"计划-控制"软切出策略：海上风机高风速工况下的结构疲劳缓解与发电优化方案

针对海上风机(OWTs)在超过切出风速时立即停机导致结构疲劳加剧和完全功率损失的问题，研究人员提出"计划-控制"软切出(PCSC)策略。该策略采用双环框架：内环采用工业标准控制器，外环通过非线性模型预测控制(NMPC)动态优化转速和功率参考值，实现渐进式停机。验证表明PCSC在保持原有控制器架构前提下，显著降低结构载荷并提升发电量，对复杂海洋环境下的风机安全运行具有重要工程价值。

　　

随着全球海上风电装机容量在过去二十年间的迅猛增长，这种可再生能源技术已成为发展最快的清洁能源之一。然而复杂的海洋环境给海上风机(OWTs)带来了严峻挑战——当风速超过切出阈值时，传统控制策略会立即停机，这种"硬切出"方式不仅造成发电量骤降，更会因频繁启停加剧结构疲劳，在台风多发的中国南海等区域尤为突出。监测数据显示，建立在软黏土地基上的单桩式OWTs经常面临风速持续超过25m/s的极端工况，此时风浪不对中(wind-wave misalignment)产生的多向耦合激励，可能引发塔筒的复杂振动模式。

针对这一行业痛点，研究人员创新性地提出了"计划-控制"软切出(PCSC)策略。该策略的核心突破在于采用分层架构：内环保留成熟的工业标准控制器(如FAST代码中的基准控制器)直接调控桨距角和发电机扭矩；外环则引入基于非线性模型预测控制(NMPC)的规划器，以较低更新频率动态优化转子转速参考值ω_r^set和发电功率参考值P_g^set。这种双时间尺度的设计既保证了实时控制需求，又通过双曲切出曲线实现功率的渐进衰减。特别值得注意的是，规划器通过三项关键目标函数实现智能决策：抑制塔筒振动速度、调节虚拟主动阻尼、限制执行器动作幅度，从而在fore-aft(前后)和side-to-side(侧向)两个方向上同时提供振动抑制。

为验证策略有效性，研究团队构建了包含桩土相互作用的高保真气-液-伺服多体模型，整合了FounDyn模块来精确模拟地基动力学。通过20个实际工况(LC1-LC20)的对比测试发现：相比传统硬切出，PCSC策略在28m/s风速下能使塔基弯矩降低37%，同时将可发电时间延长15%。更令人惊喜的是，在风浪夹角45°的恶劣条件下，该策略仍能保持侧向位移控制在安全阈值内。这些突破性进展得益于两个关键技术创新：一是采用NMPC算法实时补偿风浪耦合干扰，二是通过保持工业控制器架构不变显著降低了工程实施风险。

这项发表于《Ocean Engineering》的研究，为海上风电行业提供了兼顾安全性与经济性的新型解决方案。其重要意义不仅体现在理论层面首次实现了不修改标准控制器架构的渐进式停机策略，更在于工程应用层面可直接嵌入现有控制系统。正如作者指出，该策略特别适用于中国南海等台风频发海域，为漂浮式风机等新一代海上风电装备的控制系统设计提供了重要参考。未来研究可进一步探索该策略在集群控制中的应用，以及结合数字孪生技术实现更精准的寿命预测。