基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法，包括：获取风力发电机系统中柔性塔塔体的原始参数；所述柔性塔的塔顶处分布设置有多个传感器，通过传感器获取塔体的实时振动的数据信息；根据得到的柔性塔塔体原始参数以及设置在柔性塔的塔顶处的传感器获取的数据信息，建立风力发电机系统的PDE模型，并构建用于观测控制器潜在故障的故障观测器；根据建立的PDE模型以及构建的故障观测器推导出控制算法，通过软件计算控制算法得到输出值并实时给定位于塔顶部的执行器作为输入信号，由执行器在塔顶施加控制作用从而抑制塔体振动。本方法可大大提高控制器容错能力，减轻外部载荷对柔性塔的影响，有效抑制塔体的振动。体的振动。体的振动。

【技术实现步骤摘要】
基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法


[0001]本专利技术涉及抑制柔性塔振动的控制领域，尤其涉及一种基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法。

技术介绍

[0002]随着国家对可再生能源发展的重视程度日益提高，风力发电机的控制问题受到越来越多的关注。风能作为化石燃料的替代品，具有资源丰富、可再生、分布广泛、清洁等特点，在运行期间不产生温室气体排放，并且使用很少的土地。风力发电机可以将风能转化为机械能，最后转化为电能。风力发电机的基本部件包括叶片、轮毂、低速和高速轴、齿轮箱、发电机、机舱和塔架。在现代风力发电工程中，风力发电机机通常安装在风力更强、更稳定的地区，如海上和高海拔地区。由于运输成本和价格的限制，柔性塔被广泛运用，使风能更具竞争力和经济效益。柔性塔的设计使得塔体变得更轻、更灵活，因此，塔体更容易受到环境中的外部载荷的影响，如周期性湍流的会引起塔的机械振动，大的振动造成塔体的应力波动，从而导致塔体金属疲劳，严重可能使塔体倒塌。
[0003]对于柔性塔的控制，现有的控制器的设计大多基于PDEs经过空间离散化后得到的一组有限维的ODEs。由于分布式参数系统无限维的特性，基于有限维模型的控制器可能会导致系统溢出不稳定性，这在控制器的设计中应当避免。
[0004]同时，由于风场环境的复杂性，控制器容易发生某些未知的故障，当发生故障时，控制器仍然要对塔体的振动起抑制作用,保障发电机组的安全运行,而现有的基于模型的柔性塔控制器设计大多不考虑容错控制问题，使得实际控制系统的应用具有很大局限性。
[0005]因此，业内急需一种抑制风力发电机塔体振动的控制方法的新型技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是弥补现有的技术缺陷，为避免基于离散化模型设计的控制器可能存在的溢出不稳定问题，实现对塔体的振动起很好地抑制作用，本专利技术提供一种基于偏微分方程(Partial Differential Equation,PDE)模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法，同时考虑了复杂环境下可能导致的控制器故障问题，提高控制器容错能力，为分布式载荷下的柔性塔提供边界控制的完整解决方案，从而减轻外部载荷对柔性塔的影响，抑制塔体的振动。
[0007]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：获取风力发电机系统中柔性塔塔体的原始参数；
[0010]步骤2：所述柔性塔的塔顶处分布设置有多个传感器，通过所述传感器获取塔体的实时振动的数据信息；
[0011]步骤3：根据步骤1中得到的柔性塔塔体原始参数以及步骤2中设置在柔性塔塔顶处的传感器获取的数据信息，基于结构力学的动势能转换及虚功定理，建立风力发电机系
统的偏微分方程模型；
[0012]步骤4：根据步骤1中得到的柔性塔塔体原始参数以及步骤2中设置在柔性塔的塔顶处的传感器获取的数据信息，基于Lyapunov稳定性分析理论，构建用于观测控制器潜在故障的故障观测器；
[0013]步骤5：根据步骤3中建立的偏微分方程模型以及步骤4中构建的故障观测器，推导出控制算法，将所述控制算法嵌入到风力发电机控制器中；
[0014]传感器实时监测塔体振动情况并将信息传递给控制器，通过控制器中的软件实时计算控制算法得到控制器输出值，并将控制器输出值实时给定位于塔顶部的执行器作为输入信号，执行器通过接受控制器给定的输入信号在塔顶施加控制作用从而抑制塔体振动。
[0015]进一步的，步骤1中所述的原始参数包括：柔性塔的高度、柔性塔塔顶处的集中质量、柔性塔的质量密度、柔性塔塔体的弹性模量、柔性塔塔体的不均匀力矩、柔性塔塔体不均匀的横截面积，以及柔性塔塔体的振动衰减系数。
[0016]进一步的，步骤2中，所述传感器包括设置在柔性塔塔顶边界的激光位移传感器、倾角计和剪切力传感器；所述激光位移传感器用于采集塔顶偏转量的数据信息，所述倾角计用于采集塔顶偏转量对空间变化量的一次偏导的数据信息，所述剪切力传感器用于采集塔顶偏转量对空间变化量的三次偏导的数据信息。
[0017]进一步的，根据步骤1中得到的柔性塔塔体原始参数以及步骤2中设置在柔性塔的塔顶处的传感器获取的数据信息，基于结构力学的动势能转换及虚功定理，建立风力发电机系统的偏微分方程模型，具体包括：
[0018]当柔性塔塔体受到分布式负载ψ(τ,ξ)时，分析塔体在分布式负载作用下所产生固有振动；塔体底端一端固定，定义由于振动产生的虚位移ω(τ,ξ),分别得到塔体的动势能及外力做功；
[0019]根据虚功原理，外力在虚位移上做的功等于内力在虚位移上做的功，得到：
[0020]E
k
(ξ)+E
p
(ξ)＝δW(ξ)
[0021]其中，Ek(ξ)为塔体的动能，Ep(ξ)为塔体的势能，δW(ξ)为对塔体所做虚功之和，包括由塔体阻尼做的虚功、塔体分布式负载做的虚功、控制作用抑制塔体振动做的虚功和控制器由于潜在故障产生的虚功；
[0022]应用Hamilton原则，考虑塔体整体得到塔体动态特性的四阶非齐次偏微分方程，即得风力发电机系统的PDE模型，具体如下：
[0023][0024]其中，式中为偏导符号；τ为塔体各处空间位置，m；ξ为时间，s；I为塔体的高度，m；Q为塔顶处的集中质量，kg；ρ为塔体的质量密度，kg/m3；κ为塔体的弹性模量，N/m2；γ(τ)为塔体截面的惯性矩，m4；Θ
ξ
(τ)为塔体的横截面积，m2；为塔体的横向振动，m；为塔顶偏转距离，m；μ为塔体振动衰减系数，NS/m2；Δ(ξ)为控制器故障；ψ(τ,ξ)为塔体承受的未知分布式负载；u(ξ)为塔顶给定的控制力，N。
[0025]进一步的，由于分布在塔顶的控制力及控制器潜在故障在塔顶产生的虚功与塔顶动势能之和等于0，得到边界条件为：
[0026][0027]其中，式中为偏导符号；τ为塔体各处空间位置，m；ξ为时间，s；I为塔体的高度，m；Q为塔顶处的集中质量，kg；ρ为塔体的质量密度，kg/m3；κ为塔体的弹性模量，N/m2；γ(τ)为塔体截面的惯性矩，m4；Θ
ξ
(τ)为塔体的横截面积，m2；为塔体的横向振动，m；为塔顶偏转距离，m；μ为塔体的振动衰减系数，NS/m2；Δ(ξ)为控制器故障；ψ(τ,ξ)为塔体承受的未知分布式负载；u(ξ)为塔顶给定的控制力，N。
[0028]进一步的，根据步骤1中得到的柔性塔塔体原始参数以及步骤2中设置在柔性塔的塔顶处的传感器获取的数据信息，基于Lyapunov稳定性分析理论，构建用于观测控制器潜在故障的故障观测器，
[0029]其中，所述障观测器对控制器潜在故障进行观测与补偿，表示如下：
[0030][0031]φ(ξ)由如下微分方程获得：
[0032][0033]其中，式中d为全导数符号；为偏导数符号；为正的可选参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取风力发电机系统中柔性塔塔体的原始参数；步骤2：所述柔性塔的塔顶处分布设置有多个传感器，通过所述传感器获取塔体的实时振动的数据信息；步骤3：根据步骤1中得到的柔性塔塔体原始参数以及步骤2中设置在柔性塔塔顶处的传感器获取的数据信息，基于结构力学的动势能转换及虚功定理，建立风力发电机系统的偏微分方程模型；步骤4：根据步骤1中得到的柔性塔塔体原始参数以及步骤2中设置在柔性塔的塔顶处的传感器获取的数据信息，基于Lyapunov稳定性分析理论，构建用于观测控制器潜在故障的故障观测器；步骤5：根据步骤3中建立的偏微分方程模型以及步骤4中构建的故障观测器，推导出控制算法，将所述控制算法嵌入到风力发电机控制器中；传感器实时监测塔体振动情况并将信息传递给控制器，通过控制器中的软件实时计算控制算法得到控制器输出值，并将控制器输出值实时给定位于塔顶部的执行器作为输入信号，执行器通过接受控制器给定的输入信号在塔顶施加控制作用从而抑制塔体振动。2.根据权利要求1所述的基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法，其特征在于，步骤1中所述的原始参数包括：柔性塔的高度、柔性塔塔顶处的集中质量、柔性塔的质量密度、柔性塔塔体的弹性模量、柔性塔塔体的不均匀力矩、柔性塔塔体不均匀的横截面积，以及柔性塔塔体的振动衰减系数。3.根据权利要求1所述的基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法，其特征在于，步骤2中，所述传感器包括设置在柔性塔塔顶边界的激光位移传感器、倾角计和剪切力传感器；所述激光位移传感器用于采集塔顶偏转量的数据信息，所述倾角计用于采集塔顶偏转量对空间变化量的一次偏导的数据信息，所述剪切力传感器用于采集塔顶偏转量对空间变化量的三次偏导的数据信息。4.根据权利要求1所述的基于PDE模型的抑制风力发电机塔体振动的控制方法，其特征在于，根据步骤1中得到的柔性塔塔体原始参数以及步骤2中设置在柔性塔的塔顶处的传感器获取的数据信息，基于结构力学的动势能转换及虚功定理，建立风力发电机系统的偏微分方程模型，具体包括：当柔性塔塔体受到分布式负载ψ(τ,ξ)时，分析塔体在分布式负载作用下所产生固有振动；塔体底端一端固定，定义由于振动产生的虚位移ω(τ,ξ),分别得到塔体的动势能及外力做功；根据虚功原理，外力在虚位移上做的功等于内力在虚位移上做的功，得到：E
k
(ξ)+E
p
(ξ)＝δW(ξ)其中，E
k
(ξ)为塔体的动能，E
p
(ξ)为塔体的势能，δW(ξ)为对塔体所做虚功之和，包括由塔体阻尼做的虚功、塔体分布式负载做的虚功、控制作用抑制塔体振动做的虚功和控制器由于潜在故障产生的虚功；应用Hamilton原则，考虑塔体整体得到塔体动态特性的四阶非齐次偏微分方程，即得风力发电机系统的PDE模型，具体如下：
其中，式中为偏导符号；τ为塔体各处空间位置，m；ξ为时间，s；I为塔体的高度，m；Q为塔顶处的集中质量，kg；ρ为塔体的质量密度，kg/m3；κ为塔体的弹性模量，N/m2；γ...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓东，肖宇，阳春华，滕林斌，蔡明兴，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：