CN113266523A - 漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法与系统，该方法是针对受波浪扰动的漂浮式双叶轮风电机组的任意大部件系统，并采用前馈控制技术进行补偿，具体操作为提前预知即将到达浮台的波浪信息，包括波浪的有效波高和周期信息，根据波浪的有效波高和周期信息，及时对由波浪引起的大部件系统运动进行补偿，即可有效抑制由此造成的机组转速、功率波动和大部件系统疲劳；其中，大部件系统有浮台、机舱、塔架、叶轮、传动链和系泊系统。本发明能有效地抑制由波浪引起的大部件系统运动，从而降低大部件系统的疲劳载荷，并抑制由此造成的机组转速、功率波动。

Description

漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法与系统

技术领域

本发明涉及风电机组的技术领域，尤其是指一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法与系统。

背景技术

漂浮式风电机组的出现使得开发深远海的风力资源成为可能，考虑到经济性和更大的风能捕获而设计的双叶轮漂浮式机组(如图1)与传统固定式机组和单叶轮漂浮式风电机组相比结构有较大区别且控制系统更复杂；特别是与风-浪联合作用下造成的浮台运动而产生的附加波浪力相关的低频模态能够引起塔架、系泊系统等大部件系统疲劳载荷的增加和功率波动。当前绝大部分漂浮式风电机组还是使用变速变桨控制策略，通过调节变桨控制器参数使其变桨响应不与浮台运动相耦合，而抑制浮台纵荡的控制策略也只是对由波浪引起的浮台固有频率的振动进行加阻，对于不同周期和不同波高的波浪对浮体的冲击，传统的控制策略还不能有效应对，急需解决。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，能有效地抑制由波浪(不同波频)引起的大部件系统运动，从而降低大部件系统的疲劳载荷，并抑制由此造成的机组转速、功率波动。

本发明的第二目的在于提供一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制系统。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，所述漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力；该方法是针对受波浪扰动的漂浮式双叶轮风电机组的任意大部件系统，并采用前馈控制技术进行补偿，具体操作为提前预知即将到达浮台的波浪信息，包括波浪的有效波高和周期信息，根据波浪的有效波高和周期信息，及时对由波浪引起的大部件系统运动进行补偿，即可有效抑制由此造成的机组转速、功率波动和大部件系统疲劳；其中，所述大部件系统有浮台、机舱、塔架、叶轮、传动链和系泊系统。

进一步，该方法是采用测波设备测得波浪的有效波高η和周期信息，而测波设备的最短探测距离L由以下公式确定：

式中，g为重力加速度，

为波浪的最大周期，t_p为波浪冲击浮台时导致浮台产生最大波浪力的最短时间，π为圆周率；以上参数均能够通过模型计算得到静态参数；

该方法是根据以上公式计算得到的最短探测距离L来选择能够实现该探测距离的测波设备；确定好测波设备后，记录下测波设备每个测量周期测得的有效波高η和时间t，由于风机的变桨执行机构、变频器响应和滤波器均会造成时间延迟t_delay，则用于前馈控制的有效波高η还有t-t_delay时间才到达浮台，然后选择某一时刻的有效波高η作为前馈控制的输入，再采用前馈控制技术进行补偿。

进一步，采用前馈控制技术进行补偿，分为两部分：一部分是在额定风速以下风机尚未满载运行，其补偿量τ_ff叠加在扭矩控制器输出的扭矩给定值上；另一部分是额定风速以上风机满载运行，其补偿量θ’_ff经过积分得到θ_ff再叠加到变桨控制器输出的桨叶角度给定值上；而后再由机组的主控系统同时下发到两台风机的变频系统和变桨系统来执行动作。

进一步，补偿量τ_ff的数学表达式为：

补偿量θ’_ff的数学表达式为：

式中，k_ffq为补偿量τ_ff的比例增益，k_ffp为补偿量θ’_ff的比例增益，

为受波浪扰动的大部件系统的输出量α对波浪的有效波高η的导数，

为有效波高η对时间t的导数即随时间的变化速率；其中，有效波高η在进行以上公式计算前还要经过一阶低通滤波器和高通滤波器进行滤波处理。

进一步，受波浪扰动的大部件系统的输出量α根据静态波高-输出量曲线或对应表得到，该静态波高-输出量曲线或对应表是依据风机模型模拟提前得到的，所以当选择好某一时刻的有效波高η作为前馈控制的输入后，即可通过静态波高-输出量曲线或对应表得到该时刻下的受波浪扰动的大部件系统的输出量α。

进一步，所述一阶低通滤波器的传递函数为：

所述高通滤波器的传递函数为：

式中，T₁、T₂、T₃为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制系统，所述漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力；该前馈控制系统针对受波浪扰动的漂浮式双叶轮风电机组的任意大部件系统，采用前馈控制器对其进行补偿，具体操作是：通过测波设备提前预知即将到达浮台的波浪信息，包括波浪的有效波高η和周期信息，再根据波浪的有效波高η和周期信息，利用前馈控制器及时对由波浪引起的大部件系统运动进行补偿，即可有效抑制由此造成的机组转速、功率波动和大部件系统疲劳；其中，所述大部件系统有浮台、机舱、塔架、叶轮、传动链和系泊系统。

进一步，所述前馈控制器的传递函数如下式所示：

C_ff＝-k_ffG_η→yG_bl ^-1η

式中，C_ff代表前馈控制器，k_ff代表前馈控制器的增益，G_η→y代表受波浪扰动的大部件系统，G_bl ^-1代表G_η→y的逆系统。

进一步，所述测波设备的最短探测距离L由以下公式确定：

式中，g为重力加速度，

为波浪的最大周期，t_p为波浪冲击浮台时导致浮台产生最大波浪力的最短时间，π为圆周率；以上参数均能够通过模型计算得到静态参数；

根据以上公式计算得到的最短探测距离L来选择能够实现该探测距离的测波设备；确定好测波设备后，记录下测波设备每个测量周期测得的有效波高η和时间t，由于风机的变桨执行机构、变频器响应和滤波器均会造成时间延迟t_delay，则用于前馈控制的有效波高η还有t-t_delay时间才到达浮台，然后选择某一时刻的有效波高η作为前馈控制器的输入。

进一步，所述前馈控制器对受波浪扰动的大部件系统进行补偿，分为两部分：一部分是在额定风速以下风机尚未满载运行，其补偿量τ_ff叠加在扭矩控制器输出的扭矩给定值上；另一部分是额定风速以上风机满载运行，其补偿量θ’_ff经过积分得到θ_ff再叠加到变桨控制器输出的桨叶角度给定值上；而后再由机组的主控系统同时下发到两台风机的变频系统和变桨系统来执行动作；

其中，补偿量τ_ff的数学表达式为：

补偿量θ’_ff的数学表达式为：

式中，k_ffq为补偿量τ_ff的比例增益，k_ffp为补偿量θ’_ff的比例增益，

为受波浪扰动的大部件系统的输出量α对波浪的有效波高η的导数，

为有效波高η对时间t的导数即随时间的变化速率；

其中，受波浪扰动的大部件系统的输出量α是根据静态波高-输出量曲线或对应表得到，该静态波高-输出量曲线或对应表是依据风机模型模拟提前得到的，所以当选择好某一时刻的有效波高η作为前馈控制器的输入后，即可通过静态波高-输出量曲线或对应表得到该时刻下的受波浪扰动的大部件系统的输出量α；

其中，有效波高η在进行以上公式计算前还要经过一阶低通滤波器和高通滤波器进行滤波处理；所述一阶低通滤波器的传递函数为：

所述高通滤波器的传递函数为：

式中，T₁、T₂、T₃为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明能够有效补偿由不同周期、不同浪高引起的风机各大部件系统低频波动，相比传统的反馈控制，本发明的前馈控制技术能提前感知波浪信息，机组及时动作，且能达到如下效果：

1、有效降低了由波浪对大部件系统扰动而引起的机组转速波动。

2、有效降低了大部件系统受扰动后造成的机组功率波动。

3、有效衰减了波浪引起的系泊系统、塔架、叶轮及传动链的低频载荷(波浪频率0.05HZ～0.3HZ)。

附图说明

图1为漂浮式双叶轮风电机组的结构图。

图2为漂浮式双叶轮风电机组附加前馈控制的概略图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

见图1所示，漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力。

当前的控制策略基本上都采用负反馈技术，其所采用的输入信号也都是外部环境变量(风和浪)作用到风机之后各系统的输出信号，由此再作为控制器的输入则具有一定的滞后性；为了提高控制器的控制性能，本发明提供的抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法是提前预知即将到达浮台的波浪信息，包括波浪的有效波高和周期信息等信息，再根据波浪的有效波高和周期信息等信息，及时对由波浪引起的大部件系统运动进行补偿，即可有效抑制由此造成的机组转速、功率波动和大部件系统疲劳。

本发明主要考察受波浪扰动的漂浮式双叶轮风电机组的任意大部件系统(如浮台、机舱、塔架、叶轮、传动链和系泊系统等)并补偿此系统，如浮台倾角、机舱俯仰角、塔架俯仰角等均可作为本发明前馈控制技术的补偿对象，在本实施例中，本发明所需的辅助设备仅是一台轮船上常用的激光测波雷达，当然也可以是其它能够实现波浪测量的测波设备。而激光测波雷达(或其它测波设备)的最短探测距离L由以下公式确定：

式中，g为重力加速度，

为波浪的最大周期，t_p为波浪冲击浮台时导致浮台产生最大波浪力的最短时间，π为圆周率；以上参数均能够通过模型计算得到静态参数。

本发明是根据以上公式计算得到的最短探测距离L来选择可实现该探测距离的激光测波雷达(或其它测波设备)；确定好激光测波雷达(或其它测波设备)后，记录下激光测波雷达(或其它测波设备)每个测量周期测得的有效波高η和时间t，由于风机的变桨执行机构、变频器响应和滤波器均会造成时间延迟t_delay，则用于前馈控制的有效波高η还有t-t_delay时间才到达浮台，然后选择某一时刻的有效波高η作为前馈控制的输入，再采用前馈控制技术进行补偿。

本实施例以浮台倾角作为受波浪扰动的大部件系统的输出量并应用前馈控制技术对其补偿，分为两部分：一部分是在额定风速以下风机尚未满载运行，其补偿量τ_ff叠加在扭矩控制器输出的扭矩给定值上；另一部分是额定风速以上风机满载运行，其补偿量θ’_ff经过积分得到θ_ff再叠加到变桨控制器输出的桨叶角度给定值上；而后再由机组的主控系统同时下发到两台风机的变频系统和变桨系统来执行动作。

补偿量τ_ff的数学表达式为：

补偿量θ’_ff的数学表达式为：

式中，k_ffq为补偿量τ_ff的比例增益，k_ffp为补偿量θ’_ff的比例增益，

为受波浪扰动的大部件系统的输出量α(即浮台倾角)对波浪的有效波高η的导数，

为有效波高η对时间t的导数即随时间的变化速率。其中，有效波高η在进行以上公式计算前还要经过一阶低通滤波器和高通滤波器进行滤波处理；所述一阶低通滤波器的传递函数为：

所述高通滤波器的传递函数为：

式中，T₁、T₂、T₃为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。另外，受波浪扰动的大部件系统的输出量α是根据静态波高-输出量曲线或对应表得到，而该静态波高-输出量曲线或对应表是依据风机模型模拟提前得到的，所以当选择好某一时刻的有效波高η作为前馈控制器的输入后，即可通过静态波高-输出量曲线或对应表得到该时刻下的受波浪扰动的大部件系统的输出量α。

实施例2

本实施例提供了一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制系统，该前馈控制系统针对受波浪扰动的漂浮式双叶轮风电机组的任意大部件系统(如浮台、机舱、塔架、叶轮、传动链和系泊系统等)，采用前馈控制器对其进行补偿，具体操作是：通过测波设备(优选激光测波雷达)提前预知即将到达浮台的波浪信息，包括波浪的有效波高η和周期信息，再根据波浪的有效波高η和周期信息，利用前馈控制器及时对由波浪引起的大部件系统运动进行补偿，即可有效抑制由此造成的机组转速、功率波动和大部件系统疲劳。

见图2所示，虚线框内为风机的动力学模型，η与v为有效波高和风轮有效风速，C_fb代表变桨控制器和扭矩控制器，其输入分别是转速Ω与转速参考值Ω_ref的差值和转速Ω，输出则是桨叶角度给定值和扭矩给定值。C_ff代表本发明前馈控制系统的前馈控制器，其传递函数如下式所示：

C_ff＝-k_ffG_η→yG_bl ^-1η

式中，k_ff代表前馈控制器的增益，G_η→y代表受波浪扰动的大部件系统，G_bl ^-1代表G_η→y的逆系统。

G_i→y为风机控制系统；G_v→y为受风速扰动的大部件系统，y^we和y^wi分别为受波浪和风扰动后大部件系统的输出量。

测波设备的最短探测距离L由以下公式确定：

式中，g为重力加速度，

为波浪的最大周期，t_p为波浪冲击浮台时导致浮台产生最大波浪力的最短时间，π为圆周率；以上参数均能够通过模型计算得到静态参数；

根据以上公式计算得到的最短探测距离L来选择可实现该探测距离的测波设备；确定好测波设备后，记录下测波设备每个测量周期测得的有效波高η和时间t，由于风机的变桨执行机构、变频器响应和滤波器均会造成时间延迟t_delay，则用于前馈控制的有效波高η还有t-t_delay时间才到达浮台，然后选择某一时刻的有效波高η作为前馈控制器的输入。

本实施例以浮台倾角作为受波浪扰动的大部件系统的输出量并应用前馈控制技术对其补偿，本系统的前馈控制器对受波浪扰动的大部件系统进行补偿，分为两部分：一部分是在额定风速以下风机尚未满载运行，其补偿量τ_ff叠加在扭矩控制器输出的扭矩给定值上；另一部分是额定风速以上风机满载运行，其补偿量θ’_ff经过积分得到θ_ff再叠加到变桨控制器输出的桨叶角度给定值上；而后再由机组的主控系统同时下发到两台风机的变频系统和变桨系统来执行动作。

补偿量τ_ff的数学表达式为：

补偿量θ’_ff的数学表达式为：

式中，k_ffq为补偿量τ_ff的比例增益，k_ffp为补偿量θ’_ff的比例增益，

为受波浪扰动的大部件系统的输出量α对波浪的有效波高η的导数，

为有效波高η对时间t的导数即随时间的变化速率；其中，有效波高η在进行以上公式计算前还要经过一阶低通滤波器和高通滤波器进行滤波处理；一阶低通滤波器的传递函数为：

高通滤波器的传递函数为：

式中，T₁、T₂、T₃为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。另外，受波浪扰动的大部件系统的输出量α是根据静态波高-输出量曲线或对应表得到，而该静态波高-输出量曲线或对应表是依据风机模型模拟提前得到的，所以当选择好某一时刻的有效波高η作为前馈控制器的输入后，即可通过静态波高-输出量曲线或对应表得到该时刻下的受波浪扰动的大部件系统的输出量α。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，所述漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力；其特征在于：该方法是针对受波浪扰动的漂浮式双叶轮风电机组的任意大部件系统，并采用前馈控制技术进行补偿，具体操作为提前预知即将到达浮台的波浪信息，包括波浪的有效波高和周期信息，根据波浪的有效波高和周期信息，及时对由波浪引起的大部件系统运动进行补偿，即可有效抑制由此造成的机组转速、功率波动和大部件系统疲劳；其中，所述大部件系统有浮台、机舱、塔架、叶轮、传动链和系泊系统。

2.根据权利要求1所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，其特征在于：该方法是采用测波设备测得波浪的有效波高η和周期信息，而测波设备的最短探测距离L由以下公式确定：

式中，g为重力加速度，

为波浪的最大周期，t_p为波浪冲击浮台时导致浮台产生最大波浪力的最短时间，π为圆周率；以上参数均能够通过模型计算得到静态参数；

该方法是根据以上公式计算得到的最短探测距离L来选择能够实现该探测距离的测波设备；确定好测波设备后，记录下测波设备每个测量周期测得的有效波高η和时间t，由于风机的变桨执行机构、变频器响应和滤波器均会造成时间延迟t_delay，则用于前馈控制的有效波高η还有t-t_delay时间才到达浮台，然后选择某一时刻的有效波高η作为前馈控制的输入，再采用前馈控制技术进行补偿。

3.根据权利要求1或2所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，其特征在于：采用前馈控制技术进行补偿，分为两部分：一部分是在额定风速以下风机尚未满载运行，其补偿量τ_ff叠加在扭矩控制器输出的扭矩给定值上；另一部分是额定风速以上风机满载运行，其补偿量θ’_ff经过积分得到θ_ff再叠加到变桨控制器输出的桨叶角度给定值上；而后再由机组的主控系统同时下发到两台风机的变频系统和变桨系统来执行动作。

4.根据权利要求3所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，其特征在于，补偿量τ_ff的数学表达式为：

补偿量θ’_ff的数学表达式为：

式中，k_ffq为补偿量τ_ff的比例增益，k_ffp为补偿量θ’_ff的比例增益，

为受波浪扰动的大部件系统的输出量α对波浪的有效波高η的导数，

为有效波高η对时间t的导数即随时间的变化速率；其中，有效波高η在进行以上公式计算前还要经过一阶低通滤波器和高通滤波器进行滤波处理。

5.根据权利要求4所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，其特征在于，受波浪扰动的大部件系统的输出量α根据静态波高-输出量曲线或对应表得到，该静态波高-输出量曲线或对应表是依据风机模型模拟提前得到的，所以当选择好某一时刻的有效波高η作为前馈控制的输入后，即可通过静态波高-输出量曲线或对应表得到该时刻下的受波浪扰动的大部件系统的输出量α。

6.根据权利要求4所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制方法，其特征在于，所述一阶低通滤波器的传递函数为：

所述高通滤波器的传递函数为：

式中，T₁、T₂、T₃为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。

7.一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制系统，所述漂浮式双叶轮风电机组为两台风机通过Y形塔架共用一个浮台，Y形塔架的底部固定于浮台上，两台风机的叶轮旋转方向相反，以抵消两台风机的离心力；其特征在于：该前馈控制系统针对受波浪扰动的漂浮式双叶轮风电机组的任意大部件系统，采用前馈控制器对其进行补偿，具体操作是：通过测波设备提前预知即将到达浮台的波浪信息，包括波浪的有效波高η和周期信息，再根据波浪的有效波高η和周期信息，利用前馈控制器及时对由波浪引起的大部件系统运动进行补偿，即可有效抑制由此造成的机组转速、功率波动和大部件系统疲劳；其中，所述大部件系统有浮台、机舱、塔架、叶轮、传动链和系泊系统。

8.根据权利要求7所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制系统，其特征在于：所述前馈控制器的传递函数如下式所示：

C_ff＝-k_ffG_η→yG_bl ^-1η

式中，C_ff代表前馈控制器，k_ff代表前馈控制器的增益，G_η→y代表受波浪扰动的大部件系统，G_bl ^-1代表G_η→y的逆系统。

9.根据权利要求7所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制系统，其特征在于：所述测波设备的最短探测距离L由以下公式确定：

式中，g为重力加速度，

为波浪的最大周期，t_p为波浪冲击浮台时导致浮台产生最大波浪力的最短时间，π为圆周率；以上参数均能够通过模型计算得到静态参数；

根据以上公式计算得到的最短探测距离L来选择能够实现该探测距离的测波设备；确定好测波设备后，记录下测波设备每个测量周期测得的有效波高η和时间t，由于风机的变桨执行机构、变频器响应和滤波器均会造成时间延迟t_delay，则用于前馈控制的有效波高η还有t-t_delay时间才到达浮台，然后选择某一时刻的有效波高η作为前馈控制器的输入。

10.根据权利要求7所述的一种抑制漂浮式双叶轮风电机组波浪扰动的前馈控制系统，其特征在于：所述前馈控制器对受波浪扰动的大部件系统进行补偿，分为两部分：一部分是在额定风速以下风机尚未满载运行，其补偿量τ_ff叠加在扭矩控制器输出的扭矩给定值上；另一部分是额定风速以上风机满载运行，其补偿量θ’_ff经过积分得到θ_ff再叠加到变桨控制器输出的桨叶角度给定值上；而后再由机组的主控系统同时下发到两台风机的变频系统和变桨系统来执行动作；

其中，补偿量τ_ff的数学表达式为：

补偿量θ’_ff的数学表达式为：

式中，k_ffq为补偿量τ_ff的比例增益，k_ffp为补偿量θ’_ff的比例增益，

为受波浪扰动的大部件系统的输出量α对波浪的有效波高η的导数，

为有效波高η对时间t的导数即随时间的变化速率；

其中，受波浪扰动的大部件系统的输出量α是根据静态波高-输出量曲线或对应表得到，该静态波高-输出量曲线或对应表是依据风机模型模拟提前得到的，所以当选择好某一时刻的有效波高η作为前馈控制器的输入后，即可通过静态波高-输出量曲线或对应表得到该时刻下的受波浪扰动的大部件系统的输出量α；

其中，有效波高η在进行以上公式计算前还要经过一阶低通滤波器和高通滤波器进行滤波处理；所述一阶低通滤波器的传递函数为：

所述高通滤波器的传递函数为：

式中，T₁、T₂、T₃为滤波器时间常数，s为拉普拉斯算子。

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