2024中国可再生能源大会：融合数据驱动与频率分解的浮式风机系泊张力超短期预测实测应用

作者：康艺柔，程正顺，许波峰，陈鹏，胡志强目录研究背景浮式风机系统：运维是浮式风电场全生命周期成本中最重要部分之一 水动力 浮式风机空气动力 风浪流运维成本高运维成本高Source:/wind-farm-costs/332024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU4研究背景4高故障率和短间隔：超短期(Ultra-Short-Term<5分钟)预测可避免潜在故障发生浮式风机系统及其各部件的故障概率预测2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU5研究背景5水池模型测试特点：可控环境挑战：缩尺问题设备要求高数值验证实时测试特点：可靠数据挑战：有限的公开数据水池模型测试特点：可控环境挑战：缩尺问题设备要求高数值验证实时测试特点：可靠数据挑战：有限的公开数据存在不确定性数值模拟数值模拟挑战：准确性需改进依赖先决条件2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU6研究背景6AI应用：长短期记忆（LongShort-TermMemory，LSTM）网络具有进行超短期预测的可行性。风机功率预测风机功率预测浮式生产卸油轮的系泊张力预测浮式生产卸油轮的系泊张力预测2024-8-17©康艺柔|SJTU2024-8-17©康艺柔|SJTU目录8方法论8LSTM-FD：基于频率分解（FD）和LSTM网络的浮式风机动力响应超短期预测方法带通滤波独立预测预测网络预测网络子带1信号叠加子带信号1子带1预测结果训练预测子带2预测网络训练预测子带2预测网络全频带预测结果原始信号子带信号子带信号2子带2预测结果 滤波 叠加训练预测子带n预测结果 滤波 叠加训练预测子带n预测结果子带信号子带信号n子带n预测网络训练预测训练预测2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU9方法论9原始信号的频域分解预处理：复杂频率分量的浮动风机响应增加了超短期预测的难度原始信号的频域分解系泊张力的功率谱密度分析系泊张力的功率谱密度分析2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU方法论编-解码器LSTM网络：更灵活性、泛化能力更好，有效处理长序列并捕捉时间依赖性移动窗口移动窗口编-编-解码器LSTM网络2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU方法论超短期预测：基于子信号LSTM网络，通过叠加原理获得全频带预报++2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU目录HywindScotland漂浮风场：自2017年开始运营，拥有五个6MW的立柱式浮式风机iiin2wavebuoyMooringlineElectricallineTurbineAnchor2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU锚泊系统：基础平台通过一个三点系泊系统固定特性值单位水深m锚的半径640m系泊点的吃水深度20.6m系泊缆的数量3-外壁连接点0.8m分段名称（从上到下）锚链-分段长度609.7m直径杨氏模量5394143624分段干重348.5432.2kg/m分段湿重3.40303.8707系泊系统的具体参数Line3,bridle2Linebridle2Line3,bridle1Linebridle2Line3,bridle1Linebridle1Line2,bridle2NorthLinebridle1Line2,bridle2BridleupperendBridles------""FloaterBridleupperendBridles------""Floater/Mainline2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU案例分析：2018年1月至7月的实测数据，工况5为测试集，其余数据用于训练集Hsθwaveθwindms1234567892024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU系泊张力分析：Line1-b1和Line3-b2的实际测量值低于590kN广泛的分布范围并存在较多离群值原始测试数据乙由纵荡引起由纵荡引起频率(Hz)2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU目录结果和讨论网络验证：在10秒、30秒和60秒的系泊张力预报均方误差（MSE）平均绝对误差（MAE）2024-8-17©2024-8-17©康艺柔|SJTU结果和讨论是否考虑频率分解的预测时历结果对比：考虑频率分解的预测精度吻合较好2024-8-17©康艺柔|SJTU2024-8-17©康艺柔|SJTU20结果和讨论20是否考虑频率分解的预测统计结果对比：LSTM-FD的最大预测误差基本保持在5%以内有FD(~3%)无FD(~15%)有FD(~5%)有FD(~3%)有FD(~3%)2024-8-17©康艺柔|SJTU2024-8-17©康艺柔|SJTU21结果和讨论21LSTM-FD：在低频范围内预测结果表现良好，在功率谱密度（PSD）分析中表现更佳不同区间内，超前10秒预报结果对比超前10秒预报中，1-b1系泊张力的功率谱结果凶凶时间时间(S) 2024-8-17©2024-8-17