我國風電發展迅速，截至2017年，我國已成為世界上累計風電裝機容量和新裝機容量均最大的國家。根據國家氣候中心的調研結果，模擬我國離岸50 km范圍內近海風能資源，得出理論技術可開發量為7.58億kW。同時，深海風電場既不影響海邊景觀及海上航道的通暢，其運行發出的噪聲也不影響居民生活，且擁有更強更穩定的風源。因此，漂浮式風機（Floating Offshore Wind Turbine,FOWT）必然成為未來風電行業拓展的方向。

目前，在對海上浮式風機進行氣動力分析的過程中，主要借鑒傳統固定式風機氣動力分析的理論方法，如葉素動量理論、勢流理論、致動線模型以及計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法等。

• 周國龍等采用了動量理論方法一并計算了風輪、塔架和基礎的載荷，該方法雖然簡單方便，但只能達到估算載荷的目的，所建立的模型不夠精確。
• K.Iijima等開發了一種漂浮式風電機組流體力學與空氣動力學耦合的仿真工具，其最大特點是考慮了風機結構的柔性，使動態耦合模型更加精確，美中不足的是沒有考慮風機上部分包括槳葉、機艙和發電機轉子的柔性。
• J. R.Homer等提出了一種漂浮式風機三維數學模型，能應用于不同風機的機械結構，且能預測三維浮式基礎的動態響應，但該模型只能應用于包含周期性響應的風輪模型中。
• F.Lemmer等提出了基于海洋水動力學和空氣動力學耦合算法計算深海構筑物動態響應，并計算出三種不同海況平臺六個自由度的響應振幅算子，但沒有考慮風和波浪的雙重擾動下平臺的非線性動力特性，無法滿足完整的漂浮式海上風電機組控制系統的要求。

可見目前大部分針對FOWT的動力學建模都存在建模不精確的問題，因此，應用于FOWT上的變槳控制方法研究也很少。

• O.Bagherieh等設計了一種線性變參數（Linear-Parameter-Varying, LPV）槳距控制器，證明槳距控制策略可以穩定功率，減小基礎振動，但其主要在低風速、小波浪工況下進行仿真，與海洋實際工況尚有差異。
• Li Xianwei等提出了一種結構主動控制器以減小漂浮式基礎的疲勞，采用改進的非線性H∞控制方法優化增益，但該控制器不夠經濟，且可靠性不理想。
• J.Hussain等結合爬山搜索算法提出了一種自適應最大功率跟蹤算法，該算法在隨機風脈動條件下依然具有較好效果，缺點是該算法只適用于小型風機。

實際工況中，由于風剪切效應和塔影效應，使風輪平面所受載荷不平衡，這種不平衡載荷對工作于深海的漂浮式風機尤甚。而目前大部分漂浮式風機建模的研究均未考慮這一點，且忽略風機塔架的柔性，直接將整個風機視為剛體，導致系統建模不精確。

本文在已有氣-水動力耦合模型的基礎上，考慮風剪切效應、塔影效應和塔架的剛度特性，建立更精確的氣動載荷模型，并采用徑向基函數神經網絡（Radical-Basis Function Neural Network,RBFNN）構建獨立變槳控制方法。以NREL-5MW風機和Spar式OC3-Hywind基礎組成的FOWT為仿真模型，對比傳統PI控制方法和本文所提控制方法，結果表明，本文所提控制方法可更有效地穩定輸出功率，并在一定程度上減小漂浮基礎的載荷波動和俯仰振蕩。

圖1 FOWT基礎六自由度模型

圖2 基于RBFNN的獨立變槳控制系統原理框圖

結論

本文針對FOWT建模不精確的問題，在已有動力學模型的基礎上，考慮風剪切效應、塔影效應以及風機塔架的剛度，建立了更精確的氣動模型，將改進后的氣動模型與水動模型耦合，建立漂浮式基礎受氣-水動力影響下的時域耦合運動方程，進而求得受波浪擾動和風速影響的相對風速。在此基礎上，采用RBFNN算法構建漂浮式風機的獨立變槳控制系統。

在FAST-Matlab/Simulink下進行聯合仿真，將所提控制方法和傳統PI控制方法進行對比。結果表明，本文所提控制方法可以有效實現漂浮式風機的輸出功率穩定，并在一定程度上抑制了風機的縱搖運動，減小了基礎俯仰載荷。