本发明涉及漂浮式风机独立变桨控制技术及容错控制，尤其涉及一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法。
背景技术：
1、海上风电是实现我国能源绿色转型的重要举措。与陆上风电相比，海上风电风能资源丰富、机组运行稳定、单机容量较大、能量产出大、年利用小时数更高；同时由于机组距海岸较远，具有环境负面影响小，不占用陆地宝贵的土地资源等；此外海上风电还具有离东南沿海等负荷中心距离近，可开发资源大等优势等。随着近海资源的开发，海上风电逐渐向深远海扩展，漂浮式风机成为关注的焦点。但由于漂浮式风机运行环境恶劣，技术要求高、运维难度大、运维成本高，成为当前制约其规模化、商业化发展的主要障碍。
2、深远海漂浮式风机长期运行于高盐雾、高湿度的恶劣海洋环境，机组各部件故障率相对较高。同时，海上风电运维需综合考虑运维船、天气、人力等因素，可达性差、换油窗口期短，因此运维难度大、成本高。根据可再生能源局发布的2018年风能成本调查报告显示，运维成本占漂浮式风电机组全生命周期成本的31.3％。从经济性的角度来看，开发容错控制策略保证漂浮式风电机组子系统在非严重故障情况下依然安全稳定运行，减少停机时间，进而提高发电功率，对提高整个浮式风电场发电效益并降低运维成本具有重要现实意义和实际价值。
3、变桨系统是漂浮式风机的关键子系统，对额定风速以上维持机组安全稳定发电、降低机组载荷和抑制浮体平台运动具有重要作用。海上恶劣环境和无人值守的特点对变桨系统安全性、可靠性提出了更高要求。漂浮式风机多使用寿命长、可靠性高的液压变桨执行器，但在长期运行过程中，变桨执行器易出现润滑不足、异物入侵、液压泄露、泵磨损等因素导致的执行器卡死和液压下降等故障；同时，在独立变桨机制下，变桨执行器动作频繁，虽然改善了机组性能，但加重了执行器的负担，更易导致故障的发生。此外，变桨执行器可能出现的各种故障严重程度不同，轻微故障对系统影响程度小，严重故障则可能造成机组功率超调、载荷骤增、平台运动不稳等严重后果。
4、而目前广泛采用的常规控制策略不具有容错控制功能，遇到以上故障时多采用无差别地发出警告信号，采取紧急停机处理措施，并安排后续运维检修。因此，对于漂浮式风机来说，这种常规变桨控制策略难以适应深远海漂浮式风电机组运维场景。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法。该方法在原有独立变桨控制结构上，集成统一变桨控制模块(collective pitch control，cpc)、独立变桨控制模块(individual pitch control，ipc)、故障诊断与隔离模块(faultdiagnosis and isolation，fdi)和容错控制模块(fault-tolerant control，ftc)于一体，形成漂浮式风电机组容错独立变桨控制策略。本发明能够解决常规变桨控制策略难以适应深远海漂浮式风电机组运维场景的技术问题。
2、为实现上述目的，本发明提供的一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法，所述方法包括以下步骤：
3、使用传感器测量漂浮式风机发电机转速、转子方位角和三叶片叶根载荷值，并进行低通滤波器滤波；
4、对发电机转速误差进行增益调度pi统一变桨控制，得到统一变桨角；
5、基于转子方位角和三叶片叶根载荷测量值，经科尔曼正反变换和俯仰弯矩pi控制器设计和偏航弯矩pi控制器设计得到独立变桨角增量；
6、通过采集叶根、塔基载荷和变桨角信号进行故障诊断和隔离；判断变桨执行器处于无故障、严重故障或非严重故障；如果是严重故障，则直接进行机组切出，流程结束；如果否，则进行下一步；
7、对于变桨执行器诊断为无故障或非严重故障状态，则进行容错控制，得到最终的独立变桨角控制指令，实现具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制。
8、作为优选方案，统一变桨控制基于发电机转速误差信号，采用增益调度pi控制策略得到统一变桨角，其中，比例增益、积分增益和增益校正因子计算公式如下：
9、
10、
11、其中，βcpc为统一变桨角；kp(βcpc)和ki(βcpc)分别为统一变桨控制器的比例和积分增益；id为低速轴的传动链惯性；ωr0为额定转子转速；ng为齿轮箱增速比；和分别为统一变桨控制器的阻尼率和固有频率；为气动功率paero对统一变桨角βcpc的偏导数；gf(βcpc)为无量纲增益校正因子；βk为变桨灵敏度是额定风速点2倍对应的叶片变桨角。
12、进一步地，独立变桨控制通过传感器测量三叶片叶根挥舞力矩和转子方位角，经过科尔曼坐标变换至轮毂坐标系的俯仰弯矩和偏航弯矩，以此作为独立变桨控制的反馈信号，进而设计俯仰与偏航载荷双pi控制器，再经科尔曼坐标反变换得到独立变桨角增量，具体如下：
13、科尔曼坐标变换为：
14、
15、其中，mtilt和myaw分别为轮毂俯仰弯矩和偏航弯矩；θ为风轮转子方位角，my1，mv2和mv3分别为测量的漂浮式风机叶片1、2、3叶根载荷；
16、俯仰与偏航载荷双pi控制器设计：
17、
18、其中，utilt和uyaw分别为俯仰和偏航桨距角控制量；是轮毂俯仰载荷误差，是轮毂偏航载荷误差，与分别为滤波后的俯仰弯矩和偏航弯矩；与为给定的俯仰弯矩和偏航弯矩参考值；与分别为俯仰弯矩pi控制的比例增益和积分增益；与分别为偏航弯矩pi控制的比例增益和积分增益；
19、科尔曼坐标反变换：
20、
21、和分别为变桨执行器1、2和3的独立变桨角增量。
22、进一步地，容错控制基于三叶片叶根载荷信号的无模型自适应控制理论，建立基于叶根载荷误差的多入多出非线性离散时间变桨执行器故障补偿系统模型，经过等价转化为紧格式动态线性化数据模型和代价函数设置，最终得到容错控制器，具体如下：
23、
24、其中，表示变桨执行器1、2和3的补偿因子；ρ表示步长因子，且ρ∈(0，1]；φγ(k)是伪雅可比矩阵，对任意时刻k，φγ(k)是有界的，因φγ(k)是未知的时变矩阵，需要进行参数估计；是伪雅可比矩阵的转置；me(k)＝[me1 me2 me3]t为k时刻每只叶片叶根载荷与三只叶片载荷均值的差值；为叶根载荷误差参考值；σ是补偿因子的权重系数且σ>0；
25、对伪雅可比矩阵φγ(k)进行参数估计可得：
26、
27、其中，是k时刻伪雅可比矩阵φγ(k)的估计值；是k-1时刻伪雅可比矩阵φγ(k-1)的估计值；δme(k)是叶根载荷误差增量，δme(k)＝me(k)-me(k-1)；δuγ(k-1)是k-1时刻的变桨执行器补偿因子增量矩阵，δuγ(k-1)＝uγ(k)-uγ(k-1)；是k-1时刻的变桨执行器补偿因子增量矩阵的转置；μ是伪雅可比矩阵的权重因子且μ>0；ε表示步长因子，用来防止伪雅可比矩阵φγ(k)过大。
28、进一步地，统一变桨角与独立变桨角增量叠加，再乘以变桨执行器的补偿因子得到最终的独立变桨角控制指令，计算公式如下：
29、
30、其中，和分别为变桨执行器1、2和3的补偿因子；为叶片1、2和3最终的独立变桨角控制指令；βcpc为统一变桨角；和分别为变桨执行器1、2和3的独立变桨角增量。
31、本发明的有益效果：
32、本发明所述的方法针对漂浮式风机变桨控制方法，该方法在原有独立变桨控制结构上，集成统一变桨控制模块、独立变桨控制模块、故障诊断与隔离模块和容错控制模块于一体，形成漂浮式风电机组容错独立变桨控制策略。其中，统一变桨控制模块采用基于发电机转速误差信号的增益调度pi控制策略，用于稳定输出功率在额定值；独立变桨控制模块采用基于转子方位角和三叶片叶根载荷信号的双pi控制策略，用于降低风切变影响的叶根不平衡循环载荷，并进一步改善功率调节性能；故障诊断与隔离模块采用叶根、塔基载荷和变桨角等信号进行故障诊断和隔离，用于区分无故障、严重故障和非严重故障；容错控制模块采用基于三叶片叶根载荷信号的无模型自适应控制策略，用于补偿故障执行器控制量输出，及时恢复变桨控制量至正常值。
33、本发明在变桨执行器无故障时，容错控制器控制输出接近1，此时与常规独立变桨控制策略控制输出几乎无差别，控制性能相当；在变桨执行器发生卡死等严重故障时，会及时进行故障诊断与隔离措施，此时机组执行紧急停机切出操作；在变桨执行器发生液压下降等非严重故障时，容错控制器会对变桨执行器进行控制动作补偿，快速恢复故障执行器至正常动作，避免功率超调和叶根、塔基载荷等发生较大分离和波动。
34、该发明不改变原有漂浮式风电机组变桨控制系统结构，也无需增加额外传感器，仅从软件层面进行改造升级，使常规独立变桨控制策略具备容错控制功能，具有性能好、易实现、成本低等优势。该发明可提升漂浮式风机容错控制能力，提高机组可靠性和发电效益，同时降低运维成本。
1.一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法，其特征在于：统一变桨控制基于发电机转速误差信号，采用增益调度pi控制策略得到统一变桨角，其中，比例增益、积分增益和增益校正因子计算公式如下：
3.根据权利要求2所述的一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法，其特征在于：独立变桨控制通过传感器测量三叶片叶根挥舞力矩和转子方位角，经过科尔曼坐标变换至轮毂坐标系的俯仰弯矩和偏航弯矩，以此作为独立变桨控制的反馈信号，进而设计俯仰与偏航载荷双pi控制器，再经科尔曼坐标反变换得到独立变桨角增量，具体如下：
4.根据权利要求3所述的一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法，其特征在于：容错控制基于三叶片叶根载荷信号的无模型自适应控制理论，建立基于叶根载荷误差的多入多出非线性离散时间变桨执行器故障补偿系统模型，经过等价转化为紧格式动态线性化数据模型和代价函数设置，最终得到容错控制器，具体如下：
5.根据权利要求4所述的一种具有容错功能的漂浮式风机独立变桨控制方法，其特征在于：统一变桨角与独立变桨角增量叠加，再乘以变桨执行器的补偿因子得到最终的独立变桨角控制指令，计算公式如下：
