基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置的参数优化方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及其参数优化方法，在传统的无源结构控制装置基础上，引入弹簧‑阻尼器‑惯容机械网络，构成了基于惯容的无源结构控制装置，通过分析漂浮式海上风力发电机载荷形式，建立简化的漂浮式海上风力发电机线性模型和载荷模型。基于所建立的简化线性模型，通过系统辨识、系统H2范数优化等技术手段，给出基于惯容的无源控制装置的参数优化方法。本发明专利技术的控制装置及参数优化方法，可以有效地降低风力机所受到的风浪载荷，提升风力发电机的整体性能。

Passive structural control device and parameter optimization method for floating offshore wind turbine based on inertial navigation

The invention discloses a passive structure control device for floating offshore wind turbine and its parameter optimization method. On the basis of the traditional passive structure control device, the spring induction damper is introduced to the mechanical network, and the passive structure control device based on the inertia is formed, and the floating sea wind is analyzed by the floating offshore wind. The simplified model of floating offshore wind turbine generator and load model are established. Based on the simplified linear model, the parameter optimization method of passive control device based on inertia is given through system identification and system H2 norm optimization. The control device and the parameter optimization method of the invention can effectively reduce the wind and wave loads on the wind turbine and improve the overall performance of the wind turbine.

【技术实现步骤摘要】
基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及参数优化方法
本专利技术涉及风力发电设备及其控制技术，尤其涉及一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及参数优化方法。
技术介绍
与固定式海上风力发电机相比，漂浮式海上风力发电机适用于较深的海域，从而可以较大程度的利用深海稳定和丰富的风能。然而，深海海域的风浪载荷强度远超过陆地或近海海域，而且风浪载荷具有随机性的特点，这会导致风力发电机塔架产生较大的倾斜运动，大大增加风力发电机载荷，造成机械结构的损伤，影响风力发电机的使用寿命，增加风力发电机的运行维护成本。因此，漂浮式海上风力发电机的减载问题具有重要的实际意义。风力发电机减载控制技术主要有两种：独立变桨距控制和结构控制。独立变桨距控制，根据载荷情况在线调节桨距角，从而减小塔架和基座的随风俯仰角度，降低风力发电机载荷；这种方式虽然可以取得很好的减载效果，但是叶片变桨距控制的过多使用会降低发电效率，并且对于较大的风浪载荷无法满足要求。结构控制，是海上风机减载控制的另一主要技术手段，其采用附加动力吸振装置的方式，通过附加装置与风力发电机相互作用，直接控制风力发电机的振动，达到减载的目的。惯容，是近期提出的一类双端点机械元件，具有作用在两个端点的力与两个端点相对加速度成正比的特点。惯容，作为一类无源机械元件，其与弹簧和阻尼器可构成更加丰富的无源机械结构。与传统的弹簧-阻尼器结构相比，基于弹簧-阻尼器-惯容的机械结构从理论上可更大程度地发挥无源控制的性能。目前，惯容已在一级方程式赛车、房屋减振等领域得到应用。目前，风力发电机无源结构控制均为弹簧-阻尼器-质量的形式，这种结构虽然具有较高的可靠性和较低的运行成本，但其性能也受到了很大的限制。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置及参数优化方法。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，包括弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络，连接附加质量，所述装置安装在机舱中；其中，弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络并联连接。进一步地，所述基于惯容的机械网络为弹簧-阻尼器-惯容网络，为任意数量的弹簧、阻尼器和惯容构成的机械结构。进一步地，所述弹簧-阻尼器-惯容网络包括一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容。进一步地，所述弹簧-阻尼器-惯容网络为一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容串联的结构；或为一个弹簧和一个阻尼器并联然后串联一个惯容的结构；或为一个惯容和一个阻尼器并联然后串联一个弹簧的结构。一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置的参数优化方法，包括步骤：(1)建立已配置基于惯容的无源结构控制装置的漂浮式海上风力发电机简化模型运动方程及状态空间模型；(2)辨识模型参数；(3)优化无源控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量。进一步地，所述步骤(1)中，状态空间模型为：y＝Cyx其中：w＝[WindVxi,WaveElev]Tu＝FYy＝[TTDspFA,TmdXDxn,PtfmPitch,TmdXDxn,TmdXVxn]T其中，TTDspFA表示塔架顶部前后位移，PtfmPitch表示漂浮平台俯仰角度，TmdXDxn和TmdXVxn分别表示无源控制装置相对位移和相对速度，TowerHt表示塔架高度，θp表示漂浮平台顺风方向俯仰角度，θt表示塔架顺风方向俯仰角度，xa表示无源控制装置的位移；Ip表示漂浮平台的转动惯量，It表示塔架的转动惯量，ma表示无源控制装置附加的质量，mp表示漂浮平台的质量，mt表示Rt塔架-机舱-叶片集成部分的质量；kp表示漂浮平台转动的刚度，cp表示漂浮平台转动的阻尼系数，kt表示塔架转动刚度，ct表示塔架转动的阻尼系数，ka表示无源控制装置并联的弹簧刚度，ca表示无源控制装置并联的阻尼系数；Rp表示漂浮平台质心到铰链距离，Rt表示塔架-机舱-叶片集成部分质心到铰链距离，Ra表示无源控制装置质量到铰链距离；Mwave表示由海浪引起的作用在漂浮平台上的载荷，Mwind表示由风引起的作用在塔架-机舱-叶片集成部分的载荷，FY表示弹簧-阻尼器-惯容网络传递的力；αwind，βwind和αwave，βwave分别表示风载荷和浪载荷的作用系数；WindVxi表示叶轮中心风速，WaveElev表示海浪瞬时高度。进一步地，所述步骤(2)具体包括：(2.1)辨识风力发电机系统结构参数kt，kp，ct，cp，It，Ip；(2.2)辨识风浪载荷参数αwind，βwind和αwave，βwave辨识无源结构控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量。进一步地，所述步骤(3)具体包括：(3.1)建立一个以系统特定传递函数H2范数为目标函数的优化问题；(3.2)求解参数优化问题，得到无源控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量的最优值。有益效果：本专利技术的基于惯容的漂浮式海上风力发电机减载控制装置及元件参数优化方法不仅可以保留传统无源结构控制的高可靠性和低成本优势，并且可以有效地降低风力机载荷和结构控制装置的工作行程。附图说明图1是漂浮式海上风力发电机简化线性模型示意图；图2是弹簧-阻尼器-惯容网络结构图；图3是装置运行空间与塔顶位移随ρ变化情况示意图；图4是不同弹簧-阻尼器-惯容网络频率响应对比图；图5是ρ为0时风力机主要载荷对比图；图6是ρ为0时风力机主要技术参数对比图；图7是ρ为0.3时风力机主要载荷对比图；图8是ρ为0.3时风力机主要技术参数对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。如图1所示，本专利技术所述的基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，包括一个弹簧ka、一个阻尼器ca和一个基于惯容的机械网络Y(s)，连接附加质量ma组成，装置安装在机舱中。其中，弹簧、阻尼器和机械网络为并联连接；该机械网络为弹簧-阻尼器-惯容机械网络，弹簧-阻尼器-惯容网络可以为任意数量的弹簧、阻尼器和惯容构成的机械结构。如图2所示，基于惯容的机械网络Y(s)可以为只含有一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容的机械网络。弹簧-阻尼器-惯容网络可以为一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容串联的结构，也可以为一个弹簧和一个阻尼器并联然后串联一个惯容的结构，也可以为一个惯容和一个阻尼器并联然后串联一个弹簧的结构。基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置的参数优化方法，包括以下步骤：(1)建立已配置基于惯容的无源结构控制装置的漂浮式海上风力发电机的简化模型的运动方程：其中，θp表示漂浮平台顺风方向俯仰角度，θt表示塔架顺风方向俯仰角度，xa表示无源控制装置的位移；Ip表示漂浮平台的转动惯量，It表示塔架的转动惯量，ma表示无源控制装置附加的质量，mp表示漂浮平台的质量，mt表示Rt塔架-机舱-叶片集成部分的质量；kp表示漂浮平台转动的刚度，cp表示漂浮平台转动的阻尼系数，kt表示塔架转动刚度，ct表示塔架转动的阻尼系数，ka表示无源控制装置并联的弹簧刚度，ca表示无源控制装置并联的阻尼系数；Rp表示漂浮平台质心到铰链距离，Rt表示塔架-机舱-叶片集成部分质心到铰链距离，Ra表示无源控制装置质量到铰链距离；Mwave表示由海浪引起的作用在漂浮平台上的载荷，Mwi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，其特征在于：包括弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络，连接附加质量，所述装置安装在机舱中；其中，弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络并联连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，其特征在于：包括弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络，连接附加质量，所述装置安装在机舱中；其中，弹簧、阻尼器和基于惯容的机械网络并联连接。2.根据权利要求1所述的基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，其特征在于：所述基于惯容的机械网络为弹簧-阻尼器-惯容网络，为任意数量的弹簧、阻尼器和惯容构成的机械结构。3.根据权利要求2所述的基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，其特征在于：所述弹簧-阻尼器-惯容网络包括一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容。4.根据权利要求3所述的基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置，其特征在于：所述弹簧-阻尼器-惯容网络为一个弹簧、一个阻尼器和一个惯容串联的结构；或为一个弹簧和一个阻尼器并联然后串联一个惯容的结构；或为一个惯容和一个阻尼器并联然后串联一个弹簧的结构。5.一种基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置的参数优化方法，其特征在于：包括步骤：(1)建立已配置基于惯容的无源结构控制装置的漂浮式海上风力发电机简化模型运动方程及状态空间模型；(2)辨识模型参数；(3)优化无源控制装置的弹簧刚度、阻尼系数和惯容量。6.根据权利要求5所述的基于惯容的漂浮式海上风力发电机无源结构控制装置的参数优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，状态空间模型为：y＝Cyx其中：w＝[WindVxi,WaveElev]Tu＝FYy＝[TTDspFA,TmdXDxn,PtfmPitch,TmdXDxn,TmdXVxn]T其中，TTDspFA表示塔架顶部前后位移，PtfmPitch表示漂浮平台俯仰角度，TmdXDxn和TmdXVxn分别表...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡银龙，李志华，孙永辉，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32