《Energy Conversion and Management-X》：Fuzzy gain-scheduled LADRC–SRC for individual pitch load mitigation in wind turbines
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随着风电机组额定容量与转子尺寸的持续增大，结构柔性与气动载荷的耦合增长显著增强了机组对空间非均匀入流与运行扰动的敏感性。在额定风速以上的运行区域（Region 3），风切变、塔影效应、偏航误差、大气湍流及气动弹性相互作用在转子载荷中引入了显著的空间与时间变化，
随着风电机组额定容量与转子尺寸的持续增大，结构柔性与气动载荷的耦合增长显著增强了机组对空间非均匀入流与运行扰动的敏感性。在额定风速以上的运行区域（Region 3），风切变、塔影效应、偏航误差、大气湍流及气动弹性相互作用在转子载荷中引入了显著的空间与时间变化，由此产生的不对称载荷同时包含转子同步周期分量与宽带随机分量，并反映在叶片根部挥舞弯矩及轮毂俯仰与偏航力矩中。持续的不对称循环载荷加剧了叶片、轮毂部件、轴承、传动链及变桨执行机构的疲劳累积，进而增加结构退化、维护需求与全生命周期成本。然而，对于大型柔性风电机组，结构载荷抑制不能独立于主要运行目标进行考虑，因为额外的变桨动作可能影响发电机转速调节、额定功率维持、执行机构使用率及整体控制性能。因此，Region 3中的有效载荷缓解需要在结构载荷降低、功率与转速调节以及控制代价之间寻求适当折中。集体变桨控制（CPC）通过向所有叶片施加统一变桨指令来调节全局气动功率，但对空间非均匀入流引起的不对称转子载荷控制能力有限。相比之下，独立变桨控制（IPC）引入叶片特异性变桨动作，从而能够直接调节不对称及转子同步载荷分量。在湍流Region 3运行条件下，载荷扰动表现出显著不同的动态特性：转子同步分量相对于转子方位角具有结构化与可重复性，而湍流诱导的扰动则是宽带、随机且仅具有弱可重复性。这两类扰动因此对相应的扰动抑制机制提出了不同要求。此外，风电机组气动弹性动力学对运行点具有强依赖性，风速条件的变化会改变气动灵敏度、结构响应、扰动强度及变桨系统的有效控制权限。固定参数的IPC控制器可能无法在整个额定风速以上运行包络内维持转子同步载荷衰减、随机扰动抑制、发电机转速调节与变桨执行机构使用率之间的一致性折中。基于上述特征，本研究提出了一种统一的IPC架构，其中宽带非周期扰动与转子同步周期扰动由专门但协调的控制机制分别处理。具体而言，本研究将线性自抗扰控制（LADRC）与空间域重复控制（SRC）相结合，LADRC提供广义宽带扰动的在线估计与补偿，SRC利用方位角同步结构抑制周期载荷。为降低不可重复湍流分量对重复内部模型的影响，SRC分支引入了方位角索引误差缓冲区、指数加权误差更新、松弛重复记忆及空间平滑。此外，模糊调度器以平均桨距角和发电机转速波动作为气动运行点与扰动强度的可测指标，联合调节LADRC观测器带宽与SRC增益。模糊规则后件源自多种子、多目标参数搜索、Pareto非支配筛选及TOPSIS决策，而非仅通过启发式整定确定。采用OpenFAST–MATLAB/Simulink联合仿真，在多种风速与IEC湍流等级下对所提策略进行评估。与基线CPC相比，所提方法将叶片根部挥舞弯矩标准差降低了13.68%–28.17%，同时降低了1P载荷幅值与等效损伤载荷，且未显著恶化额定功率与发电机转速调节性能。
一、研究背景与问题
随着风电机组额定容量与转子尺寸的持续增长，结构柔性与气动载荷的耦合效应显著增强了机组对空间非均匀入流和运行扰动的敏感性。在额定风速以上的运行区域，风切变、塔影效应、偏航误差、大气湍流及气动弹性相互作用在转子载荷中引入显著的空间与时间变化，产生的不对称载荷同时包含转子同步周期分量与宽带随机分量，反映在叶片根部挥舞弯矩及轮毂俯仰与偏航力矩中。持续的不对称循环载荷加剧了叶片、轮毂部件、轴承、传动链及变桨执行机构的疲劳累积，增加结构退化、维护需求与生命周期成本。对于大型柔性风电机组，结构载荷抑制不能独立于主要运行目标，额外变桨动作可能影响发电机转速调节、额定功率维持、执行机构使用率及整体控制性能，因此需要在结构载荷降低、功率与转速调节及控制代价之间寻求适当折中。
集体变桨控制（CPC）通过统一变桨指令调节全局气动功率，但对空间非均匀入流引起的不对称转子载荷控制能力有限。独立变桨控制（IPC）引入叶片特异性变桨动作，能够直接调节不对称及转子同步载荷分量。在湍流运行条件下，转子同步分量结构化且可重复，而湍流诱导扰动为宽带随机且弱可重复，两类扰动对扰动抑制机制提出不同要求。此外，风电机组气动弹性动力学对运行点具有强依赖性，固定参数IPC控制器难以在整个运行包络内维持各控制目标的一致性折中。现有研究存在若干互补性局限：传统基于多叶片坐标变换（MBC）及模型的控制方法需以单一反馈或优化机制应对频谱特性差异显著的扰动分量；重复控制方法虽显式利用转子同步周期性，但其周期内部模型本身不提供广义宽带扰动估计；LADRC提供随机及模型相关扰动的在线补偿，但未显式利用重复转子同步信息；自适应与模糊调度方法虽改善运行点适应性，但现有研究主要对单一控制器、个别反馈增益或变桨控制动作的相对贡献进行自适应，对属于互补宽带与周期扰动抑制机制的关键参数进行协调调度仍相对缺乏探索。
二、研究内容与结论
针对上述局限，研究人员提出模糊增益调度LADRC–SRC独立变桨控制策略。叶片根部挥舞弯矩通过MBC变换至非旋转坐标系中的俯仰与偏航载荷通道，LADRC与空间域重复控制（SRC）并行排列，分别补偿宽带非周期扰动与方位角同步周期载荷。平均桨距角与发电机转速波动用于表征运行点与扰动水平，并在线调节LADRC观测器带宽与SRC增益。主要贡献包括：建立扰动特异性并行LADRC–SRC架构；结合方位角索引误差缓冲区、指数加权更新、松弛重复记忆与空间平滑以提升湍流入流下重复控制的鲁棒性；开发优化信息驱动的模糊协调机制，采用可直接测量的平均桨距角与发电机转速波动作为调度变量，模糊规则后件通过多种子多目标参数搜索、Pareto筛选及TOPSIS决策系统获得；建立并行控制系统的稳定性分析框架；通过OpenFAST–MATLAB/Simulink联合仿真评估所提策略。
三、关键技术方法
研究人员建立了OpenFAST–MATLAB/Simulink联合仿真平台，被控对象为NREL 5-MW参考风电机组。采用MBC变换将旋转坐标系中的叶片载荷转换为非旋转坐标系中的集体、俯仰与偏航分量。空间域重复控制器将一周转子旋转划分为N个方位角节点，建立方位角索引误差缓冲区，通过指数加权递归更新提取方位角同步周期误差，采用松弛内部模型激励信号与空间平滑滤波器更新重复记忆状态。LADRC分支构建三阶线性扩展状态观测器（LESO），按观测器带宽参数化观测器增益，通过扰动估计提供前馈补偿。模糊增益调度器采用零阶Sugeno模糊推理系统，将平均桨距角与发电机转速波动映射至观测器带宽与SRC增益，输入各分为四个模糊子集，共16条模糊规则，规则后件来自离线多目标优化结果。离线参数搜索覆盖7种平均风速、3种IEC湍流等级及3个独立湍流种子，共6237次仿真，采用MATLAB Parallel Computing Toolbox并行执行，在阿里云ECS实例上完成。
四、研究结果
4.1 参数灵敏度与增益调度器设计依据
在代表性运行条件下，整体控制性能对观测器带宽具有强依赖性。低中速风况下，较低稳健综合评价指标集中于中等带宽范围，过大观测器带宽会因LESO对高频湍流与未建模动态过度敏感而显著增加性能指标。SRC增益在大部分参数空间内影响相对适中，但与适当观测器带宽结合时较大SRC增益可改善周期载荷抑制。单因子切片分析表明，发电机转速标准差与组合俯仰–偏航等效损伤载荷（DEL）随观测器带宽增加呈现显著非单调变化，发电机转速波动最小值约在4–6 rad/s，而组合DEL最小值集中于10 rad/s附近。单一固定参数对无法在整个运行条件范围内提供一致最优性能。
4.2 模糊规则构建与调度特性
基于多目标优化与Pareto–TOPSIS决策获得模糊规则后件，经专家正则化约束相邻规则间增益突变，通过归一化加权平均生成连续平滑的观测器带宽与SRC增益值。模糊调度器协调宽带扰动抑制与周期载荷抑制，根据当前涡轮运行响应调整控制器参数。
4.3 非线性联合仿真与对比评估
在多种风速与IEC湍流等级下进行OpenFAST–MATLAB/Simulink联合仿真。与基线CPC相比，所提方法将叶片根部挥舞弯矩标准差降低13.68%–28.17%，同时降低1P载荷幅值与等效损伤载荷，且未显著恶化额定功率与发电机转速调节性能，并降低了执行机构工作量。
五、讨论与结论
研究结果表明，所提出的模糊增益调度LADRC–SRC策略能够有效协调宽带扰动抑制与周期载荷抑制，在保持额定功率与转速调节性能的同时实现显著的结构载荷降低。并行控制架构中LADRC与SRC分别针对频谱特性差异显著的扰动分量提供专门抑制机制，模糊调度器根据可测运行响应持续调整控制器参数以适应运行条件变化。该策略为大型风电机组在额定风速以上运行区域的结构载荷抑制提供了一种有效的控制方案。
