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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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：
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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，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。
[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]所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，HP...

【专利技术属性】
技术研发人员：王万成，吴欣露，张松正，盛凯，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：