Ta是空气动力转矩；Cp(,)为风能利用系数；为叶尖速比；t为风机转子转速。风能利用系数Cp(,)公式为：Cp(,)=(0.44-0.016 7)sin (-3)15-0.3-0.001 84(-3)（4）3 独立变桨控制设计3.1 坐标变化针对漂浮式海上风机面临的复杂海况条件，研究减小风力机由平台运动和叶尖位移引起的动态载荷问题。风力机所受的叶根弯矩是一个周期时变量，考虑到桨叶旋转坐标的影响，为了便于计算和控制系统的设计，利用 Coleman 转换将漂浮式风力机旋转坐标系下叶片力矩M1、M2、M3通过 Coleman坐标变换成轮毂处的偏航力矩Mq和俯仰力矩14Md，计算公式为：MqMd=23cos123cos223cos323sin 123sin 223sin 3M1M2M3（5）式中：1、2、3分别为各叶片的方位角。基于上文研究得到静止坐标系下的输出模型，分别设计两个控制器，控制器输出桨距角调节量，再经过 Coleman反变换输出桨距角微调量。Coleman逆变换为：123=cos1sin 1cos2sin 2cos3sin 3 qd（6）3.2 模糊PID控制模糊 PID 控制能够根据反馈实时调节KP、KI、KD参数，提高系统的鲁棒性和抗干扰能力。模糊PID控制框图如图2所示15。图2 模糊PID控制结构图在设计模糊控制器时，将漂浮式机组输出的叶根部力矩My1、My2、My3经 Coleman 变换为d轴分量Md和q轴分量Mq，Coleman 变换公式如式（5）所示；然后将Md和Mq分别作为两个模糊PID独立变桨控制器的输入，在系统运行的过程中，模糊控制器对输入信号进行模糊推理操作，将修改参数KP、KI、KD输出至 PID 控制器中，完成PID参数的实时调整。在 Matlab 中调用 fuzzy 模块搭建模糊控制器，同时定义变量隶属函数16。将误差 e、误差变化率 ec及KP、KI、KD划分为 7 个等级，分别为 NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，分别表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。其中e和ec的论域范围为-6,6；KP、KI、KD的论域范围为-1,1。通过分析误差e及误差变化率ec和PID参数KP、KI、KD之间的关系，在e和ec的取值不同时，PID的3个参数都要满足以下规则1718：1）当e的值较大时，应取较大的KP和较小的KD，同时取较小的KI值；2）当e中等大小时，KP应适当减小，KD和KI的取值大小要适中；3）当 e 的值较小时，KP与KI都应取较大值。当 ec 的绝对值出现较大时，KD值通常应取中等大小。然后对PID进行修正：KP=KP0+KPKI=KI0+KIKD=KD0+KD（7）式中：KP0、KI0、KD0是模糊PID控制器的3个初始值；KP、KI、KD是PID参数变化量。在系统运行的过程中，根据模糊规则和公式（7）对PID参数进行调整。按照上述原则，根据 PID三个参数分别在控制过程中所起的作用以及它们之间的联系，得到如表3表5所示的模糊规则表。表3 KP的模糊规则表eNBNMNSZOPSPMPBecNBPBPBPMPMPSPSZONMPBPBPMPMPSZOZONSPMPMPMPSZONSNMZOPMPSPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMZOZONSNMNMNMNBPBZONSNSNMNMNBNB3.3 独立变桨控制策略图 3 为独立变桨控制系统结构图。对于海上漂浮式风力机，每个叶片的桨距角由统一变桨和独立变桨两张志鹏，等：海上漂浮式风力机变桨距减载控制研究11现代电子技术2023年第46卷部分组成。在统一变桨中，风轮转速与额定转速的偏差通过控制器输出统一变桨桨距角；在独立变桨中，将风力机 3个叶片的力矩M1、M2、M3通过 Coleman坐标变换成轮毂处的力矩Md和Mq，再通过模糊 PID 控制器输出桨距角调节量d和q，经过 Coleman反变换输出桨距角微调量i。统一变桨和独立变桨的输出量分别为和i，再相加可以得到每个叶片的桨距角调节量i，分别控制叶片的桨距角，减小叶轮不对称气动载荷。表4 KI的模糊规则表eNBNMNSZOPSPMPBecNBNBNBNBNMNMZOZONMNBNBNMNMNSZOZONSNMNMNSNSZOPSPSZONMNSNSZOPSPSPMPSNSNSZOPSPSPMPMPMZOZOPSPMPMPBPBPBZOZOPSPMPBPBPB表5 KD的模糊规则表eNBNMNSZOPSPMPBecNBPSPSZOZOZOPBPBNMNSNSNSNSZONSPMNSNBNBNMMSZOPSPSZONBNMNSNSZOPSPSPSNBNMNSNSZOPSPSPMNMNSNSNSZOPSPSPBPSZOZOZOZOPBPB4 仿真结果分析为 了 验 证 所 提 出 的 控 制 策 略 的 有 效 性，采 用FAST19开源软件与Matlab/Simulink进行联合仿真验证，并与统一变桨距做对比分析。4.1 变桨距控制效果根据 IEC614003标准20，对于风条件，使用正常湍流模型（NTM）条件，使用IEC Kaimal谱和0.14的幂律指数在 TurbSim 中生成平均风速。风、波浪时历曲线如图 4所示，浆距角随时间的变化曲线如图 5所示。结合图 4、图 5可知：统一变桨控制下，叶片变桨角随风速变化而变化；在独立变桨控制下，桨距角变化不仅与风速有关，而且与桨叶的方位角有关。综上，独立变桨控制的桨距角变化幅度较大。图3 独立变桨控制系统结构图图4 风、波浪时历曲线图5 桨距角随时间变化的曲线4.2 叶片载荷图 6 为海上漂浮式风力机不同叶片叶根力矩。由图 6可知，在模糊 PID 控制下，海上漂浮式风力机叶片叶根载荷有一定减小。12第22期图6 不同控制作用下叶片叶根力矩由表 6 叶片叶根力矩对比结果可知：叶片 1 在统一变桨控制下标准差为 1 992.21，在 模 糊 PID 独 立变桨控制下标准差为 1 271.79；叶片2在统一变桨控制下标准差为2 055.08，在模糊PID独立变桨控制下标准差为1 289.88；叶片3在统一变桨控制下标准差为2 044.05，在模糊PID独立变桨控制下标准差为1 315.40。由计算可知，标准差分别降低了 36.16%、37.23%、35.64%。综上，模糊PID独立变桨距控制对海上漂浮式风力机叶片有一定的减载作用。表6 叶片叶根力矩对比叶片叶片1叶片2叶片3控制方式统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨最大值10 9407 876.1211 5608 663.6410 7009 128.24最小值-1 825-841.06-1 971-13.25-2 455-823.30标准差1 992.211 271.792 055.081 289.882 044.051 315.404.3 支撑平台运动图 7为海上漂浮式风力机平台运动。由图 7可知，与统一变桨相比，在模糊 PID 独立变桨控制下，平台的纵荡、横摇和艏摇运动幅值和波动均有明显降低，而平台其他自由度运动幅值和波动效果不明显。图7 海上漂浮式风力机平台运动张志鹏，等：海上漂浮式风力机变桨距减载控制研究13现代电子技术2023年第46卷平台运动对比结果如表7所示。表7 平台运动对比平台横荡纵荡垂荡横摇纵摇艏摇控制方式统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨最大值7.7917.2050.3060.2360.8960.8810.9290.5203.7863.562.4630.165最小值2.7612.760-1.0520.373-0.635-0.646-0.1570.0950.3610.199-1.996-0.473标准差0.9520.8630.3190.1300.2170.2170.2160.1270.5990.6221.0150.142由表 7可知：在统一变桨控制下，平台纵荡的标准差为 0.319，平台横摇的标准差为 0.216，平台艏摇的标准差为 1.015；在模糊 PID独立变桨控制下，平台纵荡的标准差为 0.130，平台横摇的标准差为 0.127，平台艏摇的标准差为0.142。由计算可得，平台纵荡、横摇和艏摇的标准差分别降低了 59.07%、40.89%和 85.93%。综上，在模糊 PID 控制独立变桨下，对海上漂浮式风力机平台纵荡、横摇和艏摇的运动波动和幅值均有降低，对平台横荡、垂荡和纵摇的运动波动和幅值变化不大，有效地减小了漂浮式平台的纵荡、横摇和艏摇的运动，降低了由平台运动引起的载荷，提高了平台稳定性。4.4 塔基载荷图 8为海上漂浮式风力机塔基弯矩。由图 8可知，与统一变桨对比，在模糊 PID 控制独立变桨下，塔基弯矩幅值和波动均有影响，有明显地降低。由表8所示的弯矩对比结果可知：塔基前后弯矩在统一变桨控制下标准差为 3 767.47，在模糊 PID 独立变桨控制下标准差为 2 964.10，标准差降低了21.324%；塔基侧向弯矩在统一变桨控制下标准差为15 178.60，在模糊PID独立变桨控制下标准差为14 161.57，标准差降低了6.7%。综上，在模糊PID独立变桨控制下，海上漂浮式风力机塔基弯矩波动和最大值均减小，对海上漂浮式风力机塔基前后弯矩影响较大，降低了塔基载荷。图8 海上漂浮式风力机塔基弯矩表8 塔基载荷对比弯矩塔基前后弯矩塔基侧向弯矩控制方式统一变桨模糊PID独立变桨统一变桨模糊PID独立变桨最大值21 21016 017.292 48082 395.2最小值-3 894-3 313.8-16 550-17 240标准差3 767.472 964.1015 178.6014 161.575 结 论为了降低海上漂浮式风力机受到风浪载荷的影响，提高风力机的稳定性，本文提出一种基于模糊PID独立变桨距控制技术，用 FAST 与 Matlab/Simulink 进行联合仿真验证，对比分析海上漂浮式风力机受到载荷变化。结果表明：在模糊 PID 独立变桨下，海上漂浮式风力机叶片叶根载荷波动和幅值均减小，对由叶片摆动引起的载荷有一定的减载作用，可延长叶片的寿命。对海上漂浮式风力机平台纵荡、横摇和艏摇的运动波动和幅值均有降低，对平台横荡、垂荡和纵摇的运动波动和幅值变化不大，有效地减小了由漂浮式平台的晃动引起的载荷，提高了平台稳定性。海上漂浮式风力机塔基弯矩波动和最大值均降低，减小了塔基载荷，增加了平台稳定性，对塔基有一定的减载作用。参考文献1 姜楠.深海风力发电技术的发展现状与前景分析J.新能源进展，2015，3（1）：2124.2 林伯强.“碳中和”社会认知加深，海上风电将迎来快速发展N.21世纪经济报道，20210707（5）.3 丁勤卫，李春，叶柯华，等.风波流对多平台阵列浮式风机Spar平台运动特性的影响J.农业工程学报，2016，32（21）：22314第22期229.4 田德，方建驹，刘枫，等.大型风电机组模型预测独立变桨控制器设计J.太阳能学报，2022，43（4）：461467.5 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