基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及参数优化方法与流程

本发明涉及风力发电设备及其控制技术，尤其涉及一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及参数优化方法。

背景技术：

与固定式海上风力发电机相比，漂浮式海上风力发电机适用于较深的海域，从而可以较大程度的利用深海稳定和丰富的风能。然而，深海海域的风浪载荷强度远超过陆地或近海海域，而且风浪载荷具有随机性的特点，这会导致风力发电机塔架产生较大的倾斜运动，大大增加风力发电机载荷，造成机械结构的损伤，影响风力发电机的使用寿命，增加风力发电机的运行维护成本。因此，漂浮式海上风力发电机的减载问题具有重要的实际意义。

风力发电机减载控制技术主要有两种：独立变桨距控制和结构控制。独立变桨距控制，根据载荷情况在线调节桨距角，从而减小塔架和基座的随风俯仰角度，降低风力发电机载荷；这种方式虽然可以取得很好的减载效果，但是叶片变桨距控制的过多使用会降低发电效率，并且对于较大的风浪载荷无法满足要求。结构控制，是海上风机减载控制的另一主要技术手段，其采用附加动力吸振装置的方式，通过附加装置与风力发电机相互作用，直接控制风力发电机的振动，达到减载的目的。

惯容，是近期提出的一类双端点机械元件，具有作用在两个端点的力与两个端点相对加速度成正比的特点。惯容，作为一类无源机械元件，其与弹簧和阻尼器可构成更加丰富的无源机械结构。与传统的弹簧-阻尼器结构相比，基于弹簧-阻尼器-惯容的机械结构从理论上可更大程度地发挥无源控制的性能。目前，惯容已在一级方程式赛车、房屋减振等领域得到应用。

目前，风力发电机无源结构控制均为弹簧-阻尼器-质量的形式，这种结构虽然具有较高的可靠性和较低的运行成本，但其性能也受到了很大的限制。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及参数优化方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，包括弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络，连接附加质量，所述装置安装在机舱中；其中，弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络并联连接。

进一步地，所述基于惯容的机械网络为弹簧-阻尼器-惯容网络，为任意数量的弹簧、阻尼器和惯容构成的机械结构。

进一步地，所述弹簧-阻尼器-惯容网络包括一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容。

进一步地，所述弹簧-阻尼器-惯容网络为一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容串联的结构；或为一个弹簧和一个阻尼器并联然后串联一个惯容的结构；或为一个惯容和一个阻尼器并联然后串联一个弹簧的结构。

一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置的参数优化方法，包括步骤：

(1)建立已配置基于惯容的无源结构控制装置的漂浮式海上风力发电机简化模型运动方程及状态空间模型；

(2)辨识模型参数；

(3)优化无源控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量。

进一步地，所述步骤(1)中，状态空间模型为：

y＝cyx

其中：

w＝[windvxi,waveelev]^t

u＝fy

y＝[ttdspfa,tmdxdxn,ptfmpitch,tmdxdxn,tmdxvxn]^t

其中，ttdspfa表示塔架顶部前后位移，ptfmpitch表示漂浮平台俯仰角度，tmdxdxn和tmdxvxn分别表示无源控制装置相对位移和相对速度，towerht表示塔架高度，θp表示漂浮平台顺风方向俯仰角度，θt表示塔架顺风方向俯仰角度，xa表示无源控制装置的位移；ip表示漂浮平台的转动惯量，it表示塔架的转动惯量，ma表示无源控制装置附加的质量，mp表示漂浮平台的质量，mt表示rt塔架-机舱-叶片集成部分的质量；kp表示漂浮平台转动的刚度，cp表示漂浮平台转动的阻尼系数，kt表示塔架转动刚度，ct表示塔架转动的阻尼系数，ka表示无源控制装置并联的弹簧刚度，ca表示无源控制装置并联的阻尼系数；rp表示漂浮平台质心到铰链距离，rt表示塔架-机舱-叶片集成部分质心到铰链距离，ra表示无源控制装置质量到铰链距离；mwave表示由海浪引起的作用在漂浮平台上的载荷，mwind表示由风引起的作用在塔架-机舱-叶片集成部分的载荷，fy表示弹簧-阻尼器-惯容网络传递的力；αwind，βwind和αwave，βwave分别表示风载荷和浪载荷的作用系数；windvxi表示叶轮中心风速，waveelev表示海浪瞬时高度。

进一步地，所述步骤(2)具体包括：

(2.1)辨识风力发电机系统结构参数kt，kp，ct，cp，it，ip；

(2.2)辨识风浪载荷参数αwind，βwind和αwave，βwave辨识无源结构控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量。

进一步地，所述步骤(3)具体包括：

(3.1)建立一个以系统特定传递函数h2范数为目标函数的优化问题；

(3.2)求解参数优化问题，得到无源控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量的最优值。

有益效果：本发明的基于惯容的漂浮式海上风力发电机减载控制装置及元件参数优化方法不仅可以保留传统无源结构控制的高可靠性和低成本优势，并且可以有效地降低风力机载荷和结构控制装置的工作行程。

附图说明

图1是漂浮式海上风力发电机简化线性模型示意图；

图2是弹簧-阻尼器-惯容网络结构图；

图3是装置运行空间与塔顶位移随ρ变化情况示意图；

图4是不同弹簧-阻尼器-惯容网络频率响应对比图；

图5是ρ为0时风力机主要载荷对比图；

图6是ρ为0时风力机主要技术参数对比图；

图7是ρ为0.3时风力机主要载荷对比图；

图8是ρ为0.3时风力机主要技术参数对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，包括一个弹簧ka、一个阻尼器ca和一个基于惯容的机械网络y(s)，连接附加质量ma组成，装置安装在机舱中。其中，弹簧、阻尼器和机械网络为并联连接；该机械网络为弹簧-阻尼器-惯容机械网络，弹簧-阻尼器-惯容网络可以为任意数量的弹簧、阻尼器和惯容构成的机械结构。

如图2所示，基于惯容的机械网络y(s)可以为只含有一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容的机械网络。弹簧-阻尼器-惯容网络可以为一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容串联的结构，也可以为一个弹簧和一个阻尼器并联然后串联一个惯容的结构，也可以为一个惯容和一个阻尼器并联然后串联一个弹簧的结构。

基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置的参数优化方法，包括以下步骤：

(1)建立已配置基于惯容的无源结构控制装置的漂浮式海上风力发电机的简化模型的运动方程：

其中，θp表示漂浮平台顺风方向俯仰角度，θt表示塔架顺风方向俯仰角度，xa表示无源控制装置的位移；ip表示漂浮平台的转动惯量，it表示塔架的转动惯量，ma表示无源控制装置附加的质量，mp表示漂浮平台的质量，mt表示rt塔架-机舱-叶片集成部分的质量；kp表示漂浮平台转动的刚度，cp表示漂浮平台转动的阻尼系数，kt表示塔架转动刚度，ct表示塔架转动的阻尼系数，ka表示无源控制装置并联的弹簧刚度，ca表示无源控制装置并联的阻尼系数；rp表示漂浮平台质心到铰链距离，rt表示塔架-机舱-叶片集成部分质心到铰链距离，ra表示无源控制装置质量到铰链距离；mwave表示由海浪引起的作用在漂浮平台上的载荷，mwind表示由风引起的作用在塔架-机舱-叶片集成部分的载荷，fy表示弹簧-阻尼器-惯容网络传递的力；αwind，βwind和αwave，βwave分别表示风载荷和浪载荷的作用系数；windvxi表示叶轮中心风速，waveelev表示海浪瞬时高度。

得到状态空间模型：

y＝cyx

其中：

w＝[windvxi,waveelev]^t

u＝fy

y＝[ttdspfa,tmdxdxn,ptfmpitch,tmdxdxn,tmdxvxn]^t

其中，ttdspfa表示塔架顶部前后位移，ptfmpitch表示漂浮平台俯仰角度，tmdxdxn和tmdxvxn分别表示无源控制装置相对位移和相对速度，towerht表示塔架高度。

(2)辨识模型参数；

a、辨识风力发电机系统结构参数kt，kp，ct，cp，it，ip

在风力发电机静止状态(没有风和浪的作用)，并且没有配置无源结构控制装置情的况下，记录风力发电机在漂浮平台具有一定初始俯仰角度作用下塔架顶部前后位移ttdspfa和漂浮平台俯仰角度ptfmpitch随时间的自由响应。

使得步骤2中建立的简化线性模型具有同样漂浮平台初始俯仰角度，建立优化问题。其中，目标函数为使简化线性模型的输出与记录的输出差值的平方和最小化，决策变量为风力机系统的结构参数kt，kp，ct，cp，it，ip。求解该优化问题，得到结构参数kt，kp，ct，cp，it，ip。

b、辨识风浪载荷参数αwind，βwind和αwave，βwave

在已配置无源控制装置情况及风浪载荷作用下，记录叶轮中心风速windvxi和瞬时浪高waveelev，以及塔架顶部前后位移ttdspfa、漂浮平台俯仰角度ptfmpitch、无源控制装置相对位移tmdxdxn和相对速度tmdxvxn。

以叶轮中心风速windvxi和瞬时浪高waveelev为输入，塔架顶部前后位移ttdspfa、漂浮平台俯仰角度ptfmpitch、无源控制装置相对位移tmdxdxn和相对速度tmdxvxn为输出，作用于建立的简化线性模型，最小化模型输出与实际记录输出差值的平方和，得到风浪载荷参数αwind，βwind和αwave，βwave。

(3)优化无源结构控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量等参数

a、建立下列优化问题：

使得k≥0，c≥0，b≥0。

其中，tx→y表示输入x到输出y的传递函数，||·||2表示系统h2范数，normttd0和normtmd0表示未装配无源控制装置时相应传递函数的h2范数，ρ为权重参数。

b、求解参数优化问题，得到无源控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量等参数。

以下以一具体实施例验证本发明的有效性和实用性。

本发明选取美国可再生能源实验室基于iti漂浮平台的nrel-5mw的海上风力发电机为例进行验证，其中，采用nrel开发的风力机仿真软件fast模拟该型号风力发电机。该风力发电机的参数见表1。采用步骤2中的辨识方法，得到结构参数和载荷参数辨识结果如表2所示。

表1

表2

进行结构控制器参数优化，选取ma＝4000kg，ka＝5274n/m，ca＝10183ns/m。在没有基于惯容的网络y(s)情况下，求得normttd0＝0.5295，normtmd0＝11.8498。然后分析权重参数ρ为0到1之间不同值时装置运行空间与塔顶位移情况，如图3所示，表明塔顶位移与装置的运行空间相互矛盾，无法同时降低。当ρ为0时，塔架前后位移最小，但此时控制装置的运行空间最大。因此，选取ρ为0和0.3两种情况进行讨论。根据步骤3中的参数优化方法，得到如表3所示的参数优化结果。

表3

如图4为不同弹簧-阻尼器-惯容网络频率响应对比图，其中，c0表示没有弹簧-阻尼器-惯容网络情形。由图4可以看出，有控制装置与无该控制装置相比，在第一个共振频率处(漂浮平台俯仰运动模态约0.08hz)的幅值被大幅减小，这是本发明的装置能起到减载作用的主要原因。

基于表3中得到的参数优化结果，采用nrel开发的风力机仿真软件fast模拟基于iti漂浮平台的nrel-5mw的海上风力发电机进行仿真研究，其中，仿真叶轮中心平均风速由3m/s至25m/s，平均风速间隔2m/s，共17种不同风速情形。与之对应的是浪高为1.6m线性增加到5.7045m，风速采用kaimal功率谱，海浪采用jonswap功率谱。另外，采用雨滴法计算不同风速情形下的等效载荷。

仿真结果如图5-图8所示。图5和图6分别展示在ρ为0时风力机主要载荷和主要技术参数对比情况。图5表明本发明的控制装置整体有效地降低风力机的载荷，特别是影响最大的塔底顺风向载荷。由于载荷得到了有效地控制，图6所示发电机的功率差也已大幅地减小。但此时控制装置的运行空间的增加了，是一潜在不利因素。

图7和图8分别展示在ρ为0.3时风力机主要载荷和主要技术参数对比情况。与ρ为0时对比，随着ρ的增加，本发明的控制装置降低载荷的能力有所下降，如图7所示。然而，此时控制装置的工作空间也降低了。此例表明本发明的控制装置在与传统的控制装置具有相同的工作空间情况下，可以有效地降低风力发电机载荷，提升风力发电机的性能。

综上，本发明的基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及参数优化方法可以有效地降低风力机所受到的风浪载荷，提升风力发电机的性能。