海上驳船式风机混合-被动结构减载控制研究
摘要
相比较传统的陆上风力发电，海上风力发电具有不占用土地资源、风速高、湍流强
度低、视觉污染和噪声污染都较小等多种优势，受到了世界各国的密切关注并得到了大
力发展。近年来随着海上风电技术日益成熟，海上浮式风机的大型化、深水化发展已然
成为趋势。然而深海领域恶劣的风浪环境将导致风机承受很大的载荷，再加上大型化风
机具有较高的结构柔性，严重影响了风机的发电质量和运行寿命。为降低浮式风机的负
载，提高风机运行的稳定性，支撑海上风电发展，本文对海上驳船式风机减载控制进行
了研究。
本文的研究内容主要有：以NREL提供的5MW驳船式风机模型为研究对象，在一
系列假设条件下，建立了线性无控制风机模型，其中模型中的未知参数通过系统辨识得
到。通过分析无控制风机模型塔架的振动特点，提出了双被动控制方法。在双被动控制
设计时，基于以双被动控制风机模型为基础建立的风舱被动控制风机模型和平台被动控
制风机模型，建立了各自的优化问题，分别实现了风舱和平台调谐质量阻尼器（TMD）
的参数优化，并依据不同指标对这两类阻尼器参数作出了选择。为进一步提高减载能力，
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在双被动控制基础上提出了混合被动控制方法，其中混合控制中的主动控制力通过设
计LQR最优控制率实现，权矩阵Q和R中的权重系数通过两次优化得到。以在切入到
切出风速范围内都有较好的控制效果为目的，通过对减载效果和主动控制力的输入能量
logistic-FAST-SC
的权衡，运用回归设计了混合被动控制。通过仿真表明，双被动控制
在全风速范围内对风机运动状态（风机动态响应、受载情况和关键部件的工作状态）具
有较好的控制效果，而混合-被动控制以消耗一定额外能量的代价获得了比双被动控制
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更好的控制效果。另外还模拟了混合被动控制在风浪不共线环境下的情况，结果表明
混合-被动控制仍然对风机运动状态具有较好的控制效果。最后模拟了混合-被动控制在
风机模型参数变化条件下的控制效果，证明了混合-被动控制具有较好的鲁棒性，并对
其中的原因进行了探究。
本文通过对混合-被动结构减载控制的研究设计，为今后海上驳船式风机减载技术
的研究工作提供了一定的参考作用。
关键词：海上浮式风机；结构减载控制；TMD；FAST-SC
海上驳船式风机混合-被动结构减载控制研究
Abstract
Comparedwithtraditionalonshorewindpowergeneration,offshorewindpower
generationhasvariousadvantagessuchasnotoccupyinglandresources,highwindspeed,
lowturbulenceintensity,lessvisualpollutionandnoisepollution,etc.Ithasbeenclosely
watchedandvigorouslydevelopedbycountriesallovertheworld.Inrecentyears,withthe
increasingmaturityofoffshorewindpowertechnology,thelarge-scaleanddeep-water
developmentoffloatingoffshorewindturbine(FOWT)hasbecomeatrend.However,the
harshwindandwaveenvironmentinthedeep-seafieldwillleadtoalarge