基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法，包括步驟：1)對磁流變阻尼器結構進行分析，獲得磁流變阻尼器的力?位移關系式；2)建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風電機組多自由度結構體系運動方程，并建立風機和磁流變阻尼器的運動方程；3)通過LQR控制器和Fuzzy控制器對磁流變阻尼器進行控制，以減小浮式風機的平臺俯仰角和機艙的縱向位移。本發(fā)明摒棄了在阻尼器結構控制中被動控制和主動控制的缺點，控制所需外加能量很少、裝置簡單、不易失穩(wěn)，能有效減小浮式風電機組的總體載荷，并在一定程度上保證浮臺的平穩(wěn)，進而能提高風力機的使用壽命和輸出電能質。
【專利說明】
基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及漂浮式海上風力發(fā)電技術領域，特別涉及一種漂浮式風力機組的減載 控制方法。
【背景技術】
[0002] 漂浮式海上風力發(fā)電機組本身雖然能夠較大程度利用深海的風能資源，但其外界 載荷條件比陸地上固定式風力發(fā)電機組更加復雜，其原因是除了受到通常的風載荷以外， 還受到浪的影響。同時相對固定式海上風力發(fā)電機來說，浮式平臺的運動對系統發(fā)電也有 很大的影響。由于風和浪具有隨機性的特點，環(huán)境載荷波動會造成風電機組的載荷波動變 化，使風電機組輸出功率不穩(wěn)定。特別是風和波浪引起的平臺和塔架的傾斜運行，由于大慣 性和重力作用，大大增加風機的結構載荷，從而影響風力機的使用壽命及輸出電能質量。
[0003] 現有技術中在載荷控制方面，更多的采用獨立變槳距控制和主動阻尼、半主動阻 尼和被動阻尼控制的振動能量耗散方法對風電機組載荷進行控制研究。但采用變槳減載控 制方法對受到較大波浪載荷作用的浮式風電系統而言，其載荷控制無法滿足要求，同時也 犧牲了部分功率作為代價。而采用阻尼器結構減載控制在較大波浪時具有更優(yōu)的性能。在 阻尼器結構控制中，被動結構控制雖然設計簡單，但其減載效果有限;主動結構控制雖然減 載效果好，但其設計又過于復雜，且耗能高。半主動阻尼控制繼承了兩者的優(yōu)勢，在實際應 用中更受到關注。其中磁流變阻尼器作為一種新型智能機械作動器在半主動阻尼控制中應 用中開始受到廣泛關注，但其在風電機組減載控制特別是漂浮式風電機組中應用較少。

【發(fā)明內容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式 風機減載方法，以實現將磁流變阻尼器應用于漂浮式風電機組的載荷控制，解決在阻尼器 結構控制中，主動結構控制和被動結構控制所存在的缺點，實現有效減小浮式風電機組的 總體載荷，并在一定程度上保證浮臺的平穩(wěn)，進而提高風力機的使用壽命和輸出電能質量。
[0005] 本發(fā)明基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法，包括以下步 驟：
[0006] 1)對磁流變阻尼器結構進行分析，獲得磁流變阻尼器的力-位移關系式：
[0008] 式中，F為磁流變阻尼力，Co為阻尼系數，^、為活塞相對缸體的位移，f。為庫侖力，f〇 為由補償器產生的摩擦力；
[0009] 2)建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風電機組多自由度結構體系運動方程，利用 Kane動力學方程，分別建立風機和磁流變阻尼器的運動方程：
[0012] 其中，0P表示浮臺偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角度;kP表示 Barge的彈性常數，kt表示塔架彈性常數，dP表示浮臺阻尼系數，dt表示塔架阻尼系數， XMR-TMD 表示阻尼器質心到鉸鏈所在垂直面的距離，FMR-TMD為磁流變阻尼力；IP表示浮臺轉動慣量，It 表示塔架轉動慣量;g表示重力加速度;mp表示浮臺質量，mt表示塔架質量，mMR-TMD表示磁流變 阻尼器的質量;％表示浮臺質心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質心到鉸鏈的距離，Rmr-tmd表示阻 尼器質心到鉸鏈的距離；
[0013] 3)通過LQR控制器和Fuzzy控制器對磁流變阻尼器進行控制，首先利用LQR控制器 計算最優(yōu)控制力向量U;然后根據磁流變阻尼器本身的控制力范圍及最優(yōu)控制力向量U，得 到期望控制力U d;最后利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能夠跟 蹤期望控制力，以減小浮式風機的平臺俯仰角和機艙的縱向位移。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 本發(fā)明基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法，其摒棄了在阻 尼器結構控制中被動控制和主動控制的缺點，控制所需外加能量很少、裝置簡單、不易失 穩(wěn)，能有效減小浮式風電機組的總體載荷，并在一定程度上保證浮臺的平穩(wěn)，進而能提高風 力機的使用壽命和輸出電能質。
【附圖說明】
[0016] 圖1為配置磁流變阻尼器的barge結構的漂浮式風力機結構圖，圖中：1-磁流變阻 尼器，2-浮臺，3-塔架，4-海平面；
[0017]圖2為賓漢(Bingham)結構圖，圖中F為磁流變阻尼力、C為阻尼系數、f為庫侖力； [0018]圖3為配置磁流變阻尼器的控制結構圖，圖中模糊控制器即Fuzzy控制器；
[0019] 圖4為風載荷及波浪載荷；
[0020] 圖5為機艙縱向位移控制效果圖，圖中的MR-TMD即磁流變阻尼器；
[0021] 圖6為浮式平臺俯仰角控制效果圖，圖中的MR-TMD即磁流變阻尼器。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。
[0023] 如圖所示，本實施例基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法， 包括以下步驟：
[0024] 1)對磁流變阻尼器結構進行分析，獲得磁流變阻尼器的力-位移關系式：
[0026] 式中，F為磁流變阻尼力，Co為阻尼系數，^為活塞相對缸體的位移，f。為庫侖力，fo 為由補償器產生的摩擦力；
[0027] 2)建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風電機組多自由度結構體系運動方程，利用 Kane動力學方程，分別建立風機和磁流變阻尼器的運動方程：
[0030] 其中，0P表示浮臺偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角度；kP表示 Barge的彈性常數，kt表示塔架彈性常數，dP表示浮臺阻尼系數，dt表示塔架阻尼系數; XMR-TMD 表示阻尼器質心到鉸鏈所在垂直面的距離;FMR-TMD為磁流變阻尼力；IP表示浮臺轉動慣量，It 表示塔架轉動慣量;g表示重力加速度;mp表示浮臺質量，mt表示塔架質量，himr-tmd表示磁流變 阻尼器的質量;％表示浮臺質心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質心到鉸鏈的距離，Rmr-tmd表示阻 尼器質心到鉸鏈的距離；
[0031] 3)通過LQR控制器和Fuzzy控制器實現對磁流變阻尼器進行控制，具體控制過程 為:首先利用LQR控制器計算最優(yōu)控制力向量U;然后根據磁流變阻尼器本身的控制力范圍 及最優(yōu)控制力向量U，得到期望控制力Ud;最后利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流 使磁流變阻尼器能夠跟蹤期望控制力，以減小浮式風機的平臺俯仰角和機艙的縱向位移。
[0032] 在步驟1)中，對磁流變阻尼器結構進行分析，具體過程為：
[0033] 建立磁流變阻尼器的力學模型，采用賓漢流體模型(Bingham模型），其結構圖如圖 ? ? 2所;其應力與應變的關系為：r二$ 1：/+ r v 式中，為7剪應力;^為流體的動力粘 滯系數^為剪切應變速率;Ty為磁流變液的屈服剪應力;sgn 〇表示符號函數；
[0034]磁流變阻尼器力-位移關系式為：f' = 式中，磁流變 阻尼力，Co為阻尼系數，^為活塞相對缸體的位移，f。為庫侖力，為由補償器產生的摩擦 力，可以忽略不計；其中：
式中，L為活塞長度;AP為活塞的有 效面積;D為缸體內徑;h為縫隙間距。
[0035] 通過研究可知控制電流I和磁流變液的屈服剪應力Ty之間的關系為：Ty = Aie4+ A2ln(I+e)+A3I，式中，Ai、A2和A3是磁流變體性能相關系數;e為自然數。
[0036] 由前述分析和公式可知，磁流變阻尼器的控制力可以通過改變輸入電流的方式來 改變大小，電流的改變引起磁流變阻尼器的相對運動，進而產生阻尼力。
[0037] 在步驟2)中，建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風電機組多自由度結構體系運動 方程，
[0038] 對于包含P個廣義坐標系的風力發(fā)電整機系統，方程G 2,…，P ) 給出了利用Kane動力學方程表達系統的運動方程，其中Fi表示每個自由度的廣義驅動力， 表示每個自由度的廣義慣性力。
[0039] 廣義驅動力Fi和廣義慣性力由如下方程表示：
[0042] 其中，W表示剛體數量，Nr表示參考坐標系，mr表示質量，X r為質量中心位置，F1'?'表 示Xr處的驅動力，表示Xr處的力矩，表示質量中心處加速度，表示剛體在 質量中心點角動量的一階導數，表示質量中心點的速度，為角速度。
[0043] 由于側向搖擺的疲勞載荷相對前后搖擺的疲勞載荷較小，因此，本發(fā)明只考慮浮 式基礎的前后搖擺模式以及系統載荷。配置了 MR-TMD后，風機在原有模型中耦合了新的自 由度，圖1給出了耦合縱向自由度的風機模型。耦合模型多了與MR-TMD相關的驅動力和慣性 力。
[0044] 浮臺的運動方程為：
[0045] 塔架的運動方程為： 4 民貧-'s h …、七…氣s.卜''戶泌
[0046] 磁流變阻尼器的運動方程為： mMR、~爾入跡'纖廠'[織~.觀> +欲織-纖遂A
[0047]上述三個方程中，0P表示浮臺偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角 度;kP表示Barge的彈性常數，kt表示塔架彈性常數，dP表示浮臺阻尼系數，d t表示塔架阻尼 系數，XMR-TMD表示阻尼器質心到鉸鏈所在垂直面的距離，FMR- TMD為磁流變阻尼力^表示浮臺 轉動慣量，It表示塔架轉動慣量；g表示重力加速度;mp表示浮臺質量，m t表示塔架質量， mMR-TMD表示磁流變阻尼器的質量;心表示浮臺質心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質心到鉸鏈的 距離，Rmr-tmd表示阻尼器質心到鉸鏈的距離。進而可得到具有如下形式的系統矩陣狀態(tài)方 程：i二AM/+F矩陣輸出方程為:Y = CX+DU，其中，X為狀態(tài)向量;U為控制輸入向量； F是力向量;A為系統矩陣;B為輸入矩陣;C為輸出矩陣;D為傳遞矩陣。
[0048] 在步驟3中，通過LQR控制器和Fuzzy控制器實現對磁流變阻尼器的控制，控制系統 的反饋信號為機艙前后搖擺位移和浮臺俯仰角，要達到的控制效果是使機艙縱向位移和浮 臺俯仰角最小，加入磁流變阻尼器、LQR控制器和Fuzzy控制器的控制系統結構圖如圖3所 示;實現方式如下：
[0049] 第一，利用LQR控制器計算最優(yōu)控制力向量U，LQR的求解過程主要有3個步驟:首先建 立系統的狀態(tài)方程;其次提出控制目標并選取加權系數;最后應用控制理論求解得到所設目標 下的最優(yōu)控制律。LQR控制問題的目標性能函數定義為:/ =廠{1%￥ + 其中，Q為狀態(tài)變量加權矩陣;R為控制變量加權矩陣;N為狀態(tài)變量和控制變量交叉項的加 權矩陣。
[0050] 最優(yōu)控制問題的求解可轉化為下述Riccati方程的求解:AP+PAT-roR-^Tp+QzO， 可求得P，從而得到控制器增益矩陣為:GzIT 1 (NT+BTP)，并最終得到最優(yōu)控制力:U=-GX。
[0051] 第二，根據磁流變阻尼器本身的控制力范圍及最優(yōu)控制力向量U，得到期望控制力 Ud，所述Ud通過力限制器算法：
[0053] 計算得到，其中，fdymi4Pfdymax分別是磁流變阻尼器的最小阻尼力和最大阻尼力。 [0054] 第三，利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能夠跟蹤期望 控制力，以減小浮式風機的平臺俯仰角和機艙的縱向位移；
[0055]控制系統的反饋信號為機艙前后搖擺位移和浮臺俯仰角，反饋信號輸入kalman濾 波器得到所需的估計狀態(tài)后再輸入LQR控制器，通過LQR控制器和力限制器算法獲得的期望 控制力Ud信號輸入模糊控制器，Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能 夠跟蹤期望控制力，以減小浮式風機的平臺俯仰角和機艙的縱向位移。期望控制力的輸入 范圍限定在[-12,12]之間，通過量化因子KF對輸入信號進行歸一化處理。定義7個語言變 量，為{呢，匪，吧及#，？1^8}，分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。輸入隸 屬函數度采用高斯函數，模糊控制器的輸出選取為控制電流，輸出的范圍限定在[0, 10]之 間，定義4個語言變量，為{2￡，3，，8}，分別表示零、小、中和大，輸出隸屬度函數采用三角函 數。下表為模糊規(guī)則圖庫：
[0057]~對于磁流變阻尼器，輸入電流越大，阻尼器輸出的阻尼力越大，根據該經驗，得到 如上表所示的模糊控制規(guī)則庫。模糊推理釆用mamdani推理方法，去模糊化釆用min-max重 心法。
[0058] 本實施例基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法，其摒棄了在 阻尼器結構控制中被動控制和主動控制的缺點，控制所需外加能量很少、裝置簡單、不易失 穩(wěn)，能有效減小浮式風電機組的總體載荷，并在一定程度上保證浮臺的平穩(wěn)，進而能提高風 力機的使用壽命和輸出電能質。
[0059] 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本 發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種基于磁流變阻尼器半主動結構控制的漂浮式風機減載方法，其特征在于:包括 以下步驟： 1) 對磁流變阻尼器結構進行分析，獲得磁流變阻尼器的力-位移關系式：式中，F為磁流變阻尼力，Co為阻尼系數，^為活塞 相對缸體的位移，f。為庫侖力，fo為由補償器產生的摩擦力； 2) 建立配置磁流變阻尼器的海上浮式風電機組多自由度結構體系運動方程，利用Kane 動力學方程，分別建立風機和磁流變阻尼器的運動方程：其中，θρ表示浮臺偏離垂直平面的角度，0t表示塔架偏離垂直平面的角度;kP表示Barge 的彈性常數，kt表示塔架彈性常數，dP表示浮臺阻尼系數，dt表示塔架阻尼系數; XMR-TMD表示 阻尼器質心到鉸鏈所在垂直面的距離;Fmr-tmd為磁流變阻尼力；I p表示浮臺轉動慣量，It表示 塔架轉動慣量;g表示重力加速度;Hlp表示浮臺質量，Hl t表示塔架質量，IHMR-TMD表示磁流變阻尼 器的質量;私表示浮臺質心到鉸鏈的距離，Rt表示塔架質心到鉸鏈的距離，Rmr-TMD表示磁流變 阻尼器質心到鉸鏈的距離； 3) 通過LQR控制器和Fuzzy控制器對磁流變阻尼器進行控制，首先利用LQR控制器計算 最優(yōu)控制力向量U;然后根據磁流變阻尼器本身的控制力范圍及最優(yōu)控制力向量U，得到期 望控制力U d;最后利用Fuzzy控制器控制磁流變阻尼器的電流使磁流變阻尼器能夠跟蹤期 望控制力，以減小浮式風機的平臺俯仰角和機艙的縱向位移。
【文檔編號】G06Q50/06GK105930938SQ201610307189
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】王磊, 張虎, 蔡明 , 沈濤, 陳柳
【申請人】重慶大學