我國(guó)風(fēng)電發(fā)展迅速，截至2017年，我國(guó)已成為世界上累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量和新裝機(jī)容量均最大的國(guó)家。根據(jù)國(guó)家氣候中心的調(diào)研結(jié)果，模擬我國(guó)離岸50 km范圍內(nèi)近海風(fēng)能資源，得出理論技術(shù)可開發(fā)量為7.58億kW。同時(shí)，深海風(fēng)電場(chǎng)既不影響海邊景觀及海上航道的通暢，其運(yùn)行發(fā)出的噪聲也不影響居民生活，且擁有更強(qiáng)更穩(wěn)定的風(fēng)源。因此，漂浮式風(fēng)機(jī)（Floating Offshore Wind Turbine,FOWT）必然成為未來(lái)風(fēng)電行業(yè)拓展的方向。

目前，在對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)力分析的過程中，主要借鑒傳統(tǒng)固定式風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力分析的理論方法，如葉素動(dòng)量理論、勢(shì)流理論、致動(dòng)線模型以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法等。

• 周國(guó)龍等采用了動(dòng)量理論方法一并計(jì)算了風(fēng)輪、塔架和基礎(chǔ)的載荷，該方法雖然簡(jiǎn)單方便，但只能達(dá)到估算載荷的目的，所建立的模型不夠精確。
• K.Iijima等開發(fā)了一種漂浮式風(fēng)電機(jī)組流體力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)耦合的仿真工具，其最大特點(diǎn)是考慮了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的柔性，使動(dòng)態(tài)耦合模型更加精確，美中不足的是沒有考慮風(fēng)機(jī)上部分包括槳葉、機(jī)艙和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的柔性。
• J. R.Homer等提出了一種漂浮式風(fēng)機(jī)三維數(shù)學(xué)模型，能應(yīng)用于不同風(fēng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且能預(yù)測(cè)三維浮式基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但該模型只能應(yīng)用于包含周期性響應(yīng)的風(fēng)輪模型中。
• F.Lemmer等提出了基于海洋水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)耦合算法計(jì)算深海構(gòu)筑物動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并計(jì)算出三種不同海況平臺(tái)六個(gè)自由度的響應(yīng)振幅算子，但沒有考慮風(fēng)和波浪的雙重?cái)_動(dòng)下平臺(tái)的非線性動(dòng)力特性，無(wú)法滿足完整的漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的要求。

可見目前大部分針對(duì)FOWT的動(dòng)力學(xué)建模都存在建模不精確的問題，因此，應(yīng)用于FOWT上的變槳控制方法研究也很少。

• O.Bagherieh等設(shè)計(jì)了一種線性變參數(shù)（Linear-Parameter-Varying, LPV）槳距控制器，證明槳距控制策略可以穩(wěn)定功率，減小基礎(chǔ)振動(dòng)，但其主要在低風(fēng)速、小波浪工況下進(jìn)行仿真，與海洋實(shí)際工況尚有差異。
• Li Xianwei等提出了一種結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制器以減小漂浮式基礎(chǔ)的疲勞，采用改進(jìn)的非線性H∞控制方法優(yōu)化增益，但該控制器不夠經(jīng)濟(jì)，且可靠性不理想。
• J.Hussain等結(jié)合爬山搜索算法提出了一種自適應(yīng)最大功率跟蹤算法，該算法在隨機(jī)風(fēng)脈動(dòng)條件下依然具有較好效果，缺點(diǎn)是該算法只適用于小型風(fēng)機(jī)。

實(shí)際工況中，由于風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)，使風(fēng)輪平面所受載荷不平衡，這種不平衡載荷對(duì)工作于深海的漂浮式風(fēng)機(jī)尤甚。而目前大部分漂浮式風(fēng)機(jī)建模的研究均未考慮這一點(diǎn)，且忽略風(fēng)機(jī)塔架的柔性，直接將整個(gè)風(fēng)機(jī)視為剛體，導(dǎo)致系統(tǒng)建模不精確。

本文在已有氣-水動(dòng)力耦合模型的基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)和塔架的剛度特性，建立更精確的氣動(dòng)載荷模型，并采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Radical-Basis Function Neural Network,RBFNN）構(gòu)建獨(dú)立變槳控制方法。以NREL-5MW風(fēng)機(jī)和Spar式OC3-Hywind基礎(chǔ)組成的FOWT為仿真模型，對(duì)比傳統(tǒng)PI控制方法和本文所提控制方法，結(jié)果表明，本文所提控制方法可更有效地穩(wěn)定輸出功率，并在一定程度上減小漂浮基礎(chǔ)的載荷波動(dòng)和俯仰振蕩。

圖1 FOWT基礎(chǔ)六自由度模型

圖2 基于RBFNN的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)原理框圖

結(jié)論

本文針對(duì)FOWT建模不精確的問題，在已有動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)以及風(fēng)機(jī)塔架的剛度，建立了更精確的氣動(dòng)模型，將改進(jìn)后的氣動(dòng)模型與水動(dòng)模型耦合，建立漂浮式基礎(chǔ)受氣-水動(dòng)力影響下的時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)而求得受波浪擾動(dòng)和風(fēng)速影響的相對(duì)風(fēng)速。在此基礎(chǔ)上，采用RBFNN算法構(gòu)建漂浮式風(fēng)機(jī)的獨(dú)立變槳控制系統(tǒng)。

在FAST-Matlab/Simulink下進(jìn)行聯(lián)合仿真，將所提控制方法和傳統(tǒng)PI控制方法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，本文所提控制方法可以有效實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，并在一定程度上抑制了風(fēng)機(jī)的縱搖運(yùn)動(dòng)，減小了基礎(chǔ)俯仰載荷。