漂浮式風電機組整機控制研究獲進展

　　漂浮式風電機組是開發深遠海優質風能資源最經濟、有效的技術。與固定式機組相比，漂浮式風電機組的“風輪-基礎”耦合作用更加顯著，為機組安全可靠運行帶來挑戰。若不將該耦合作用考慮到漂浮式風電機組的控制器設計過程，某些重要載荷可能將被放大，甚至造成系統不穩定。因此，亟需設計綜合考慮“風輪-基礎”耦合作用的漂浮式風電機組整機控制器。

　　

　　中國科學院工程熱物理研究所以典型的半潛式漂浮式風電機組為研究對象，如圖1所示，在葉片上各布置一個尾緣襟翼，以彌補傳統全尺寸變槳大慣性的缺陷。科研人員對OpenFAST軟件進行二次開發，引入尾緣襟翼接口，建立含尾緣襟翼的漂浮式風電機組仿真平臺。選葉根揮舞彎矩、風輪轉速代表主導風輪屬性，選縱搖運動、艏搖運動代表主導漂浮式基礎屬性，并以尾緣襟翼為調載裝置，據此，研究提出綜合考慮“風輪-基礎”耦合作用的無模型自適應控制方法。研究在控制目標函數中引入二次型矩陣對各辯識誤差向量、輸入向量、輸入變化率向量進行權值規劃，同時引入考慮襟翼偏轉速度和襟翼偏轉位置飽和因素的懲罰因子。

　　

　　研究表明，與僅專注于風輪不平衡載荷的尾緣襟翼PID控制相比，無模型自適應控制使得尾緣襟翼能夠有效提高浮式基礎主導自由度的穩定性，如圖2所示。同時，沿葉片展向的局部彎矩、剪力和變形的波動幅度均得到優化，如圖3所示。研究選取系統典型信號，利用交叉小波變換揭示系統的葉片揮舞模態以及基礎縱搖模態減載的氣彈耦合機理。如圖4-5所示，漂浮式風電系統固有的同相氣動-水動-彈性耦合機制在尾緣襟翼控制量的作用下被削弱，進而降低了作用在風輪和基礎上的振動能量。

　　

　　該研究為漂浮式風電機組整機穩定性控制提供了新思路，進一步揭示了尾緣襟翼在漂浮式風電機組載荷控制中的應用潛力。相關研究成果發表在Ocean engineering上。

　　圖1.含尾緣襟翼的半潛式漂浮式風電機組示意圖

　　圖2.典型湍流風下的控制效果對比

　　圖3.葉片沿展向的局部彎矩、剪力和變形的誤差棒圖

　　圖4.葉片揮舞模態的交叉小波分析圖

　　圖5.基礎縱搖模態的交叉小波分析圖