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  • 頭條漂浮式風(fēng)機氣-水動力耦合下的獨立變槳控制方法
    2020-11-09 作者:周臘吾、楊彬佑、韓兵、李飛龍、胡舟  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、國網(wǎng)湖南省電力公司常德供電分公司、國網(wǎng)江蘇省電力公司蘇州供電分公司蘇、國網(wǎng)湖南省電力公司岳陽供電分公司的研究人員周臘吾、楊彬佑、韓兵、李飛龍、胡舟,在2019年第17期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,提出一種漂浮式風(fēng)機(FOWT)氣-水動力耦合下基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)的獨立變槳控制方法。 首先,考慮風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng),建立更精確的氣動模型,將氣動模型與水動模型耦合,得到風(fēng)浪流擾動下的相對風(fēng)速。在此基礎(chǔ)上,采用徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近變槳控制系統(tǒng)未知的非線性函數(shù),通過Lyapunov方法導(dǎo)出自適應(yīng)率,在線調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值來改善所提出的獨立變槳控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。 在FAST-Matlab/Simulink聯(lián)合仿真的基礎(chǔ)上,將該文所提控制方法和傳統(tǒng)PI控制方法進行對比結(jié)果表明,該文所提方法能夠更有效地實現(xiàn)FOWT輸出功率的穩(wěn)定,并在一定程度上減小了漂浮基礎(chǔ)的載荷波動和俯仰振蕩。

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

    目前,在對海上浮式風(fēng)機進行氣動力分析的過程中,主要借鑒傳統(tǒng)固定式風(fēng)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(xué)(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(fēng)輪、塔架和基礎(chǔ)的載荷,該方法雖然簡單方便,但只能達(dá)到估算載荷的目的,所建立的模型不夠精確。
    • K.Iijima等開發(fā)了一種漂浮式風(fēng)電機組流體力學(xué)與空氣動力學(xué)耦合的仿真工具,其最大特點是考慮了風(fēng)機結(jié)構(gòu)的柔性,使動態(tài)耦合模型更加精確,美中不足的是沒有考慮風(fēng)機上部分包括槳葉、機艙和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的柔性。
    • J. R.Homer等提出了一種漂浮式風(fēng)機三維數(shù)學(xué)模型,能應(yīng)用于不同風(fēng)機的機械結(jié)構(gòu),且能預(yù)測三維浮式基礎(chǔ)的動態(tài)響應(yīng),但該模型只能應(yīng)用于包含周期性響應(yīng)的風(fēng)輪模型中。
    • F.Lemmer等提出了基于海洋水動力學(xué)和空氣動力學(xué)耦合算法計算深海構(gòu)筑物動態(tài)響應(yīng),并計算出三種不同海況平臺六個自由度的響應(yīng)振幅算子,但沒有考慮風(fēng)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(fēng)電機組控制系統(tǒng)的要求。

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

    • O.Bagherieh等設(shè)計了一種線性變參數(shù)(Linear-Parameter-Varying, LPV)槳距控制器,證明槳距控制策略可以穩(wěn)定功率,減小基礎(chǔ)振動,但其主要在低風(fēng)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(jié)構(gòu)主動控制器以減小漂浮式基礎(chǔ)的疲勞,采用改進的非線性H∞控制方法優(yōu)化增益,但該控制器不夠經(jīng)濟,且可靠性不理想。
    • J.Hussain等結(jié)合爬山搜索算法提出了一種自適應(yīng)最大功率跟蹤算法,該算法在隨機風(fēng)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(fēng)機。

    實際工況中,由于風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng),使風(fēng)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(fēng)機尤甚。而目前大部分漂浮式風(fēng)機建模的研究均未考慮這一點,且忽略風(fēng)機塔架的柔性,直接將整個風(fēng)機視為剛體,導(dǎo)致系統(tǒng)建模不精確。

    本文在已有氣-水動力耦合模型的基礎(chǔ)上,考慮風(fēng)剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)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(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Radical-Basis Function Neural Network,RBFNN)構(gòu)建獨立變槳控制方法。以NREL-5MW風(fēng)機和Spar式OC3-Hywind基礎(chǔ)組成的FOWT為仿真模型,對比傳統(tǒng)PI控制方法和本文所提控制方法,結(jié)果表明,本文所提控制方法可更有效地穩(wěn)定輸出功率,并在一定程度上減小漂浮基礎(chǔ)的載荷波動和俯仰振蕩。

    學(xué)術(shù)簡報︱漂浮式風(fēng)機氣-水動力耦合下的獨立變槳控制方法

    圖1 FOWT基礎(chǔ)六自由度模型

    學(xué)術(shù)簡報︱漂浮式風(fēng)機氣-水動力耦合下的獨立變槳控制方法

    圖2 基于RBFNN的獨立變槳控制系統(tǒng)原理框圖

    結(jié)論

    本文針對FOWT建模不精確的問題,在已有動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,考慮風(fēng)剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)以及風(fēng)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(chǔ)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(fēng)速影響的相對風(fēng)速。在此基礎(chǔ)上,采用RBFNN算法構(gòu)建漂浮式風(fēng)機的獨立變槳控制系統(tǒng)。

    在FAST-Matlab/Simulink下進行聯(lián)合仿真,將所提控制方法和傳統(tǒng)PI控制方法進行對比。結(jié)果表明,本文所提控制方法可以有效實現(xiàn)漂浮式風(fēng)機的輸出功率穩(wěn)定,并在一定程度上抑制了風(fēng)機的縱搖運動,減小了基礎(chǔ)俯仰載荷。

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