漂浮式風(fēng)電機(jī)組整機(jī)控制研究獲進(jìn)展

　　漂浮式風(fēng)電機(jī)組是開發(fā)深遠(yuǎn)海優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源最經(jīng)濟(jì)、有效的技術(shù)。與固定式機(jī)組相比，漂浮式風(fēng)電機(jī)組的“風(fēng)輪-基礎(chǔ)”耦合作用更加顯著，為機(jī)組安全可靠運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。若不將該耦合作用考慮到漂浮式風(fēng)電機(jī)組的控制器設(shè)計(jì)過程，某些重要載荷可能將被放大，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，亟需設(shè)計(jì)綜合考慮“風(fēng)輪-基礎(chǔ)”耦合作用的漂浮式風(fēng)電機(jī)組整機(jī)控制器。

　　

　　中國科學(xué)院工程熱物理研究所以典型的半潛式漂浮式風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，如圖1所示，在葉片上各布置一個(gè)尾緣襟翼，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)全尺寸變槳大慣性的缺陷。科研人員對(duì)OpenFAST軟件進(jìn)行二次開發(fā)，引入尾緣襟翼接口，建立含尾緣襟翼的漂浮式風(fēng)電機(jī)組仿真平臺(tái)。選葉根揮舞彎矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速代表主導(dǎo)風(fēng)輪屬性，選縱搖運(yùn)動(dòng)、艏搖運(yùn)動(dòng)代表主導(dǎo)漂浮式基礎(chǔ)屬性，并以尾緣襟翼為調(diào)載裝置，據(jù)此，研究提出綜合考慮“風(fēng)輪-基礎(chǔ)”耦合作用的無模型自適應(yīng)控制方法。研究在控制目標(biāo)函數(shù)中引入二次型矩陣對(duì)各辯識(shí)誤差向量、輸入向量、輸入變化率向量進(jìn)行權(quán)值規(guī)劃，同時(shí)引入考慮襟翼偏轉(zhuǎn)速度和襟翼偏轉(zhuǎn)位置飽和因素的懲罰因子。

　　

　　研究表明，與僅專注于風(fēng)輪不平衡載荷的尾緣襟翼PID控制相比，無模型自適應(yīng)控制使得尾緣襟翼能夠有效提高浮式基礎(chǔ)主導(dǎo)自由度的穩(wěn)定性，如圖2所示。同時(shí)，沿葉片展向的局部彎矩、剪力和變形的波動(dòng)幅度均得到優(yōu)化，如圖3所示。研究選取系統(tǒng)典型信號(hào)，利用交叉小波變換揭示系統(tǒng)的葉片揮舞模態(tài)以及基礎(chǔ)縱搖模態(tài)減載的氣彈耦合機(jī)理。如圖4-5所示，漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)固有的同相氣動(dòng)-水動(dòng)-彈性耦合機(jī)制在尾緣襟翼控制量的作用下被削弱，進(jìn)而降低了作用在風(fēng)輪和基礎(chǔ)上的振動(dòng)能量。

　　

　　該研究為漂浮式風(fēng)電機(jī)組整機(jī)穩(wěn)定性控制提供了新思路，進(jìn)一步揭示了尾緣襟翼在漂浮式風(fēng)電機(jī)組載荷控制中的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果發(fā)表在Ocean engineering上。

　　圖1.含尾緣襟翼的半潛式漂浮式風(fēng)電機(jī)組示意圖

　　圖2.典型湍流風(fēng)下的控制效果對(duì)比

　　圖3.葉片沿展向的局部彎矩、剪力和變形的誤差棒圖

　　圖4.葉片揮舞模態(tài)的交叉小波分析圖

　　圖5.基礎(chǔ)縱搖模態(tài)的交叉小波分析圖