CN115685847B - 漂浮式风电机组的容错控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种漂浮式风电机组的容错控制方法及装置，涉及风电机组控制的技术领域，本发明提供的漂浮式风电机组的容错控制方法及装置，能够获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；基于低阶非线性模型建立漂浮式风电机组的切换线性模型；并获取当前漂浮式风电机组的模态参数，基于模态参数确定漂浮式风电机组当前所满足的子模型；以便于基于子模型和模态参数建立漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器；进而根据切换滑模面和全阶状态观测器计算漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，可以增加整个控制过程的鲁棒性和自适应性，可以在多种或者极端工况下，保证漂浮式风电机组的容错运行性能。

Description

漂浮式风电机组的容错控制方法及装置
技术领域
本发明涉及风电机组控制的技术领域，尤其是涉及一种漂浮式风电机组的容错控制方法及装置。
背景技术
随着近年来陆上和近海风电机组的大规模装机并开始逐渐饱和，且大规模的陆上或近海风机会对人类造成噪音和视觉影响，甚至影响交通，因此，利用远海漂浮式风电机组(floating offshore wind turbine,FOWT)获取风能成为必然选择。
应用浮动平台支撑的深水海上漂浮式风电机组的优势主要在于：1)适用水深范围广；2)在部署方面具有更好的灵活性；3)具有安装大功率风力发电机的能力；4)更深水域的成本更低。然而，FOWT也面临着很多挑战，如，浮式平台的自由度较多，加剧了耦合系统的非线性，且，恶劣的深海环境包括湍流、不规则波浪和海流，共同影响了FOWT的特性，而FOWT的摇摆运动，也会导致功率波动和机械负载增加，降低了漂浮式风电机组的整体控制效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种漂浮式风电机组的容错控制方法及装置，以缓解上述技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种漂浮式风电机组的容错控制方法，包括：获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；基于所述低阶非线性模型建立所述漂浮式风电机组的切换线性模型；其中，所述切换线性模型包括多个子模型；获取当前所述漂浮式风电机组的模态参数，基于所述模态参数确定所述漂浮式风电机组当前所满足的所述子模型；基于所述子模型和所述模态参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器；根据所述切换滑模面和所述全阶状态观测器计算所述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过所述控制器的反馈输出对所述漂浮式风电机组进行容错控制。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述低阶非线性模型包括所述漂浮式风电机组的传动系统模型、塔顶位移模型和桨距角模型；所述方法还包括：获取作用在所述漂浮式风电机组的转子的总轴向力和转动力矩；基于所述总轴向力和所述转动力矩建立所述传动系统模型和所述塔顶位移模型。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述基于所述低阶非线性模型建立所述漂浮式风电机组的切换线性模型的步骤，包括：获取包含所述总轴向力和所述转动力矩的稳态点线性化表达式；基于稳态点线性化表达式确定所述漂浮式风电机组的切换线性模型。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述稳态点线性化表达式为：
Figure BDA0003927071170000021
其中，δ表示其后所跟变量当前数值与稳态数值的偏差；Tr表示转动力矩；ωr表示转子转速；β表示桨距角；v表示风速；ξ表示塔顶位移的二阶导数；KTω、KTβ、KTv、KTξ表示均表示动态增益；
所述切换线性模型表示为：
Figure BDA0003927071170000022
x(t)，uc(t)，w(t)，y(t)分别表示状态向量、控制输入、扰动向量、系统输出随时间的参数，表示σ(t)表示切换信号，所述切换信号用于指示所述漂浮式风电机组所满足的所述子模型在多个所述子模型之间切换，且，所述切换信号受平均驻留时间约束；A、B、C、D和H分别表示切换信号对应的系数矩阵。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述基于所述模态参数确定所述漂浮式风电机组当前所满足的所述子模型的步骤，包括：根据预先设置的模态参数与切换信号的对应关系，根据所述模态参数确定所述切换信号；根据所述切换信号指示所述子模型。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述基于所述子模型和所述模态参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器的步骤，包括：获取符合预置条件的历史模态参数；其中，所述预置条件包括：在恒定风速和规则波浪下，应用增益调度比例积分控制策略对预设漂浮式风电机组进行控制，所述历史模态参数为所述预置条件下得到的模态参数的稳态值；根据所述历史模态参数计算所述子模型的模型参数；根据所述模型参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出包括：所述全阶状态观测器的补偿值反馈输出、所述漂浮式风电机组的状态反馈输出、扰动反馈输出；根据所述切换滑模面和所述全阶状态观测器计算所述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出的步骤，包括：分别计算所述补偿值反馈输出、所述状态反馈输出和所述扰动反馈输出；将所述补偿值反馈输出、所述状态反馈输出和所述扰动反馈输出叠加，生成所述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出。
第二方面，本发明实施例还提供一种漂浮式风电机组的容错控制装置，包括：获取模块，用于获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；建立模块，用于基于所述低阶非线性模型建立所述漂浮式风电机组的切换线性模型；其中，所述切换线性模型包括多个子模型；确定模块，用于获取当前所述漂浮式风电机组的模态参数，基于所述模态参数确定所述漂浮式风电机组当前所满足的所述子模型；计算模块，用于基于所述子模型和所述模态参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器；控制模块，用于根据所述切换滑模面和所述全阶状态观测器计算所述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过所述控制器的反馈输出对所述漂浮式风电机组进行容错控制。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述第一方面所述的方法的步骤
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的漂浮式风电机组的容错控制方法及装置，能够获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；基于低阶非线性模型建立漂浮式风电机组的切换线性模型；并获取当前漂浮式风电机组的模态参数，基于模态参数确定漂浮式风电机组当前所满足的子模型；以便于基于子模型和模态参数建立漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器；进而根据切换滑模面和全阶状态观测器计算漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过控制器的反馈输出对漂浮式风电机组进行容错控制，整个容错控制过程中，充分考虑了漂浮式风电机组本身低阶非线性模型的特点，使漂浮式风电机组的特性在模型中可以很好地进行提现，从而提高容错控制的效果，同时，也可以增加整个控制过程的鲁棒性和自适应性，可以在多种或者极端工况下，保证漂浮式风电机组的容错运行性能。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种漂浮式风电机组的容错控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种仿真结果示意图；
图3为本发明实施例提供的一种漂浮式风电机组的容错控制装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，利用远海漂浮式风电机组获取风能已成为必然选择，然而，漂浮式风电机组的研究，扔面临很多挑战，包括但不限于以下内容：
1)复杂特性：浮式平台给漂浮式风电机组的控制系统增加了至少6个自由度，加剧了耦合系统的非线性，且，恶劣的深海环境包括湍流、不规则波浪和海流等，共同影响了漂浮式风电机组的特性。
2)多控制需求：漂浮式风电机组的摇摆运动导致功率波动和机械负载增加，整个系统稳定安全运行需要在各种工况下进行功率控制、结构控制、负载控制，以及它们之间的协调控制的有效设计。
3)容错性不理想：漂浮式风电机组的子设备、相关传感器、执行器等部件可能出现故障，由于离岸距离较远，难以得到及时的维修和维护。可能的故障会降低漂浮式风电机组的输出电能质量和寿命。
且，现有的风电机组容错控制主要针对的对象为陆上风电机组或者近海风电机组，对远海的漂浮式风电机组的容错控制方案较少，基于此，本发明实施例提供的一种漂浮式风电机组的容错控制方法及装置，可以有效缓解上述技术问题。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种漂浮式风电机组的容错控制方法进行详细介绍。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供了一种漂浮式风电机组的容错控制方法，如图1所示的一种漂浮式风电机组的容错控制方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S102，获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；
在实际使用时，本发明实施例中的漂浮式风电机组指的是深水海上漂浮式风电机组，其低阶非线性模型通常包括漂浮式风电机组的传动系统模型、塔顶位移模型和桨距角模型。
通常，为了得到上述各个低阶非线性模型，通常会假设漂浮式风电机组是在迎风/迎浪侧，基于该假设，塔的左右弯曲运动和浮式平台的水平摇摆、垂荡、横摇倾斜和偏航运动是微观的，可以忽略不计，因此，本发明实施例中对于漂浮式风电机组考虑的是浮式平台的水平浪涌平移ξsu和俯仰倾斜旋转角θpp的自由度。
具体实现时，上述低阶非线性模型参考的是浮式平台动力学模型，基于该浮式平台动力学模型，在建立低阶非线性模型时，可以获取作用在漂浮式风电机组的转子的总轴向力和转动力矩；基于总轴向力和转动力矩建立传动系统模型和塔顶位移模型。
具体地，漂浮式风电机组的转子气动载荷通常直接体现在叶片的转动和塔顶的振动上，因此，可以通过叶素动量理论(BEM，blade element momentum)来计算。在叶素动量理论上，将叶片划分为叶素单元，叶素单元对翼型的气动特性依赖于翼型的形状，作用在叶素单元上的力可以计算为：
Figure BDA0003927071170000071
Figure BDA0003927071170000072
其中FL,k和FD,k是第k个叶片的升力和拖拽力；ρa是空气密度；c是叶素的翼型弦长；CL(αk)和CD(αk)是升力和拖拽力的系数，且与攻角αk相关；Vr,k是叶片k的相对风速；r是叶素单元到叶根的距离。因此作用在漂浮式风电机组的转子的总轴向力以及转动力矩可以写成：
Figure BDA0003927071170000073
Figure BDA0003927071170000074
其中，
Figure BDA0003927071170000075
表示入流角，并且与攻角αk，塔顶位移ξ，桨距角β有着非线性的关系：
Figure BDA0003927071170000076
R表示叶片长度，Fy,k为叶片受到的径向力，基于上述总轴向力以及转动力矩，上述低阶非线性模型中的传动系统模型，可以被建模成如下双质量块动态模型：
Figure BDA0003927071170000081
其中，Jr和Jg分别是转子和发电机的转动惯量；ωr和ωg分别是转子和发电机的转速；φ为轴的扭角；Tg为发电机的电磁转矩；Ks和Ds分别表示柔性轴的弹性系数和阻尼系数，Ng表示漂浮式风电机组的变速箱齿轮比。
进一步，塔顶位移模型可以表示为如下二阶系统的形式
Figure BDA0003927071170000082
其中，ζt，ωt分别为塔架的阻尼比和自然角频率；kt为塔架的模型增益，ξ为塔顶位移。
进一步，低阶非线性模型中，桨距角模型指的是桨距角执行器模型，其中，桨距角执行器是个伺服模块，可以被建模成带有限幅和限速环节的一阶惯性模型：
Figure BDA0003927071170000083
其中，β表示桨距角，τp表示桨距角执行器的时间常数；βr表示桨距角执行器从桨距角控制器中得到的输入。
步骤S104，基于低阶非线性模型建立漂浮式风电机组的切换线性模型；
其中，本发明实施例中的切换线性模型包括多个子模型；
步骤S106，获取当前漂浮式风电机组的模态参数，基于模态参数确定漂浮式风电机组当前所满足的子模型；
其中，该步骤中获取的当前漂浮式风电机组的模态参数一般包括漂浮式风电机组的状态数据和环境数据，具体地，状态数据进一步包括：叶片转速、发电机转速、转矩、塔顶前后位移、塔顶前后位移的导数和桨距角等，环境数据则一般包括风速和波浪高度；
步骤S108，基于子模型和模态参数建立漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器；
步骤S110，根据切换滑模面和全阶状态观测器计算漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过控制器的反馈输出对漂浮式风电机组进行容错控制。
本发明实施例提供的漂浮式风电机组的容错控制方法，能够获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；基于低阶非线性模型建立漂浮式风电机组的切换线性模型；并获取当前漂浮式风电机组的模态参数，基于模态参数确定漂浮式风电机组当前所满足的子模型；以便于基于子模型和模态参数建立漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器；进而根据切换滑模面和全阶状态观测器计算漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过控制器的反馈输出对漂浮式风电机组进行容错控制，整个容错控制过程中，充分考虑了漂浮式风电机组本身低阶非线性模型的特点，使漂浮式风电机组的特性在模型中可以很好地进行提现，从而提高容错控制的效果，同时，也可以增加整个控制过程的鲁棒性和自适应性，可以在多种或者极端工况下，保证漂浮式风电机组的容错运行性能。
具体实现时，在上述多个低阶非线性模型中，转子的总轴向力和转动力矩是主要的非线性因素部分。因此，上述步骤S104中，建立漂浮式风电机组的切换线性模型时，通常需获取包含总轴向力和转动力矩的稳态点线性化表达式；然后基于稳态点线性化表达式确定漂浮式风电机组的切换线性模型。
具体地，假设总轴向力是通过可测量的外部压力传感器获得的，可以表示耦合在塔顶和浮式平台上的风浪影响，通过非线性动力学模型和相关实验，发现转动力矩与风速、桨距角、转子转速和塔顶二阶导数密切相关，可以在各稳态运行点线性化为:
Figure BDA0003927071170000101
其中，δ表示其后所跟变量当前数值与稳态数值的偏差；Tr表示转动力矩；ωr表示转子转速；β表示桨距角；v表示风速；ξ表示塔顶位移的二阶导数；KTω、KTβ、KTv、KTξ表示均表示动态增益；
具体地，上述各个动态增益可以计算为：
Figure BDA0003927071170000102
其中，
Figure BDA0003927071170000103
为转动力矩在稳态点/>
Figure BDA0003927071170000104
β*,v*,/>
Figure BDA0003927071170000105
处关于转子转速，桨距角，风速，塔顶位移的二阶导数的偏导。
进一步，基于上述稳态点线性化表达式，上述漂浮式风电机组的切换线性模型表示为：
Figure BDA0003927071170000106
x(t)，uc(t)，w(t)，y(t)分别表示状态向量、控制输入、扰动向量、系统输出随时间的参数，σ(t)表示切换信号，切换信号用于指示漂浮式风电机组所满足的子模型在多个子模型之间切换，且，切换信号受平均驻留时间约束；A、B、C、D和H分别表示切换信号对应的系数矩阵。
其中，x(t)表示的状态向量，与当前漂浮式风电机组的模态参数中的状态数据源有关，其向量形式表示为
Figure BDA0003927071170000107
uc(t)与桨距角β有关，可以表示为uc＝δβ；w(t)和y(t)分别表示为w＝[δv,δFt]T,y＝δωr；
σ(t)用于指示子模型，假设有M个子模型，每个子模型用i表示，则有：σ(t)→{1,2,…M}。于是，上述系数矩阵也有该映射关系：Aσ(t)→Ai；即，σ(t)用于指示具体i的值，以便于确定子模型。
其中，在确定漂浮式风电机组当前所满足的子模型时，需要根据预先设置的模态参数与切换信号的对应关系，根据模态参数确定切换信号；然后根据切换信号指示子模型。
具体地，上述系数矩阵可以有如下表示：
Figure BDA0003927071170000111
Figure BDA0003927071170000112
Ci＝[1 0 0 0 0]
Figure BDA0003927071170000113
Di＝[0]Hi＝[0 0]
进一步，为了使上述子模型的切换不影响系统的稳定性，切换的更加合理，本发明实施例中，使用平均驻留时间技术来约束切换信号，因此，对于切换信号，平均驻留时间一般满足下述公式：
Figure BDA0003927071170000114
其中，t2>t1>0，以及偏置标量N0≥0，其中Nσ(t1,t2)是在这个时间区间里通过切换信号进行切换的次数。
对于任意的子系统i，存在两个大于0的标量λi和μi，且满足下述公式：
Figure BDA0003927071170000115
其中，x0为系统状态初始值，t0为初始时间；
为了保证系统的输入-状态稳定，平均驻留时间需要满足
Figure BDA0003927071170000121
其中，/>
Figure BDA0003927071170000122
且/>
Figure BDA0003927071170000123
进一步，基于上述切换信号确定出子模型之后，可以进一步基于子模型和模态参数建立漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器。
其中，本发明实施例中，在基于模态参数进行计算之前，需先获取符合预置条件的历史模态参数；其中，预置条件包括：在恒定风速和规则波浪下，应用增益调度比例积分控制策略对预设漂浮式风电机组进行控制，历史模态参数为预置条件下得到的模态参数的稳态值；然后根据历史模态参数计算子模型的模型参数；再进一步根据模型参数建立漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器。
具体地，在获取符合预置条件的历史模态参数时，可以使预设漂浮式风电机保持在恒定风速、规则波浪下，针对预设漂浮式风电机应用增益调度比例积分控制策略进行控制，得到预设漂浮式风电机稳态时的各个状态的稳态值。
进一步，将预设漂浮式风电机的各个状态设置为稳态值，然后控制预设漂浮式风电机处于开关状态做阶跃响应试验，并记录预设漂浮式风电机的主要状态的增量数据，从而获取子模型所需的模型参数，该模型参数可以作为上述稳态点线性化表达式中的动态增益；
Figure BDA0003927071170000124
然后在计算切换滑模面和全阶状态观测器。
通常，对于漂浮式风电机组的切换滑模面定义为：
Figure BDA0003927071170000125
其中，Gi为可选择的增益矩阵，以使GiCiBi可逆，li为估计补偿值，可以通过全阶状态观测器中获得。
进一步，全阶状态观测器则表示为：
Figure BDA0003927071170000131
其中，
Figure BDA0003927071170000138
为状态向量的增广向量，并且满足/>
Figure BDA0003927071170000132
Figure BDA0003927071170000133
和/>
Figure BDA0003927071170000134
为状态向量和系统输出的观测量；Mi和Li分别是状态辅助矩阵和控制输入辅助矩阵，并且满足下述关系：
MiBi＝0，
Rank(Mi)＝n-m，
Figure BDA0003927071170000135
Mi＝In+UiCi
其中，Ui为增益补偿辅助矩阵，n为系统状态个数，m为系统控制输入个数，In为n维单位矩阵；因此，全阶状态观测器的增益补偿可以定义为：
Figure BDA0003927071170000139
其中，相关参数可以通过求解下列线性矩阵不等式得到：
Figure BDA0003927071170000136
并且，全阶状态观测器中的参数矩阵可以计算为：
Figure BDA0003927071170000137
其中，Pi，x和Pi，e矩阵表示增益辅助矩阵，具体地，Pi，x表示状态的增益辅助矩阵，Pi，e表示观测误差的增益辅助矩阵。
进一步，基于上述切换滑模面和全阶状态观测器计算得出的漂浮式风电机组的控制器的反馈输出包括：全阶状态观测器的补偿值反馈输出、漂浮式风电机组的状态反馈输出、扰动反馈输出；因此，在根据切换滑模面和全阶状态观测器计算漂浮式风电机组的控制器的反馈输出时，主要分别计算补偿值反馈输出、状态反馈输出和扰动反馈输出；然后将补偿值反馈输出、状态反馈输出和扰动反馈输出叠加，生成漂浮式风电机组的控制器的反馈输出。
具体地，漂浮式风电机组的控制器的反馈输出可以表示为下述形式：
ueq＝ulf+uxf+udf
其中ulf表示全阶状态观测器的补偿值反馈输出；uxf表示漂浮式风电机组的状态反馈输出；udf表示扰动反馈输出；
进一步，上述各个反馈输出还可以进一步表示为：
Figure BDA0003927071170000145
uxf＝-GiCiAix(t)
udf＝-GiCiBd，iw(t)
进一步，除了上述扰动相关的反馈输出，其他的控制器相关输出部分均可以通过计算得到，而系统扰动由于难以准确获取，因此，本发明实施例中，还可以设计一个自适应率来解决这个问题。
具体地，可以定义系统扰动存在一个上界，可以表示为：
Figure BDA0003927071170000141
其中，w(t)为上述扰动向量，κ是一个正标量，
Figure BDA0003927071170000142
表示一个正定的函数，且与扰动有关。
为了让漂浮式风电机组的轨迹运行到定义的切换滑模面上，上述扰动反馈输出可以改写为：
Figure BDA0003927071170000143
其中，εi是一个可调较小阈值；Δi是一个正的可调常数；κ可以被估计为
Figure BDA0003927071170000146
并且有着如下的自适应率
Figure BDA0003927071170000144
其中，ρi是一个定义的正增益，Ωi表示一个小的正标量。
将上述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出在计算机中计算得到，并输入到漂浮式风电机组的执行器，并作用到漂浮式风电机组上，从而实现漂浮式风电机组的容错控制。
进一步，将本发明实施例的容错控制技术与现有技术增益调度比例积分控制器(GSPI)基于FAST进行对比仿真验证，仿真对象为NREL 5MW海上漂浮式风电机组，浮式平台为OC3-Hywind spar型平台，仿真的采样间隔为0.01秒。仿真使用的风为升降幅度在13m/s到18m/s的阶跃风，使用的波浪为正弦波浪，故障设置选择为桨距角执行器在50s的时候发生了一个突然的尖峰，仿真结果如图2所示。
图2中的(a)是风速的时域图和故障发生时的示意图，图2中的(b)和(c)表明，在风速阶跃变化和执行器故障的情况下，与GSPI相比，本发明实施例的容错控制技术对发电机功率和转子速度的调节良好，波动较小。
当故障发生在执行器时，本发明实施例的容错控制技术可以提升后续漂浮式风电机组的功率捕获性能，相较于GSPI方差降低65.7％，功率波动较小。
如图2中的(d)所示，GSPI的桨距控制器性能下降，并且在执行器故障后很难快速恢复，然而，本发明实施例的容错控制技术可以立即补偿故障造成的执行偏差，也可以通过自适应增益补偿风浪等环境的变化。此外，从图2中的(e)和(f)可以看出，本发明实施例的容错控制技术还可以使漂浮式风电机组获得相对于GSPI较好的平台俯仰和前后位移。
因此，本发明实施例所提出的容错控制方法可以有效处理未知的漂浮式风电机组故障或外部干扰，而不需要进行故障的检测或者故障的隔离，可以降低故障对漂浮式风电机组造成的影响，提升故障下漂浮式风电机组的性能。
进一步，本发明实施例还提供了一种漂浮式风电机组的容错控制装置，如图3所示的一种漂浮式风电机组的容错控制装置的结构示意图，该装置包括：
获取模块30，用于获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；
建立模块32，用于基于所述低阶非线性模型建立所述漂浮式风电机组的切换线性模型；其中，所述切换线性模型包括多个子模型；
确定模块34，用于获取当前所述漂浮式风电机组的模态参数，基于所述模态参数确定所述漂浮式风电机组当前所满足的所述子模型；
计算模块36，用于基于所述子模型和所述模态参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器；
控制模块38，用于根据所述切换滑模面和所述全阶状态观测器计算所述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过所述控制器的反馈输出对所述漂浮式风电机组进行容错控制。
本发明实施例提供的漂浮式风电机组的容错控制装置，与上述实施例提供的漂浮式风电机组的容错控制方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
进一步，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
进一步，本发明实施例还提供了一种电子设备的结构示意图，如图4所示，为该电子设备的结构示意图，其中，该电子设备包括处理器41和存储器40，该存储器40存储有能够被该处理器41执行的计算机可执行指令，该处理器41执行该计算机可执行指令以实现上述方法。
在图4示出的实施方式中，该电子设备还包括总线42和通信接口43，其中，处理器41、通信接口43和存储器40通过总线42连接。
其中，存储器40可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口43(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线42可以是ISA(IndustryStandard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(Peripheral ComponentInterconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture，扩展工业标准结构)总线等。所述总线42可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器41可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器41中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器41可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器41读取存储器中的信息，结合其硬件完成前述方法。
本发明实施例所提供的漂浮式风电机组的容错控制方法及装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种漂浮式风电机组的容错控制方法，其特征在于，包括：
获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；
基于所述低阶非线性模型建立所述漂浮式风电机组的切换线性模型；其中，所述切换线性模型包括多个子模型；
所述切换线性模型表示为：
Figure FDA0004231118540000011
其中，x(t)，uc(t)，w(t)，y(t)分别表示状态向量、控制输入、扰动向量、系统输出随时间的参数，σ(t)表示切换信号，所述切换信号用于指示所述漂浮式风电机组所满足的所述子模型在多个所述子模型之间切换，且，所述切换信号受平均驻留时间约束，A、B、C、D和H分别表示切换信号对应的系数矩阵，映射关系：Aσ(t)→Ai，Bσ(t)→Bi，即，σ(t)用于指示具体i的值，Bd,i(t)→Bd,i，
Figure FDA0004231118540000012
其中，KTv表示动态增益，动态增益可以计算为：
Figure FDA0004231118540000013
其中，
Figure FDA0004231118540000014
为转动力矩在稳态点v*处关于风速的二阶导数的偏导，Jr是发电机的转动惯量，ωt为塔架的自然角频率；
获取当前所述漂浮式风电机组的模态参数，基于所述模态参数确定所述漂浮式风电机组当前所满足的所述子模型；
基于所述子模型和所述模态参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器，所述切换滑模面定义为：
Figure FDA0004231118540000015
其中，Gi为可选择的增益矩阵，y(t)表示系统输出随时间的参数，以使GiCiBi可逆，li为估计补偿值，通过全阶状态观测器获得；
所述全阶状态观测器表示为：
Figure FDA0004231118540000021
其中，θ(t)为状态向量的增广向量，并且满足
Figure FDA0004231118540000022
Figure FDA0004231118540000023
和/>
Figure FDA0004231118540000024
为状态向量和系统输出的观测量；Mi和Li分别是状态辅助矩阵和控制输入辅助矩阵，并且满足下述关系：
MiBi＝0,
Rank(Mi)＝n-m,
Figure FDA0004231118540000025
Mi＝In+UiCi
其中，Ui为增益补偿辅助矩阵，n为系统状态个数，m为系统控制输入个数，In为n维单位矩阵；
根据所述切换滑模面和所述全阶状态观测器计算所述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过所述控制器的反馈输出对所述漂浮式风电机组进行容错控制，所述反馈输出表示为：
ueq＝ulf+uxf+udf
其中ulf表示全阶状态观测器的补偿值反馈输出；uxf表示漂浮式风电机组的状态反馈输出；udf表示扰动反馈输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低阶非线性模型包括所述漂浮式风电机组的传动系统模型、塔顶位移模型和桨距角模型；
所述方法还包括：
获取作用在所述漂浮式风电机组的转子的总轴向力和转动力矩；
基于所述总轴向力和所述转动力矩建立所述传动系统模型和所述塔顶位移模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述低阶非线性模型建立所述漂浮式风电机组的切换线性模型的步骤，包括：
获取包含所述总轴向力和所述转动力矩的稳态点线性化表达式；
基于稳态点线性化表达式确定所述漂浮式风电机组的切换线性模型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述稳态点线性化表达式为：
Figure FDA0004231118540000031
其中，δ表示其后所跟变量当前数值与稳态数值的偏差；Tr表示转动力矩；ωr表示转子转速；β表示桨距角；v表示风速；
Figure FDA0004231118540000032
表示塔顶位移的二阶导数；KTω、KTβ、KTv、KTξ均表示动态增益。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述模态参数确定所述漂浮式风电机组当前所满足的所述子模型的步骤，包括：
根据预先设置的模态参数与切换信号的对应关系，根据所述模态参数确定所述切换信号；
根据所述切换信号指示所述子模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述子模型和所述模态参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器的步骤，包括：
获取符合预置条件的历史模态参数；其中，所述预置条件包括：在恒定风速和规则波浪下，应用增益调度比例积分控制策略对预设漂浮式风电机组进行控制，所述历史模态参数为所述预置条件下得到的模态参数的稳态值；
根据所述历史模态参数计算所述子模型的模型参数；
根据所述模型参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器。
7.一种漂浮式风电机组的容错控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取预先建立的漂浮式风电机组的低阶非线性模型；
建立模块，用于基于所述低阶非线性模型建立所述漂浮式风电机组的切换线性模型；其中，所述切换线性模型包括多个子模型；所述切换线性模型表示为：
Figure FDA0004231118540000041
其中，x(t)，uc(t)，w(t)，y(t)分别表示状态向量、控制输入、扰动向量、系统输出随时间的参数，表示σ(t)表示切换信号，所述切换信号用于指示所述漂浮式风电机组所满足的所述子模型在多个所述子模型之间切换，且，所述切换信号受平均驻留时间约束，A、B、C、D和H分别表示切换信号对应的系数矩阵，映射关系：Aσ(t)→Ai，Bσ(t)→Bi，即，σ(t)用于指示具体i的值，Bd,i(t)→Bd,i，
Figure FDA0004231118540000042
其中，Tv表示动态增益，动态增益可以计算为：
Figure FDA0004231118540000043
其中，
Figure FDA0004231118540000044
为转动力矩在稳态点v*处关于风速的二阶导数的偏导，Jr是发电机的转动惯量，ωt为塔架的自然角频率；
确定模块，用于获取当前所述漂浮式风电机组的模态参数，基于所述模态参数确定所述漂浮式风电机组当前所满足的所述子模型；
计算模块，用于基于所述子模型和所述模态参数建立所述漂浮式风电机组的切换滑模面和全阶状态观测器，所述切换滑模面定义为：
Figure FDA0004231118540000045
其中，Gi为可选择的增益矩阵，y(t)表示系统输出随时间的参数，以使GiCiBi可逆，li为估计补偿值，通过全阶状态观测器获得；
所述全阶状态观测器表示为：
Figure FDA0004231118540000051
其中，θ(t)为状态向量的增广向量，并且满足
Figure FDA0004231118540000052
Figure FDA0004231118540000053
和/>
Figure FDA0004231118540000054
为状态向量和系统输出的观测量；Mi和Li分别是状态辅助矩阵和控制输入辅助矩阵，并且满足下述关系：
MiBi＝0,
Rank(Mi)＝n-m,
Figure FDA0004231118540000055
Mi＝In+UiCi
其中，Ui为增益补偿辅助矩阵，n为系统状态个数，m为系统控制输入个数，In为n维单位矩阵；
控制模块，用于根据所述切换滑模面和所述全阶状态观测器计算所述漂浮式风电机组的控制器的反馈输出，以便于通过所述控制器的反馈输出对所述漂浮式风电机组进行容错控制，所述反馈输出表示为：
ueq＝ulf+uxf+udf
其中ulf表示全阶状态观测器的补偿值反馈输出；uxf表示漂浮式风电机组的状态反馈输出；udf表示扰动反馈输出。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1-6任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述权利要求1-6任一项所述的方法的步骤。
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