本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，尤其涉及一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法。

背景技術(shù)：

1、與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場具有風(fēng)能資源豐富、不占用土地、噪音影響小等優(yōu)勢，可以提供更高的發(fā)電可靠性。其中，單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機組(mowts)因其建設(shè)周期短、制造成本低廉、安裝面積大等優(yōu)點而受到眾多風(fēng)電企業(yè)的青睞。此外，mowts是迄今為止海上風(fēng)場中使用最廣泛的基礎(chǔ)類型，為將上部結(jié)構(gòu)的疲勞載荷傳遞到海底提供了一種經(jīng)濟有效的解決方案。

2、由于風(fēng)浪環(huán)境的隨機特性，mowts通常承受較大的結(jié)構(gòu)荷載，對電能捕獲效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。海上的極端天氣條件也給mowts的運行和維護造成了一定的障礙。此外，眾所周知，前后方向的振動通常是高度阻尼的，而mowts可能由于橫向振動而產(chǎn)生較大的變形。

3、槳距控制是一種應(yīng)用廣泛且簡單的技術(shù)，一般來說，通過調(diào)整槳距角來改變?nèi)~片上的氣動載荷，從而實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，并穩(wěn)定塔架結(jié)構(gòu)。在過去的十年中，許多學(xué)者研究了各種槳距控制策略以獲得滿意的風(fēng)力發(fā)電機性能，其中包括非線性比例積分控制、模糊邏輯控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂频?。但是，上述研究對象主要為陸上風(fēng)力機或海上浮式風(fēng)力機，并且研究成果在降低風(fēng)機疲勞載荷方面存在一定的忽視。同時，現(xiàn)有的一些最優(yōu)控制策略仍然依賴于精確的系統(tǒng)模型，并且需要相當(dāng)大的計算成本。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本發(fā)明提供了一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，其解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的槳距控制策略忽視了降低風(fēng)機疲勞載荷以及現(xiàn)有槳距控制器計算成本較高、計算效率較低的問題。

2、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：

3、一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，包括以下步驟：s1，建立單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型，進而構(gòu)建單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的運動方程；s2，基于濾波調(diào)節(jié)誤差技術(shù)構(gòu)造單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的非線性仿射系統(tǒng)；s3，利用自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃技術(shù)設(shè)計最優(yōu)槳距控制方法。

4、進一步地，在步驟s1中，通過歐拉-拉格朗日方程得到單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的模型，記為：

5、

6、其中，t和v分別表示動能和勢能，q(t)＝[q1(t)q2(t)q3(t)]t表示廣義坐標(biāo)向量，q1是機艙在水平方向上的位移；q2是單樁在水平方向的平移；q3是單樁的旋轉(zhuǎn)位移，t為時間，d表示微分；

7、計算單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機在面內(nèi)方向上的動能和勢能，并代入單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的模型公式，從而構(gòu)建單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的運動方程為：

8、

9、其中，m、c、k分別表示單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，qwind＝[qwind,1qwind,2qwind,3]t表示三個自由度上受到的風(fēng)速載荷，qwave＝[qwave,1qwave,2qwave,3]t表示三個自由度上受到的波浪載荷。

10、進一步地，在步驟s2中，將單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的傳動軸系統(tǒng)簡化為單集總質(zhì)量模型，記為：

11、

12、其中，jt、kt、tg被表示為：

13、

14、其中，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，ng為齒輪箱傳動比，ta為氣動扭距，tg為發(fā)電機扭矩，tem為電磁扭距，jr為轉(zhuǎn)子慣量，jg為發(fā)電機慣量，kr為轉(zhuǎn)子阻尼，kg為發(fā)電機阻尼；

15、轉(zhuǎn)子角速度跟蹤誤差e(t)表示為：

16、e(t)＝ωr(t)-ωd

17、其中，ωr(t)為轉(zhuǎn)子角速度，ωd為給定的額定轉(zhuǎn)子角速度；采用濾波調(diào)節(jié)誤差ef處理風(fēng)力發(fā)電機的非仿射特性：

18、

19、其中，是正常數(shù)，當(dāng)ef漸近趨近于零時，e漸近收斂于零；ef(t)的動力學(xué)可以表示為：

20、

21、其中，v、ωr和β分別表示有效風(fēng)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角，和分別表示為：

22、

23、通過結(jié)合單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的運動方程和ef(t)的動力學(xué)方程，得到單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的非線性仿射系統(tǒng)：

24、

25、其中，系統(tǒng)狀態(tài)為控制輸入為

26、

27、進一步地，在步驟s3中，根據(jù)連續(xù)時間單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的非線性仿射系統(tǒng)，定義效用函數(shù)為：

28、u(x,u)＝xtqx+utru

29、其中，q和r是對稱正定矩陣；

30、利用最優(yōu)控制率u*，給出系統(tǒng)的無限視界最優(yōu)代價函數(shù)j*(x)：

31、

32、對上式關(guān)于時間t求導(dǎo)，得到以下hjb方程：

33、

34、其中，是梯度算子符號，通過求解hjb方程得到u/為：

35、

36、通過上式u/將hjb方程改寫為：

37、

38、接著利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來近似最優(yōu)代價函數(shù)，即：

39、j/(x)＝φt(x)θ/+ò(x)

40、其中，φ和θ*分別定義為激活函數(shù)和最優(yōu)權(quán)重矩陣，ò(x)表示相應(yīng)的nn逼近誤差，然后u*可以改寫為：

41、

42、其中，θ*是未知的，需要對其進行估計，其估計值表示為因此，u*近似為:

43、

44、本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提出了一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，主要是通過設(shè)計一種的槳距控制策略，以解決功率調(diào)節(jié)和載荷緩解的雙重優(yōu)化控制問題。為了便于控制器的設(shè)計，提出了一種新的非線性仿射mowt數(shù)學(xué)模型?；谧赃m應(yīng)動態(tài)規(guī)劃的槳距控制器的設(shè)計不需要完全了解mowt模型，從而降低了控制器的計算成本，提高了計算效率。

技術(shù)特征：

1.一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，其特征在于：在步驟s1中，通過歐拉-拉格朗日方程得到單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的模型，記為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，其特征在于：在步驟s2中，將單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的傳動軸系統(tǒng)簡化為單集總質(zhì)量模型，記為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，其特征在于：在步驟s3中，根據(jù)連續(xù)時間單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的非線性仿射系統(tǒng)，定義效用函數(shù)為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種海上固定式風(fēng)力發(fā)電機功率調(diào)節(jié)與載荷緩解方法，包括以下步驟：S1，建立單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型，進而構(gòu)建單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的運動方程；S2，基于濾波調(diào)節(jié)誤差技術(shù)構(gòu)造單樁式海上風(fēng)力發(fā)電機的非線性仿射系統(tǒng)；S3，利用自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃技術(shù)設(shè)計最優(yōu)槳距控制方法。本發(fā)明的方案能夠降低控制器的計算成本，提高了計算效率。

技術(shù)研發(fā)人員：楊秦敏,王少東,徐樂藝,楊俊
受保護的技術(shù)使用者：湖州工業(yè)控制技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15