Как итерации в реальном времени NMPC решают задачу управления морскими ветрогенераторами за 5 миллисекунд

Морские ветровые турбины с преобразователями полной мощности сталкиваются со сложной задачей управления. Требуется одновременное согласование отслеживания мощности, обеспечения электрической безопасности и снижения механических нагрузок. Нелинейное прогнозирующее управление (NMPC) предлагает системный подход к решению этой многоцелевой проблемы. Однако стандартные реализации часто не справляются со строгими вычислительными требованиями коммерческих турбин. Традиционные методы доводят нелинейную задачу программирования до полной сходимости на каждом шаге управления. Это приводит к временам вычислений, несовместимым с периодами управления от 10 до 100 миллисекунд, необходимыми для стабильной работы.

Существующие формулировки часто игнорируют критические жесткие электрические ограничения. Они также полагаются на дорогие лидарные системы для предварительного ввода скорости ветра, что ограничивает их практическое применение. Чтобы преодолеть эти ограничения, был предложен новый подход NMPC с итерациями в реальном времени. Этот метод выполняет усеченную итерацию в реальном времени на каждом шаге управления. Он реализует один неточный шаг последовательного квадратичного программирования. Этот шаг состоит максимум из пяти внутренних ньютоновских итераций параметрической нелинейной задачи.

Система использует инициализацию с горячей стартовой точкой и стратегию смещения решения для повышения эффективности. Амплитудные ограничения команды крутящего момента и мертвая зона напряжения постоянного звена включены как жесткие границы в прогнозной траектории внутри задачи оптимального управления. Кроме того, ограничение скорости изменения крутящего момента обеспечивается двойным механизмом. В функцию стоимости добавлен квадратичный штраф. На выходе решателя применяется жесткое насыщение плюс или минус 15 кН·м/с.

Контроллер использует авторегрессионный предиктор второго порядка для подачи сигнала опережения по скорости ветра на двухсекундный горизонт. Вес отслеживания мощности адаптируется на основе уверенности в прогнозе. Эксперименты показывают важность механизма смещения решения при горячей стартовой точке. Его удаление увеличивает среднеквадратичную ошибку отслеживания мощности на 370% при переходных процессах падения нагрузки сети.

Сравнительные симуляции в четырех режимах работы демонстрируют преимущества предложенного контроллера. Среднее время вычислений на шаг составляет от 3,796 до 4,313 миллисекунды. Это примерно на порядок быстрее стандартного NMPC. При падении нагрузки сети среднеквадратичная ошибка отслеживания мощности снижается на 78,1% по сравнению с ПИ-регулятором и на 78,5% по сравнению со стандартным NMPC.

Эти результаты подтверждают вычислительную осуществимость и инженерный потенциал электрически ограниченного RTI-NMPC без лидара. Такой подход обеспечивает согласованное отслеживание мощности и управление электрическими ограничениями в морских турбинах с преобразователями полной мощности. Возможность выполнения столь сложной логики управления в такие короткие сроки открывает новые возможности для надежной интеграции возобновляемой энергии. Для этого не требуется дорогостоящее внешнее сенсорное оборудование.