CN105930938B - 基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法 - Google Patents

基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，包括步骤：1)对磁流变阻尼器结构进行分析，获得磁流变阻尼器的力‑位移关系式；2)建立配置磁流变阻尼器的海上浮式风电机组多自由度结构体系运动方程，并建立风机和磁流变阻尼器的运动方程；3)通过LQR控制器和Fuzzy控制器对磁流变阻尼器进行控制，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移。本发明摒弃了在阻尼器结构控制中被动控制和主动控制的缺点，控制所需外加能量很少、装置简单、不易失稳，能有效减小浮式风电机组的总体载荷，并在一定程度上保证浮台的平稳，进而能提高风力机的使用寿命和输出电能质。

Description

基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法
技术领域
本发明涉及漂浮式海上风力发电技术领域，特别涉及一种漂浮式风力机组的减载控制方法。
背景技术
漂浮式海上风力发电机组本身虽然能够较大程度利用深海的风能资源，但其外界载荷条件比陆地上固定式风力发电机组更加复杂,其原因是除了受到通常的风载荷以外,还受到浪的影响。同时相对固定式海上风力发电机来说，浮式平台的运动对系统发电也有很大的影响。由于风和浪具有随机性的特点，环境载荷波动会造成风电机组的载荷波动变化，使风电机组输出功率不稳定。特别是风和波浪引起的平台和塔架的倾斜运行，由于大惯性和重力作用，大大增加风机的结构载荷，从而影响风力机的使用寿命及输出电能质量。
现有技术中在载荷控制方面，更多的采用独立变桨距控制和主动阻尼、半主动阻尼和被动阻尼控制的振动能量耗散方法对风电机组载荷进行控制研究。但采用变桨减载控制方法对受到较大波浪载荷作用的浮式风电系统而言，其载荷控制无法满足要求，同时也牺牲了部分功率作为代价。而采用阻尼器结构减载控制在较大波浪时具有更优的性能。在阻尼器结构控制中，被动结构控制虽然设计简单，但其减载效果有限；主动结构控制虽然减载效果好，但其设计又过于复杂，且耗能高。半主动阻尼控制继承了两者的优势，在实际应用中更受到关注。其中磁流变阻尼器作为一种新型智能机械作动器在半主动阻尼控制中应用中开始受到广泛关注，但其在风电机组减载控制特别是漂浮式风电机组中应用较少。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，以实现将磁流变阻尼器应用于漂浮式风电机组的载荷控制，解决在阻尼器结构控制中，主动结构控制和被动结构控制所存在的缺点，实现有效减小浮式风电机组的总体载荷，并在一定程度上保证浮台的平稳，进而提高风力机的使用寿命和输出电能质量。
本发明基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，包括以下步骤：
1)对磁流变阻尼器结构进行分析，获得磁流变阻尼器的力-位移关系式：
式中，FMR-TMD为磁流变阻尼力，C0为阻尼系数，为活塞相对缸体的位移，fc为库仑力，f0为由补偿器产生的摩擦力；
2)建立配置磁流变阻尼器的海上浮式风电机组多自由度结构体系运动方程，利用Kane动力学方程，分别建立风机和磁流变阻尼器的运动方程：
其中，θp表示浮台偏离垂直平面的角度，θt表示塔架偏离垂直平面的角度；kp表示Barge的弹性常数，kt表示塔架弹性常数，dp表示浮台阻尼系数，dt表示塔架阻尼系数，xMR-TMD表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离，FMR-TMD为磁流变阻尼力；Ip表示浮台转动惯量，It表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；mp表示浮台质量，mt表示塔架质量，mMR-TMD表示磁流变阻尼器的质量；Rp表示浮台质心到铰链的距离，Rt表示塔架质心到铰链的距离，RMR-TMD表示阻尼器质心到铰链的距离；
3)通过LQR控制器和Fuzzy控制器对磁流变阻尼器进行控制，首先利用LQR控制器计算最优控制力向量U；然后根据磁流变阻尼器本身的控制力范围及最优控制力向量U，得到期望控制力Ud；最后利用Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移。
本发明的有益效果：
本发明基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，其摒弃了在阻尼器结构控制中被动控制和主动控制的缺点，控制所需外加能量很少、装置简单、不易失稳，能有效减小浮式风电机组的总体载荷，并在一定程度上保证浮台的平稳，进而能提高风力机的使用寿命和输出电能质。
附图说明
图1为配置磁流变阻尼器的barge结构的漂浮式风力机结构图，图中：1-磁流变阻尼器，2-浮台，3-塔架，4-海平面；
图2为宾汉(Bingham)结构图，图中F为磁流变阻尼力、C为阻尼系数、f为库仑力；
图3为配置磁流变阻尼器的控制结构图，图中模糊控制器即Fuzzy控制器；
图4为风载荷及波浪载荷；
图5为机舱纵向位移控制效果图，图中的MR-TMD即磁流变阻尼器；
图6为浮式平台俯仰角控制效果图，图中的MR-TMD即磁流变阻尼器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图所示，本实施例基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，包括以下步骤：
1)对磁流变阻尼器结构进行分析，获得磁流变阻尼器的力-位移关系式：
式中，FMR-TMD为磁流变阻尼力，C0为阻尼系数，为活塞相对缸体的位移，fc为库仑力，f0为由补偿器产生的摩擦力；
2)建立配置磁流变阻尼器的海上浮式风电机组多自由度结构体系运动方程，利用Kane动力学方程，分别建立风机和磁流变阻尼器的运动方程：
其中，θp表示浮台偏离垂直平面的角度，θt表示塔架偏离垂直平面的角度；kp表示Barge的弹性常数，kt表示塔架弹性常数，dp表示浮台阻尼系数，dt表示塔架阻尼系数；xMR-TMD表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离；FMR-TMD为磁流变阻尼力；Ip表示浮台转动惯量，It表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；mp表示浮台质量，mt表示塔架质量，mMR-TMD表示磁流变阻尼器的质量；Rp表示浮台质心到铰链的距离，Rt表示塔架质心到铰链的距离，RMR-TMD表示阻尼器质心到铰链的距离；
3)通过LQR控制器和Fuzzy控制器实现对磁流变阻尼器进行控制，具体控制过程为：首先利用LQR控制器计算最优控制力向量U；然后根据磁流变阻尼器本身的控制力范围及最优控制力向量U，得到期望控制力Ud；最后利用Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移。
在步骤1)中，对磁流变阻尼器结构进行分析，具体过程为：
建立磁流变阻尼器的力学模型，采用宾汉流体模型(Bingham模型)，其结构图如图2所示，其应力与应变的关系为：式中，为τ剪应力；η为流体的动力粘滞系数；为剪切应变速率；τy为磁流变液的屈服剪应力；sgn()表示符号函数；
磁流变阻尼器力-位移关系式为：式中，FMR-TMD为磁流变阻尼力，C0为阻尼系数，为活塞相对缸体的位移，fc为库仑力，f0为由补偿器产生的摩擦力，可以忽略不计；其中，式中，L为活塞长度；Ap为活塞的有效面积；D为缸体内径；h为缝隙间距。
通过研究可知控制电流I和磁流变液的屈服剪应力τy之间的关系为：τy＝A1e-I+A2ln(I+e)+A3I，式中，A1、A2和A3是磁流变体性能相关系数；e为自然数。
由前述分析和公式可知，磁流变阻尼器的控制力可以通过改变输入电流的方式来改变大小，电流的改变引起磁流变阻尼器的相对运动，进而产生阻尼力。
在步骤2)中，建立配置磁流变阻尼器的海上浮式风电机组多自由度结构体系运动方程，
对于包含P个广义坐标系的风力发电整机系统，方程给出了利用Kane动力学方程表达系统的运动方程，其中Fi表示每个自由度的广义驱动力，表示每个自由度的广义惯性力。
广义驱动力Fi和广义惯性力由如下方程表示：
其中，W表示刚体数量，Nr表示参考坐标系，mr表示质量，Xr为质量中心位置，表示Xr处的驱动力，表示Xr处的力矩，表示质量中心处加速度，表示刚体在质量中心点角动量的一阶导数，表示质量中心点的速度，为角速度。
由于侧向摇摆的疲劳载荷相对前后摇摆的疲劳载荷较小，因此，本发明只考虑浮式基础的前后摇摆模式以及系统载荷。配置了MR-TMD后，风机在原有模型中耦合了新的自由度，图1给出了耦合纵向自由度的风机模型。耦合模型多了与MR-TMD相关的驱动力和惯性力。
浮台的运动方程为：
塔架的运动方程为：
磁流变阻尼器的运动方程为：
上述三个方程中，θp表示浮台偏离垂直平面的角度，θt表示塔架偏离垂直平面的角度；kp表示Barge的弹性常数，kt表示塔架弹性常数，dp表示浮台阻尼系数，dt表示塔架阻尼系数，xMR-TMD表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离，FMR-TMD为磁流变阻尼力Ip表示浮台转动惯量，It表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；mp表示浮台质量，mt表示塔架质量，mMR-TMD表示磁流变阻尼器的质量；Rp表示浮台质心到铰链的距离，Rt表示塔架质心到铰链的距离，RMR-TMD表示阻尼器质心到铰链的距离。进而可得到具有如下形式的系统矩阵状态方程：矩阵输出方程为：Y＝CX+DU，其中，X为状态向量；U为控制输入向量；F是力向量；A为系统矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为传递矩阵。
在步骤3中，通过LQR控制器和Fuzzy控制器实现对磁流变阻尼器的控制，控制系统的反馈信号为机舱前后摇摆位移和浮台俯仰角，要达到的控制效果是使机舱纵向位移和浮台俯仰角最小，加入磁流变阻尼器、LQR控制器和Fuzzy控制器的控制系统结构图如图3所示；实现方式如下：
第一，利用LQR控制器计算最优控制力向量U，LQR的求解过程主要有3个步骤：首先建立系统的状态方程；其次提出控制目标并选取加权系数；最后应用控制理论求解得到所设目标下的最优控制律。LQR控制问题的目标性能函数定义为：其中，Q为状态变量加权矩阵；R为控制变量加权矩阵；N为状态变量和控制变量交叉项的加权矩阵。
最优控制问题的求解可转化为下述Riccati方程的求解：AP+PAT-PBR-1BTP+Q＝0，可求得P，从而得到控制器增益矩阵为：G＝R-1(NT+BTP)，并最终得到最优控制力：U＝-GX。
第二，根据磁流变阻尼器本身的控制力范围及最优控制力向量U，得到期望控制力Ud，所述Ud通过力限制器算法：
计算得到，其中，fdymin和fdymax分别是磁流变阻尼器的最小阻尼力和最大阻尼力。
第三，利用Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移；
控制系统的反馈信号为机舱前后摇摆位移和浮台俯仰角，反馈信号输入kalman滤波器得到所需的估计状态后再输入LQR控制器，通过LQR控制器和力限制器算法获得的期望控制力Ud信号输入模糊控制器，Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移。期望控制力的输入范围限定在[-12，12]之间，通过量化因子KF对输入信号进行归一化处理。定义7个语言变量，为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。输入隶属函数度采用高斯函数，模糊控制器的输出选取为控制电流，输出的范围限定在[0，10]之间，定义4个语言变量，为{ZE，S，M，B}，分别表示零、小、中和大，输出隶属度函数采用三角函数。下表为模糊规则图库：
控制力 NB NM NS ZE PS PM PB
电流 B M S ZE S M B
对于磁流变阻尼器，输入电流越大，阻尼器输出的阻尼力越大，根据该经验，得到如上表所示的模糊控制规则库。模糊推理采用mamdani推理方法，去模糊化采用min-max重心法。
本实施例基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，其摒弃了在阻尼器结构控制中被动控制和主动控制的缺点，控制所需外加能量很少、装置简单、不易失稳，能有效减小浮式风电机组的总体载荷，并在一定程度上保证浮台的平稳，进而能提高风力机的使用寿命和输出电能质。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于磁流变阻尼器半主动结构控制的漂浮式风机减载方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对磁流变阻尼器结构进行分析，获得磁流变阻尼器的力-位移关系式：
式中，FMR-TMD为磁流变阻尼力，C0为阻尼系数，为活塞相对缸体的位移，fc为库仑力，f0为由补偿器产生的摩擦力；
2)建立配置磁流变阻尼器的海上浮式风电机组多自由度结构体系运动方程，利用Kane动力学方程，分别建立风机和磁流变阻尼器的运动方程：
其中，θp表示浮台偏离垂直平面的角度，θt表示塔架偏离垂直平面的角度；kp表示Barge的弹性常数，kt表示塔架弹性常数，dp表示浮台阻尼系数，dt表示塔架阻尼系数；xMR-TMD表示阻尼器质心到铰链所在垂直面的距离；FMR-TMD为磁流变阻尼力；Ip表示浮台转动惯量，It表示塔架转动惯量；g表示重力加速度；mp表示浮台质量，mt表示塔架质量，mMR-TMD表示磁流变阻尼器的质量；Rp表示浮台质心到铰链的距离，Rt表示塔架质心到铰链的距离，RMR-TMD表示磁流变阻尼器质心到铰链的距离；
3)结合步骤1和步骤2)得到具有如下形式的系统矩阵状态方程：矩阵输出方程为：Y＝CX+DU，其中，X为状态向量；U为控制输入向量；F是力向量；A为系统矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为传递矩阵；通过LQR控制器和Fuzzy控制器实现对磁流变阻尼器的控制，控制系统的反馈信号为机舱前后摇摆位移和浮台俯仰角，要达到的控制效果是使机舱纵向位移和浮台俯仰角最小，实现方式如下：
第一，利用LQR控制器计算最优控制力向量U，LQR的求解过程主要有3个步骤:首先建立系统的状态方程；其次提出控制目标并选取加权系数；最后应用控制理论求解得到所设目标下的最优控制律；LQR控制问题的目标性能函数定义为：其中，Q为状态变量加权矩阵；R为控制变量加权矩阵；N为状态变量和控制变量交叉项的加权矩阵；
最优控制问题的求解可转化为下述Riccati方程的求解:AP+PAT-PBR-1BTP+Q＝0，求得P，从而得到控制器增益矩阵为：G＝R-1(NT+BTP)，并最终得到最优控制力：U＝-GX；
第二，根据磁流变阻尼器本身的控制力范围及最优控制力向量U，得到期望控制力Ud，所述Ud通过力限制器算法：
计算得到，其中，fdymin和fdymax分别是磁流变阻尼器的最小阻尼力和最大阻尼力；
第三，利用Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移；
控制系统的反馈信号为机舱前后摇摆位移和浮台俯仰角，反馈信号输入kalman滤波器得到所需的估计状态后再输入LQR控制器，通过LQR控制器和力限制器算法获得的期望控制力Ud信号输入模糊控制器，Fuzzy控制器控制磁流变阻尼器的电流使磁流变阻尼器能够跟踪期望控制力，以减小浮式风机的平台俯仰角和机舱的纵向位移。
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基于TMD的海上浮动风力机结构振动控制研究;贺尔铭等;《西北工业大学学报》;20140228;第32卷(第1期);第55-61页

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