基于IPC-MPC的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法

本发明涉及风电，具体是基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法。

背景技术：

1、随着现代风力发电机组向大型化，柔性化方向的发展，叶塔净空值已成为直接影响风电机组安全与风电场效益的因素。大尺寸柔性叶片与塔筒将导致运行中风机出现叶片-塔筒净空不足的情况，直接威胁风机安全。叶塔净空值是指风力发电机的叶片与塔筒之间的间距。大型风力发电机组在运行时，同时受输入风速、风向变化以及其他各种内外部因素的影响，叶片与塔筒会出现较大的变形，尤其当风机处于强风等极端天气时。同时，由于现代大型风机叶片的轻量细长特性与塔筒的高柔特性，作用在风机结构上的气动载荷将进一步导致叶片与塔筒产生更大的变形，这都会进一步减小净空值。若叶片与塔筒之间的净空值过小，可能会导致二者碰撞。这种碰撞不仅影响发电效率和系统稳定性，还可能导致风电机组受损，造成设备损坏和运行中断。

2、随着风力发电机向大型化，柔性化，高效化发展，为风力发电机同时设计有效的叶塔净空控制技术正成为保证风机安全稳定运行，提高叶片寿命，降低风场成本的关键技术。这些技术的进步与应用将直接促进风电技术的安全性，可靠性与经济性，对于解决环境问题与推进我国能源结构转型有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，针对净空测量与净空控制的问题，首先求解叶片-塔筒整体状态方程，然后以优化的形变传感器安装方案为观测方程估计结构形变并通过推导的风机结构形变与净空间的转换关系计算净空值。对于净空控制策略，采用ipc-mpc框架控制净空，通过动态权重代价函数，安全约束与鲁棒约束共同保证控制策略的有效性与鲁棒性，并通过hloa求解最优桨距角输入,以保证本发明提出的净空测量系统能准确测量运行中风机的叶塔净空值，净空控制策略能有效保证足够叶塔净空值。

2、本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

3、基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于，包括步骤：

4、s1、叶片-塔筒整体状态方程建立；

5、s2、建立净空值测量系统；

6、s3、叶塔净空模型预测控制。步骤s1中对风力涡轮机进行叶片-塔筒整体状态方程建立。所述步骤s2中根据以优化的形变传感器安装方案为观测方程估计结构形变并通过推导的风机结构形变与净空间的转换关系计算净空值。所述步骤s3中设计ipc-mpc框架控制净空，通过动态权重代价函数，安全约束与鲁棒约束共同保证控制策略的有效性与鲁棒性，并通过hloa求解最优桨距角输入，来准确测量运行中风机的叶塔净空值，有效保证足够叶塔净空值。

7、对比现有技术，本发明的有益效果在于：

8、本发明从风机叶片与塔筒形变测量及控制出发，提出一种基于风机形变的净空控制框架，包括净空测量系统与净空控制策略。提出的净空测量系统将力矩监测中传感器优化框架扩展到叶片与塔筒，求解叶片与塔筒上形变传感器最优安装方案以实时获取叶片与塔筒的形变特征，进而依靠推导的叶塔净空与叶塔形变转换模型求解实时净空值。由于仅要求风机叶片及塔筒上安装广泛使用的形变传感器且形变传感器对风机工况不敏感，提出的方案可实现低成本，高精度地估计任意风机工况下的净空值。对于净空控制策略，本发明基于模型预测控制(mpc)思想与独立变桨控制(ipc)方法提出一种动态权重代价ipc-mpc净空控制策略并利用角蜥蜴优化算法(hloa)求解最优叶片桨距角输入。其中，考虑到提出的净空测量方法具有一定误差，将带裕量的风机叶塔净空纳入mpc约束保证风机具有足够净空值，同时为系统构建鲁棒约束保证方法的鲁棒性进一步保证风机安全运行。

技术特征：

1.基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于：步骤s1中，对风力涡轮机进行叶片-塔筒整体状态方程建立。

3.根据权利要求1所述的基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于：步骤s2中，以优化的形变传感器安装方案为观测方程估计结构形变并通过推导的风机结构形变与净空间的转换关系计算净空值。

4.根据权利要求1所述的基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于：步骤s3中，叶塔净空模型预测控制包括步骤：

5.根据权利要求5所述的基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，设计mpc迭代过程中的优化目标以及考虑安全约束，鲁棒约束以及物理约束三部分约束条件，其特征在于：

7.根据权利要求5所述的基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤s32通过hloa对所构建的风机叶片-塔筒净空模型预测控制进行迭代求解mpc中最优桨距角。

8.根据权利要求8所述的基于ipc-mpc的风力发电机组叶片-塔筒净空模型预测控制方法，其特征在于：

9.优化算法中种群成员的基本迭代方式为：

技术总结本发明公开了基于IPC‑MPC的风力发电机组叶片‑塔筒净空模型预测控制方法，主要涉及风电技术领域；包括步骤：S1、叶片‑塔筒整体状态方程建立；S2、净空值测量系统；S3、叶塔净空模型预测控制；本发明针对净空测量与净空控制的问题，首先求解叶片‑塔筒整体状态方程，然后以优化的形变传感器安装方案为观测方程估计结构形变并通过推导的风机结构形变与净空间的转换关系计算净空值。对于净空控制策略，采用IPC‑MPC框架控制净空，通过动态权重代价函数，安全约束与鲁棒约束共同保证控制策略的有效性与鲁棒性，并通过HLOA求解最优桨距角输入,以保证本发明提出的净空测量系统能准确测量运行中风机的叶塔净空值，净空控制策略能有效保证足够叶塔净空值。技术研发人员：魏善碧,熊世辉,陈嘉茜,赖星陶,钟晓雨,贾康强受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29