面向降載的漂浮式海上風(fēng)機(jī)變槳距控制技術(shù)

陳殿輝, 徐曼如, 朱 政, 洪炫宇, 李建國

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306;2.國網(wǎng)上海奉賢供電公司, 上海 201400;3.三峽新能源海上風(fēng)電運(yùn)維江蘇有限公司 大豐項(xiàng)目部, 江蘇 鹽城 224008)

為順應(yīng)新時(shí)代背景下“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo),我國能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變[1],新能源發(fā)電發(fā)展迅速,而風(fēng)電逐步成為新能源發(fā)電的主力軍。近年來,陸上風(fēng)電不斷開發(fā),陸上可利用風(fēng)資源逐漸減少,擁有較好發(fā)展前景的海上風(fēng)電已成為我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的重心[2]。2020年7月,我國首臺海上漂浮式風(fēng)電平臺——“三峽引領(lǐng)”號在廣東陽江成功安裝,這表明我國海上風(fēng)電開始向深?；l(fā)展[3]。

和近海(水深＜50 m)相比,深海(水深＞50 m)擁有更好的風(fēng)資源,更利于發(fā)展海上風(fēng)電。相較于在深海安裝固定式海上風(fēng)機(jī),漂浮式海上風(fēng)機(jī)的成本更低,但面臨的載荷環(huán)境更復(fù)雜。目前,國內(nèi)外部分學(xué)者對風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳距控制開展了相關(guān)研究。曹松青等[4]設(shè)計(jì)了一種非線性預(yù)測控制和PID 控制相結(jié)合的獨(dú)立變槳距控制技術(shù),該獨(dú)立變槳距控制技術(shù)能有效解決系統(tǒng)的內(nèi)外擾動。曾凌霄等[5]基于600 k W 水平軸海流能風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)了一種變槳系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅保證了功率穩(wěn)定,還能顯著降低葉輪受到的不平衡載荷。閆學(xué)勤等[6]提出了一種基于科爾曼坐標(biāo)變換的改進(jìn)型準(zhǔn)比例積分諧振獨(dú)立變槳距控制算法,該獨(dú)立變槳距控制算法對機(jī)組輸出的有功功率無沖擊影響。曾冰等[7]提出了一種基于鯨魚群算法的PID獨(dú)立變槳距參數(shù)整定方法,該方法能優(yōu)化控制器的參數(shù)。Gong等[8]將模糊PID和混沌算法結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立變槳控制器,研究發(fā)現(xiàn)該控制器的性能較好。周臘吾等[9]提出了一種基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立變槳距控制技術(shù),結(jié)果表明,該獨(dú)立變槳距控制技術(shù)能優(yōu)化漂浮式海上風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率。劉楊等[10]提出了一種基于改進(jìn)微分進(jìn)化算法的兆瓦級風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳距控制技術(shù),研究發(fā)現(xiàn)該獨(dú)立變槳距控制技術(shù)縮小了PID 參數(shù)的搜索范圍,有效穩(wěn)定了輸出功率。

目前,國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者對漂浮式海上風(fēng)機(jī)降載的研究側(cè)重于通過優(yōu)化浮式平臺結(jié)構(gòu)降低平臺受到的載荷,對獨(dú)立變槳距控制技術(shù)的研究側(cè)重于優(yōu)化陸上風(fēng)機(jī)和海上固定式風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率,對獨(dú)立變槳距控制技術(shù)下漂浮式海上風(fēng)機(jī)的平臺垂蕩運(yùn)動和葉尖位移引起的載荷變化的相關(guān)研究較少。本文采用OpenFAST軟件對漂浮式海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)建模,針對漂浮式海上風(fēng)機(jī)面臨的復(fù)雜海況,提出一種基于卡爾曼濾波算法的改進(jìn)單神經(jīng)元PI獨(dú)立變槳距控制技術(shù)。對比PI統(tǒng)一變槳距和方位角權(quán)系數(shù)獨(dú)立變槳距控制技術(shù),分析了在本文提出的獨(dú)立變槳距控制技術(shù)下漂浮式海上風(fēng)機(jī)的平臺垂蕩運(yùn)動和葉尖位移的振幅變化。仿真結(jié)果表明:本文提出的獨(dú)立變槳距控制技術(shù)緩解了浮式平臺的垂蕩運(yùn)動,減少了葉尖位移的振幅,在一定程度上降低了漂浮式海上風(fēng)機(jī)受到的載荷。

1 氣動 水動 系泊系統(tǒng)模型

半潛式漂浮式海上風(fēng)機(jī)由1個(gè)中央圓筒和3個(gè)浮筒構(gòu)成,該類型漂浮式海上風(fēng)機(jī)安裝難度較小[11]。漂浮式海上風(fēng)機(jī)大多安裝在深海區(qū)域,面臨的載荷環(huán)境十分復(fù)雜,導(dǎo)致漂浮式海上風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)模型呈現(xiàn)強(qiáng)耦合的特點(diǎn),漂浮式海上風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)動力學(xué)模型主要包括氣動、水動和系泊模型。圖1為半潛式漂浮式海上風(fēng)機(jī)。

圖1 半潛式漂浮式海上風(fēng)機(jī)

1.1 氣動模型

漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺共有6個(gè)自由度運(yùn)動,其中包括X、Y、Z3 個(gè)方向的平動自由度為縱蕩(Surge)、橫蕩(Sway)、垂蕩(Heave),以及3個(gè)轉(zhuǎn)動自由度為縱搖(Pitch)、橫搖(Roll)、艏搖(Yaw)。圖2為漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺自由度運(yùn)動。

1.1.1 氣動載荷(風(fēng)輪) 漂浮式海上風(fēng)機(jī)的氣動載荷主要源于風(fēng)輪受到的軸向力和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩[12],通過葉素 動量理論對漂浮式海上風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行假設(shè)切割,分成足夠多的葉素。氣動載荷作用在葉素上產(chǎn)生使葉片轉(zhuǎn)動的推力T和扭矩M[13]:

式中:ρ為來流密度;W為相對來流速度;N為葉片數(shù)目;c為葉素翼型弦長;Cl、Cd分別為翼型升力和阻力系數(shù);?為入流角;r為葉片半徑。

1.1.2 氣動載荷(塔筒) 漂浮式海上風(fēng)機(jī)塔筒的氣動載荷為[14]

式中:K為平臺桿件形狀受力系數(shù);H為高度系數(shù);Sa為塔筒桿件a的受風(fēng)面積;vt為塔筒處的相對風(fēng)速。

1.2 水動模型

1.2.1 水動載荷(海流) 在海洋工程中,一般將深海區(qū)域的海流速度視為線性變化,漂浮式海上風(fēng)機(jī)受到的海流力為

式中:ρow 為海水密度;Koc為曳力系數(shù);Splat為平臺和海流垂面的投影面積;voc為海流流速。

1.2.2 水動載荷(波浪) 在海洋工程中,常采用莫里森(Morison)方程計(jì)算浪載荷[15]。漂浮式海上風(fēng)機(jī)受到的波浪力Fwa為拖曳力Ft和慣性力Fg之和,拖曳力和慣性力的表達(dá)式為

式中:Kt為拖曳力系數(shù);S為浮筒垂于海水流動方向的投影面積;v為海水的瞬時(shí)流速;D為構(gòu)件直徑;?v為流體瞬時(shí)加速度的水平分量;Kg為慣性力系數(shù)。

1.3 系泊系統(tǒng)模型

通常采用靜態(tài)懸鏈線方程計(jì)算漂浮式海上風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)的系泊力,該方程中系泊點(diǎn)處的系泊力水平分量Fxs和垂直分量Fxc分別表示為[16]式中:X為懸鏈線水平跨距;l為系泊纜長度;h為錨點(diǎn)和系泊點(diǎn)間的垂直距離;ω為水中單位長度系泊纜的重力。

1.4 漂浮式海上風(fēng)機(jī)運(yùn)動方程

結(jié)合漂浮式海上風(fēng)機(jī)的氣動、水動和系泊系統(tǒng),其運(yùn)動方程[17]如下:

2 變槳控制器設(shè)計(jì)

2.1 統(tǒng)一變槳控制(Collective Pitch Control,CPC)

本文的CPC采用增益調(diào)度型PI控制,利用發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差作為輸入。該統(tǒng)一變槳距控制技術(shù)能在PI控制需要較大葉片槳距角時(shí)給出較小的增益,即增益同葉片槳距角的變化量成反比[18],其傳遞函數(shù)為[19]

式中:Kp為比例系數(shù);F(x)為增益因子;Ti為積分時(shí)間;s為拉氏變換算子。

2.2 獨(dú)立變槳控制(Individual Pitch Control,IPC)

A) 受環(huán)境載荷和葉輪面積較大等因素影響,漂浮式海上風(fēng)機(jī)3個(gè)葉片受到的載荷差異較大。該控制技術(shù)根據(jù)每個(gè)葉片的受力情況進(jìn)行權(quán)系數(shù)的修正,忽略葉片間的結(jié)構(gòu)差異,將每只葉片中心點(diǎn)位置的風(fēng)速等效為平均風(fēng)速,經(jīng)推導(dǎo)得到權(quán)系數(shù)為

2.2.1 方位角權(quán)系數(shù)控制技術(shù)(IPC

2.2.2 基于卡爾曼濾波算法的改進(jìn)單神經(jīng)元PI控制技術(shù)(IPC B)

(1) 卡爾曼濾波算法。鑒于漂浮式海上風(fēng)機(jī)受環(huán)境載荷影響較大,輸出常含有干擾信號。基于卡爾曼濾波算法,旨在從干擾信號中確定有效信號。該算法利用狀態(tài)方程描述系統(tǒng),由上段時(shí)間的估值和現(xiàn)在的觀測值遞推得到現(xiàn)在的狀態(tài)估值為[20]

式中:x^k|k-1為k時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值;Ak、Bk、Ck均為變換矩陣;uk為控制向量;Pk|k-1為協(xié)方差矩陣;Dk為過程噪聲的協(xié)方差矩陣;Fk為濾波增益矩陣;Ek為觀測噪聲的協(xié)方差矩陣;x^k|k為k時(shí)刻的后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值;Gk為測量值;I為單位矩陣。

(2) 改進(jìn)單神經(jīng)元PI控制。單神經(jīng)元PI控制具有結(jié)構(gòu)簡單、自主學(xué)習(xí)和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到單神經(jīng)元PI控制受e(k)和Δe(k)影響較大,本文對常規(guī)單神經(jīng)元PI控制的學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行改進(jìn):用e(k)+Δe(k)代替常規(guī)單神經(jīng)元PI控制器中xi(k)[21]。

改進(jìn)后的學(xué)習(xí)規(guī)則如下:

式中:w1(k)、w2(k)分別為第1和第2個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值;ηP、ηI 分別為比例控制和積分控制的學(xué)習(xí)速率;e(k)為k時(shí)刻的誤差值;u(k)為k時(shí)刻的控制量;Δe(k)為k時(shí)刻的誤差變化量。

3 仿真分析

本文以NREL-5 MW基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)和OC4-DeepCwind漂浮式平臺為研究對象,通過OpenFAST 和Matlab/Simulink聯(lián)立仿真。仿真時(shí)間為200 s,設(shè)定平均風(fēng)速為17 m/s的湍流風(fēng)、有義波高為4 m的不規(guī)則波聯(lián)合作用的運(yùn)行工況。鑒于切入風(fēng)速較大,本文取前100 s為瞬態(tài)部分,僅分析100～200 s的仿真結(jié)果。NREL-5 MW 風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)如表1所示,OC4-DeepCwind漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺主要參數(shù)如表2所示。

表1 NREL-5 MW 風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)

表2 OC4-DeepCwind漂浮式風(fēng)力機(jī)平臺主要參數(shù)

圖3反映了設(shè)定的風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況。由圖3(a)可知,在0～200 s內(nèi),風(fēng)速最大值和最小值分別為23.99 m/s和8.49 m/s;在100～200 s內(nèi),風(fēng)速最大值和最小值分別為23.99 m/s和10.78 m/s,均處于機(jī)組切入、切出風(fēng)速以內(nèi)。生成的湍流風(fēng)振蕩明顯,最大幅值達(dá)到13.21 m/s,一定程度上反映了湍流風(fēng)對機(jī)組可靠性要求較高。由圖3(b)可知,生成的不規(guī)則波浪振蕩明顯,一定程度上反映了浪載荷對浮式平臺的可靠性要求較高。

圖3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況

結(jié)合圖4平臺載荷分析對比和表3標(biāo)準(zhǔn)差分析可知,在湍流風(fēng)、不規(guī)則波浪聯(lián)合作用下,對比本文中的CPC和IPC A,IPC B下的平臺垂蕩運(yùn)動的標(biāo)準(zhǔn)差分別下降了9.9%和10.6%,表明IPC B能緩解平臺垂蕩運(yùn)動,使平臺更穩(wěn)定,在一定程度上降低了由平臺運(yùn)動引起的載荷。此外,葉片1葉尖位移的振幅在IPC B 下也更小,對比本文中的CPC和IPC A,IPC B下的葉片1葉尖位移的標(biāo)準(zhǔn)差分別下降了23.4%和3.09%,葉片1葉尖位移的振幅減小反映出在IPC B下葉片擺動范圍減小,葉片擺動范圍減小能緩解機(jī)組晃動,從而降低葉片載荷和機(jī)組受到的載荷。

圖4 平臺載荷分析對比

表3 3種變槳距控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差分析

4 結(jié) 論

對比3種不同變槳距控制技術(shù),分析半潛式漂浮式海上風(fēng)機(jī)受到載荷變化后得出以下結(jié)論:

(1) 在緩解漂浮式海上風(fēng)機(jī)的平臺垂蕩運(yùn)動和降低葉片1葉尖位移方面,IPC B優(yōu)于CPC和IPC A。在IPC B下,平臺垂蕩位移減小,一定程度上緩解了浮式平臺的晃動,降低了漂浮式海上風(fēng)機(jī)由平臺運(yùn)動引起的載荷。

(2) 在IPC B 下,葉片1葉尖位移的振幅減小,在一定程度上能減小由葉片擺動引起的載荷,延長葉片的壽命。