考虑转矩控制响应延迟的漂浮式海上风机平台俯仰运动分析与改进阻尼方法

《Energy》：Analysis and Improved Damping Method of Platform Pitch Motion for Floating Offshore Wind Turbines Considering Torque Control Response Delay

　　摘要浮动式海上风力发电机（FOWT）的平台俯仰运动（PPM）与叶片变距控制（BPC）耦合时，已被证明会触发无衰减运动行为。如果不能得到适当控制，可能导致疲劳增加，甚至危及FOWT的运行稳定性。现有的基于控制的缓解方法依赖于修改转矩控制和BPC。然而，转矩控制的响应延迟经常被忽视，而考虑到近期风电被要求提供电网支持功能（例如惯性支持）的趋势，这一问题特别相关且重要，因为其中响应延迟是不可忽略的。在此背景下，应重新审视PPM问题。为此，本文首先开发了一个输入输出闭环分析模型，以揭示控制如何影响PPM。然后，借助奈奎斯特图，图形化地揭示了转矩延迟的稳定性和常规BPC的局限性等。此后，开发了一种改进的变距-转矩协调控制器。最后，通过高保真OpenFAST-Simulink联合仿真模型对不同控制器进行了比较分析。结果表明，与电网支持导向的变换器控制相关的转矩响应延迟可能与PPM阻尼控制相互作用，成为除BPC之外可能导致PPM不稳定的另一个关键因素。改进的控制器减轻了转矩控制延迟的不利影响，在PPM阻尼、速度调节、超速抑制、避免电流限制违规、结构疲劳和变距活动之间实现了更好的平衡折中。引言浮动式海上风力发电机（FOWTs）为开发深海风能提供了一种可行的技术方案[1]。最近，关于FOWT技术的示范项目的调试报告比以往更加频繁[2], [3]，表明FOWTs在深海风力发电方面前景光明。尽管FOWT技术超越了海洋深度限制，但由于采用了浮动平台，它也带来了六个额外的自由度[4]。与固定式风机相比，这给FOWTs的运行和控制带来了新的挑战。具体而言，出现了不同的动力学问题，如大幅度的平台俯仰运动（PPM）[5]、复杂的机械结构响应[6]和尾流演化[7]等。其中，PPM问题可能是最关键的，因为它可能导致FOWT的疲劳载荷失效甚至触发不稳定性[8]。鉴于FOWTs的快速增长，这一问题近来引起了极大关注。PPM通常与叶片变距控制（BPC）和转子运动耦合。它通常出现在额定风速及以上，因为在这个范围内BPC持续激活以防止FOWT过载和超速[9]。为了研究这一问题，已经开发了各种模型，如[10]提出了一种降阶的速度控制导向模型，[11]提出了一种简化的状态空间模型。这些模型识别和解释了PPM的负阻尼问题，而这种行为进一步通过非最小相位控制系统进行形式化解释，在从叶片变距角到转子速度的传递函数中存在一对不稳定零点[12]。进一步地，[13]、[14]通过理论分析和实验研究了负阻尼效应的范围。这些分析为PPM阻尼控制策略奠定了基础。关于PPM的阻尼控制，一般来说，可以通过修改BPC或转矩控制，或者两者都进行修改来实现。具体而言，改进的BPC（IBPC）主要通过降低带宽[15]、添加阻尼项[16]和实现自适应控制[17]来实现。尽管IBPC可以在其特征频率处抑制PPM，但它可能会导致不良的转子超速。值得注意的是，考虑到增益调度的比例积分（GSPI）在工业BPC中通常被应用[9]，不基于GSPI的控制器在实际中可能更难实施。另一方面，改进的转矩控制（ITC）可以通过平滑转子速度来增强PPM阻尼，通过在变换器的转矩控制环路中引入额外的阻尼项实现。它可以克服非最小相位零点[12], [18]。然而，这种阻尼效应是通过牺牲电网侧的性能来实现的，例如，使用ITC时功率波动更为严重，这可能导致电网接口变换器过电流。为了平衡多个目标，包括PPM阻尼、速度调节、功率平滑和疲劳缓解，变距-转矩协调控制器（PTCC）已在[8], [19], [20], [21], [22]中得到研究。[19]提出了一种参数依赖的PTCC来协调PPM阻尼和速度调节，而[8]进一步通过引入基于激光雷达（LIDAR）的预览风速信息改进了PTCC。此外，[20]开发了一种线性二次调节器（LQR）来平衡在波浪-平台相互作用下的功率波动减少和结构疲劳缓解。最近，改进的模型预测控制方法已在[21], [22]中提出，以减少平台运动同时平滑功率输出。这些研究为协调和多目标的FOWT控制提供了宝贵的见解。然而，现有的PTCC控制设计大多是在近似理想的转矩响应特性下获得的，其中假设转矩控制的带宽远高于风力发电机的主导机械动力学（例如，低于10 Hz）[23]。这一假设对于典型的风力发电机功率变换器控制是可接受的，例如跟网控制，其中转矩控制被设计为快速响应，其时间尺度与PPM运动相比可以忽略不计。然而，鉴于风电的电网惯性支持能力受到越来越多的关注[24]，特别是大规模风电如FOWTs[25]，虚拟惯性被认为是其未来并网集成中必不可少的。这种惯性提供功能可以通过虚拟同步发电机（VSG）控制来实现[26]。然而，VSG控制不可避免地导致转矩响应在1-10秒的时间尺度上变慢[27]，以满足系统的惯性响应要求。在此背景下，对于机械运动分析来说，转矩响应延迟（TRD）已无法忽略，例如，[28], [29]表明TRD会对传动链阻尼控制产生负面影响，甚至加剧系统不稳定风险。基于此，本文关注一个特定的空白：TRD动力学与PTCC之间的相互作用，及其对PPM阻尼和系统稳定性的影响。具体而言，鉴于TRD的重要性，PPM问题应重新审视，并预期开发考虑TRD的更可行的阻尼控制。为了更好地实现这一点，本文将风电变换器的多样化转矩控制实现表示为在PPM自然频率范围内的通用延迟响应。基于此安排，本文开发了一个直观但严格的输入输出分析模型，可以通过奈奎斯特图揭示控制的稳定性影响。基于这个改进的PPM分析，开发并验证了一种改进的变距-转矩协调控制器。据作者所知，本研究是首批明确分析电网支持导向的转矩控制下TRD对PPM阻尼影响的研究之一。它进一步强调了在为具有电网支持功能的未来FOWT设计PPM阻尼控制器时考虑此类延迟效应的重要性。本文其余部分组织如下：第2节开发了用于PPM与控制间相互作用分析的输入输出闭环模型。第3节基于闭环模型分析了受TRD和BPC影响的FOWT稳定性演化，以便为第4节中的控制优化奠定基础。第4节提出了一种改进的PTCC。第5节使用OpenFAST-MATLAB/Simulink联合仿真模型验证了改进PTCC的性能。第6节总结了本文。各章节摘要第2节 PPM与控制相互作用的稳定性分析建模本节展示了与PPM分析相关的FOWT动态组件，然后推导出一个输入输出闭环模型，作为解释控制-PPM相互作用稳定性的工具。第3节 控制与PPM的交互稳定性分析本节将基于等效闭环模型分析PPM与控制（包括TRD和BPC）的交互稳定性，其结果将为第4节中控制优化的提出提供便利。第4节 一种用于PPM缓解的改进PTCC方法基于第3节的分析，本工作在现有面向工程的PTCC框架基础上[8], [19]，开发了一种改进的PTCC。整体结构如图7所示，主要包括：1）一个相位补偿的ITC，和2）一个稳定性增强的BPC。前者旨在抵消TRD引起的相位滞后，而后者旨在增强速度调节同时确保系统稳定性。详细参数……第5节 案例研究和验证这里，选择了基于NREL的5MW OC4Semi FOWT模型来验证稳定性分析。然后，将改进的PTCC与其开发的现有PTCC框架进行比较。该模型使用OpenFAST-MATLAB/Simulink联合仿真平台构建，其中OpenFAST提供了具有所有自由度启用的高保真气-水-伺服-弹性FOWT模型[38]，MATLAB/Simulink使用固定步长离散求解器实现了电气系统和控制器。第6节 结论本文通过考虑TRD重新审视了FOWT的PPM阻尼控制问题。提出了一个新的分析视角，将PPM与控制之间的复杂相互作用表征为等效闭环系统。通过这一框架，揭示了TRD对PPM稳定性的不利影响以及基于传统GSPI的BPC的局限性。基于这一见解，提出了一种改进的PTCC来增强系统稳定性和安全性。其有效性通过……进行了验证。CRediT作者贡献声明**郭子腾：** 写作–审阅与编辑，写作–原稿，验证，方法论，调查研究，概念化。**张晨：** 写作–审阅与编辑，监督，方法论，调查研究，数据管理，概念化。**曾冠铭：** 写作–原稿，可视化，软件，调查研究。**罗超：** 可视化，验证，软件，项目管理。**朱依华：** 可视化，资源，项目管理，调查研究。**蔡旭：** 写作–审阅与……资金支持声明本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFB4203200）的支持。利益冲突声明? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述工作。致谢本工作得到了中国国家重点研发计划（基金编号2023YFB4203200）的支持。郭子腾|张晨|曾冠铭|罗超|朱依华|蔡旭上海交通大学 电气工程学院，上海，200240，中国