1 导读

针对海上漂浮式风机变桨控制器调优中面临的安全风险，本文提出一种基于安全贝叶斯优化（SafeBO）的控制框架。该方案解决了传统方法难以兼顾安全与性能的矛盾，在确保全工况无安全风险的同时，实现了独立变桨控制器的自动寻优。研究结果显示，在保证风机发电功率稳定的同时，该方法将浮式平台与塔筒载荷分别降低20.8%和11.0%。这一安全设计框架为风电控制系统的自主、鲁棒优化提供了高效的实用方案。

Citation：

Fu A, Liu Y, Lan J, et al. A safe-by-design approach based on safe Bayesian optimization for tuning individual pitch controllers on floating offshore wind turbines. Ocean, 2025, 1(1): 9470012.

DOI:https://doi.org/10.26599/OCEAN.2025.9470012

2 背景介绍

浮式海上风电是未来深远海风能开发的核心技术。然而，漂浮式平台在风、浪、流的联合作用下运动剧烈，给风机带来了严峻的疲劳载荷挑战，直接影响其使用寿命和度电成本。独立变桨控制作为一种先进的控制策略，能有效抑制非对称载荷，但其控制器参数的优化整定是一个非常复杂的高维难题。

目前的参数调优多依赖于群体智能优化或贝叶斯优化等黑箱算法。这些算法在设计上未包含对安全边界的约束，导致在探索最优解时可能产生违反物理约束的参数组合。这类异常参数一旦应用于实际工况，将导致桨叶疲劳损伤加速、平台运动失稳等结构损坏风险。因此，缺乏安全约束机制是阻碍控制器调优向自动化、智能化转型的挑战。

3 图文介绍

3.1 寻优过程的安全性对比

图 1 BO、CBO与所提SafeBO优化过程对比

图 2 PSO 优化过程

可以观察到，标准BO、CBO和PSO算法在寻优过程中出现了多次显著的峰值，这些峰值对应着桨叶疲劳损伤加速、平台失稳等物理风险。相比之下，SafeBO（红色柱状图）在整个迭代过程中始终保持在预设的安全阈值以下，实现了真正意义上的安全调优。

3.2 综合优化性能分析

表1 等效疲劳载荷分析

图 3 各算法调优后控制性能指标归一化雷达图（靠近中心点代表性能更优）

在发电功率（Power）、叶根载荷（RootMyb）、平台纵摇（Pitch）等多项关键指标上，SafeBO 的表现与未加安全约束的 PSO 和 BO 算法非常接近。证明了 SafeBO 框架能够有效平衡安全与性能之间的矛盾，在确保寻优过程安全的同时，依然能大幅降低 20.8% 的平台纵摇和 11.0% 的塔筒疲劳载荷。

3.3多工况鲁棒性验证

图 4 六种代表性环境工况下的安全性对比分析

结果显示，无论在何种波浪或风速组合下，SafeBO 都能在安全参数区间内采样寻优，而常规BO与CBO在所有工况下均表现出不可控的安全违规。证明了 SafeBO 框架在复杂真实环境下的可靠性与应用潜力。

3.4 统计鲁棒性验证

表 2 SafeBO 算法多随机种子统计鲁棒性分析结果

在完全不同的随机风浪激励序列下，SafeBO 算法表现出较高的一致性。实验数据显示，三次独立运行的最优目标函数值偏差小，相对标准差（RSD）仅为 2.53%，表明无论海况如何波动，算法均能可靠地收敛至高质量、安全的解空间。

4 总结与展望

海上漂浮式风机（FOWT）控制器的调优面临性能追求与安全风险的挑战。本研究提出了一种基于安全贝叶斯优化的框架，主要结论如下：

（1）与传统算法（标准BO、CBO、PSO）在寻优过程中频繁触碰风机安全不同，SafeBO 在所有测试工况及关键指标下均保证了风机安全性。

（2）这种对风机寻优安全的保护并未削弱优化效果。在 6.8 米有义波高的海况下，SafeBO 调优后的控制器将塔筒和叶片的疲劳载荷分别降低了 12.8% 和 35.1%，实现了安全与性能的平衡。

尽管 SafeBO 在高保真仿真环境下展现了显著优势，但迈向实际工程应用仍需跨越最后一道门槛。研究团队下一步计划开展硬件在环测试。通过引入实时计算约束与硬件设备限制，进一步验证算法在真实物理环境下的可靠性与鲁棒性。

5 作者简介

通讯作者 刘彦华

山东大学

山东大学电气工程学院助理研究员、硕士生导师，英国赫尔大学博士，入选山东大学“青年学者未来计划”，《分布式能源》&《山东电力技术》青年编委。长期在漂浮式海上风机控制领域深耕多年，致力于解决深远海风能捕获过程中的安全性与效率博弈难题。先后主持国家自然科学基金青年项目、山东省/广东省自然科学基金面上项目及多项企业横向课题。其研究成果广泛发表于Renewable Energy, Ocean Engineering等国际顶级期刊。获日内瓦发明展创新发明奖金奖、山东省电器仪表工业科学进步一等奖、全国高校电气类专业青年教师实践教学设计创新大赛二等奖等荣誉。

期刊简介

《海洋（英文）》（Ocean）是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，主编团队由挪威科技大学的Torgeir Moan院士、中国科学院的王中林院士、以及清华大学的张建民院士共同组成。《海洋（英文）》致力于发布海洋科学、海洋工程、海洋科技领域相关的最新研究进展，通过开放获取的出版模式提升成果传播速度与影响力，助力科研合作与创新，启幕海洋相关领域的学术新征程。

收稿范围包括但不限于：海洋生物学与海洋生物制药、海洋生物地球化学过程、海洋地球科学、海洋自然资源、大气与气象学、海洋污染与生态学、海洋化学、海洋数学、遥感、海洋声学与光学、海洋环境与预测、海洋自动化与机器人技术、海洋信息学与数字孪生、海洋灾害与防治、海洋采矿、近海与海岸工程结构、海洋岩土工程、水产养殖工程、流体力学、水动力学、海底工程等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。

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