级联双转子风力机多域线性混合半机理建模与两级协调控制

《Wind Energy》：Multi-Domain Linear Hybrid Semi-Mechanism Modeling and Two-Level Coordinated Control for a Cascade Dual-Rotor Wind Turbine

　　

针对一种新兴的级联双转子风力机(CDR-WT)，其前后转子协调控制面临显著挑战。为解决该问题，研究人员提出了一种新颖的建模与控制设计方法。首先详细介绍了CDR-WT的工作原理，包括其主要结构与子系统模型，以及运行区域的理想划分。其次提出了一种多域线性混合半机理(MD-LHSM)建模方法。由于前后风转子间存在复杂非线性气动干涉特性，采用具有分段仿射回归外生(PWARX)结构的非机理模型，将其与其他部件的线性机理模型集成，得到CDR-WT总体模型即MD-LHSM模型。基于双转子运行特性，提出两级协调控制策略以优化前后转子间互补输出特性。进而基于MD-LHSM模型，针对两级协调控制中使用的PID控制器提出一种满意PID参数整定方法，将PID参数优化转化为输出反馈问题。最后在硬件在环(HIL)仿真平台上验证了建模与控制性能。结果表明所开发控制器通过协调前后转子运行，可有效跟踪2.7 MW CDR-WT的最优输出曲线。

研究背景方面，单转子风力机受Betz极限约束风能利用率上限为59.3%，而双转子风力机(DRWT)理论功率系数可达64%。现有DRWT研究多采用锥齿轮传动导致前后转子无法完全解耦，或采用同侧结构使扭矩互抵，亦有对转、同轴等构型探索。已有控制方法或未能独立调节双转子转速，或依赖一维稳态理论忽略结构动力学，或采用双MPPT却缺乏磁通调制协调，常规PID难以适应非线性系统，智能控制又面临计算复杂与整定无系统方法等问题。为此研究人员以"前大后小"级联双转子风力机(CDR-WT)为对象，开展高精度建模与协调控制研究，论文发表于《Wind Energy》。

关键技术方法上，研究人员基于CFD提供的串列双转子气动数据（主转子半径38.5 m、次转子28 m、轴间距20 m、1704万网格单元）获取全工况运行数据；采用高维聚类与K-means将气动转矩输出空间划分为3个工作域，用加权最小二乘与软间隔支持向量机(SSVM)辨识PWARX子模型参数；将PWARX非机理模型与传动链两质量块、双转子永磁同步发电机(DRPMSG)一阶惯性、变桨一阶惯性等线性机理模型按低于/高于额定风速集成为多域线性混合半机理(MD-LHSM)状态空间模型并ZOH离散化；控制上设计两级协调架构（上层调转速比、下层独立变桨变速），并将PID整定转化为增广系统输出反馈问题，用极点指标（Lyapunov圆域F(0,r)）与方差指标（稳态协方差LMI）兼容优化求反馈增益K，反解PID参数；最终在由非线性模型、PLC控制器与上位机组成的硬件在环(HIL)平台用TurbSim生成IEC 61400标准湍流风（强度16%）验证。

研究结果各小节结论如下。

非线性机理建模与运行原理小节：建立气动（总功率系数C_p同时受前后转子叶尖速比λ_FR、λ_RR与桨距角影响）、两质量块传动链、DRPMSG（内外发电机磁屏蔽无耦合可分别建模）、变桨一阶惯性等子系统；依风速划分MPPT区、恒功率区及过渡区（10.9–11.1 m/s前转子先切额定进入变桨而后转子继续MPPT），明确双转子独立控制避免交互。

MD-LHSM建模小节：用PWARX以风速V、ω_FR、ω_RR为输入，气动转矩T_a,FR、T_a,RR为输出，延迟阶n=2、m=1、子集200、聚为3域；将各域PWARX与机理模型融合为连续状态空间，再ZOH离散得式(16)。Scenario I（低于额定）与Scenario II（高于额定）下PWARX气动转矩MAPE仅0.12%/0.11%与0.38%/0.21%，MD-LHSM转速MAPE约0.02%–0.26%，证实混合模型高精度。

两级协调控制与满意PID设计小节：上层以FR实速为参考求RR最优转速偏差，经PID转矩补偿送下层；低于额定固定桨距变速，高于额定恒速变桨。满意PID通过串接积分器建增广系统，把K=[k_p, k_i, k_d]映射为输出反馈，用极点圆域约束与方差trace(Q)极小化LMI迭代求解。HIL中9 m/s时平均功率跟踪精度95.2%、15 m/s时96.3%，双转子均超90%；非线性模型转速MAE 0.32/0.44 rad/s、功率MAE 60.34/47.75 kW（相对额定<5%）；满意PID在阶跃加随机扰动下转速功率超调小、恢复快，验证鲁棒性。

讨论与结论翻译：本文建立了CDR-WT非线性模型以精确模拟动态特性；针对前后转子复杂非线性气动干涉采用PWARX模型，并与其他子模型集成构成MD-LHSM模型，经HIL仿真验证精度；为优化互补输出提出创新的两级协调控制策略，采用满意PID算法整参，将PID优化转化为输出反馈问题；HIL结果表明所开发控制器通过协调FR与RR运行可有效跟踪2.7 MW CDR-WT最优输出曲线。该研究提供了一种具任意逼近能力的多域近似线性状态空间建模方法及PID整定推导，对传统单转子与新型双转子风力机控制器整定及运行优化具有重要指导意义。