CN103061980A - 基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***及其控制方法，包括激光测风雷达、前馈控制器，前馈控制器包括数据处理单元和前馈逻辑单元，数据处理单元计算出实时的风速波动值ΔV，并将其发送至前馈逻辑单元；前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ并将其发送至变桨执行器。本发明增加风速前馈控制，降低风力发电机组的相关部件载荷，提高风力发电机组的输出特性，提高风力发电机组在极端风况下的安全性；对现有运行风机***不需做过多改造，同时具有广泛的适应性，能够在不同环境下使用，易实现，降低零部件载荷，提高风能利用率，降低成本。

Description

基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术，具体是一种对风况进行提前检测，并对检测信号进行提前响应的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制方法。

背景技术

风能由于具有分布广泛、可重复利用和技术成熟等优点，已经成为最具实用性的可再生能源形式之一。过去几十年中的最常见的风能利用方式是通过装有风轮的风力发电机组捕获风能进行发电。目前风力发电机组的风轮大多运行在近地边界层下部，风况受地表情况影响比较大，风速呈现随机性、突变性等特点，且风能是一种不受控资源，通过改变风况来提高风力发电机组的输出特性是不可能的。

目前风力发电机组的测风仪器主要是安装在机舱顶部的风杯和风向标，对于上风向风力发电机组来讲，测得的风速并不是到达风轮处的风速，而是经过叶片尾流影响的风速(如图2所示V2处风速)，不具有实时性。另外，风杯、风向标是机械式测量仪，具有转动惯量，而我国风机大部分安装在风沙大、气候寒冷的野外地区，容易受风沙侵蚀和结冰影响，造成测量精度低，易损坏。因此，测得的风速、风向一般用于偏航和功率曲线考核等，对于控制策略来说，不是一个可靠、有效的输入量。

目前的风力发电机组，无论双馈型还是直驱型机组，基本采用变速变桨控制，当达到额定功率以后，通过变桨控制来限制风功率的捕获，使输出功率和发电机转速稳定在额定点附近。正如前所述，由于风况的随机性、突变性，而风轮是一个具有很大转动惯量的部件，当阵风到达时，引起的转速上升就具有较大延迟，而转速上升再反应到变桨控制器输出，控制变桨执行器收桨，又具有很大时间延迟，两部分延迟合起来构成了一个时间常数很大的环节，因此很容易在阵风情况下造成超速。为了应对此种情况，一般考虑提高变桨速率，加快变桨响应时间，降低***的惯性，由此又引来另一个问题，变桨执行器动作太快会增加叶片和轮毂的载荷，同时由于桨叶变化太快，作用于叶片上的推力也会呈现周期变化特性，最终传导到塔筒上，增大了塔筒的弯矩载荷。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***及其控制方法，可以提高风力发电机组输出特性，降低部件设计载荷，提高风机安全性能。

本发明所采用的技术方案是：

基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***，所述前馈控制***包括激光测风雷达、前馈控制器、变桨控制器和变桨执行器，具体的：

激光测风雷达安装在风力发电机组的机舱顶部，测量风机正前方一定距离m的实时风速，并将其发送至前馈控制器；

前馈控制器包括数据处理单元和前馈逻辑单元，数据处理单元计算出实时的风速波动值ΔV，并将其发送至前馈逻辑单元；前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器；

变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ并将其发送至变桨执行器；

变桨执行器执行最终的变桨命令信号θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。

所述激光测风雷达可以定点聚焦,同时测量风机正前方若干个点的风速。

基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***的控制方法，包括以下具体步骤：

1)激光测风雷达测量同时测量风机正前方n个点的实时风速，并将其发送至前馈控制器的数据处理单元；

2)数据处理单元对上述实时风速进行加权平均，依下式计算：

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{v}_i$

式中：v_i为若干个点的实时风速、α_i为相应权值，选用中心值为Xm、方差为40的高斯型权函数，则V为风机正前方Xm处的实时的平均风速；

3)选择t时间内的实时平均风速V再求平均值，得到t时间内的风速稳态值Vt；

4)则t时间后、平均风速的波动值ΔV=V-Vt；

5)将风速波动值ΔV发送至前馈逻辑单元，前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器；

6)变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ，并将其发送至变桨执行器；

7)变桨执行器响应最终的变桨命令信号θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。

所述步骤5）中，对风力发电机组模型进行线性化后，得到风速波动ΔV对转速影响的传递函数为G₁和桨角对转速影响的传递函数为G₂，则前馈逻辑单元中：风速波动值ΔV对附加命令桨角的传递函数

式中k≤1，k为影响因子。

本发明所产生的有益效果是：

本发明的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***及其控制方法，是通过激光测风雷达测得风力发电机组前方一定距离的风速、风向信号，并把测得信号引入到控制算法中，在原有的控制基础上，增加风速前馈控制，降低风力发电机组的相关部件载荷，提高风力发电机组的输出特性，提高风力发电机组在极端风况下的安全性。本发明具有易实现，对现有运行风机***不需做过多改造，同时具有广泛的适应性，能够在不同环境下使用，而且对以后的大功率风机设计降低零部件载荷，提高风能利用率，降低成本具有重要意义。本发明对设备没有过多限制，选购设备容易，实现风险较小，具有很好的应用优势。

本发明主要有以下优点：

1、引入一个前馈控制环节，把风速看成是一种扰动，当风速发生波动时，不需要等到转速波动后再通过转速-变桨控制器来调节，而是直接响应风速波动，根据风速直接控制变桨执行器，提高了响应速度，降低了转速波动，提高了输出特性。

2、检测到阵风来临时，实行提前变桨，降低风机载荷，特别是在检测到极限风速时，可以提前收桨停机，保证风机安全。

3、检测到前方风向有大的变化时，可以提前偏航，提高风能利用率，若风向变化过大，超过设计最大偏航角度，可提前停机以保证安全。

4、在进行载荷计算时，需要对风进行建模，特别是在风场中下游风机不可避免会受到上游风机的尾流影响，因此尾流模型的合理性也可以通过实测的尾流风速来验证，通过实测数据来修正我们的仿真环境，提高载荷计算的准确性。

5、前馈控制器设计不影响***的稳定性，因此可以依旧按照原有的设计方法设计变桨转速控制器，在此基础上再进行前馈控制器设计，从而保证了新控制器具有良好的兼容性。

附图说明

图1是激光测风雷达的原理结构图；

图2是本发明激光测风雷达的测量位置示意图；

图3是本发明风力发电机组的前馈控制***的控制流程框图；

图4是本发明风速加权平均计算中采用的高斯型权函数(中心值=10m，方差=40)；

图5是本发明风速加权平均计算中采用的高斯型权函数(中心值=50m，方差=40)；

图6是本发明风力发电机组原理示意图；

图7是本发明前馈控制器的设计原理示意图。

图中标号表示：1-激光测风雷达、2-风向标、3-风杯。

具体实施方式

如图1～7所示，本发明是基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***，前馈控制***包括激光测风雷达1、前馈控制器、变桨控制器和变桨执行器，具体的：

激光测风雷达1安装在风力发电机组的机舱顶部，测量风机正前方一定距离m的实时风速，并将其发送至前馈控制器。

首先，考虑引入风速作为控制输入，但是前文提到的传统的测风仪器（如风向标2和风杯3）测得的风速不能用作控制量输入，因此、考虑采用新的测量风速方法。新的测量方法需要具有以下几个特点：能够检测风机前方较远一段距离的风速、风向情况；能够在多种复杂野外环境下工作；测量精度高、测量速度快；从现场施工角度讲，易于安装、测试和维护。

由于，测风激光雷达是以激光为光源向大气发射激光脉冲，接收大气粒子(主要是气溶胶粒子和大气分子)的后向散射信号，通过分析发射激光和散射激光的多普勒频移来计算出风速，其基本结构框图如图1所示。

激光测风雷达1包括激光发生器、发射器和接收器。激光发生器产生激光光束，发射器将激光光束沿风机正前方水平直线发射出去；激光束定点聚焦于需要测量的风速的位置；激光束碰到确定距离大气中的粒子后发生散射，接收器接收到散射回来的激光束，通过与发射时的激光束进行对比，得出测量点大气粒子的运动速度。由于大气中的气溶胶粒子对大气运动具有很好的跟随性，而如上面所述，大气粒子对激光束的散射主要是由气溶胶粒子和大气分子散射造成的，因此我们可以得出如下结论：

测量点处大气粒子的运动速度等于测量点处的风速。

因此，本发明选用激光测风雷达1作为风速的测量装置，通过激光测风雷达1可以定点聚焦，同时测量风机正前方若干个点的风速。图2表示一台水平轴上风向风力发电机组，通过安装在机舱顶部的激光测风雷达1，可以检测到风机前方来流的风速、风向信息(V1处的风速)。如此实现了对风况提前检测，实现了风机优化设计。

前馈控制器包括数据处理单元和前馈逻辑单元，数据处理单元计算出实时的风速波动值ΔV，并将其发送至前馈逻辑单元；前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器。

数据处理单元是风速输入处理单元。根据前面所述的激光测风雷达原理，激光测风雷达1可以进行定点聚焦测量某一确定位置的风速状况，因此我们采用检测风轮前方多个点处的风速，然后进行加权平均。通过改变聚焦位置，可以同时测量图2中A～F共N个点处的风况，然后给每个点测得的风速赋予一个权值，如下表所示：

表1-1风速权值

位置	风速	权值
			A	v1	α1
B	v2	α2
			C	v3	α3
D	v4	α4
			E	v5	α5
……	……	……
			F	vn	αn

然后对风速进行加权平均，就得到了我们前馈控制器的输入量，如公式(1)所示：

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{v}_i---\left(1\right)$

式中：v_i为若干个点的实时风速、α_i为权值，选用中心值为Xm、方差为40的高斯型权函数，则V为风机正前方Xm处的实时的平均风速。

激光测风雷达1可以测量风轮前方10m～300m范围内的风况，本具体实施方式中，我们选择每隔10m测量一个点，共测量10个点，权值函数我们分别选取两类权函数进行控制，如图4、5所示。

图4中权函数作为风轮前方10米处检测风速,可用于前馈控制输入；而图5中权函数作为风轮前方50米处预测风速，可用作提前停机,提前偏航等安全监督控制。

为求得实时的风速波动值，需要一个基准值与之进行比较，因此我们选择一定时间长度的平均风速(例如10分钟)作为基准值，即选择t时间内的实时平均风速V再求平均值，得到t时间内的风速稳态值Vt。

则t时间后，平均风速的波动值ΔV=V-Vt。

将风速波动值ΔV发送至前馈逻辑单元。

前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角的响应指令。具体的前馈逻辑单元的工作原理、逻辑关系如下：

如图6所示的风力发电机组的基本原理框图，风力发电机组的三个输入量分别是：风速、桨距角和发电机力矩，输出量为：发电机转速。

在额定风速以下，桨角在最优桨角，因此可以不用引入桨角控制，也就不用引入风速前馈控制。在额定风速以上，发电机力矩达到额定力矩，基本不发生改变，可以认为是一个恒定输入，因此变化的输入量只有两个，即：风速和桨角。

通过对风力发电机组模型进行线性化后，我们可以分别得到风速波动ΔV对转速影响的传递函数G₁和桨角对转速影响的传递函数G₂，而我们的目的就是在前馈逻辑单元内设计风速波动值ΔV对附加命令桨角的传递函数F来抵消或降低由于风速突变对转速的影响，具体结构框图如图7所示，风速波动值ΔV对附加命令桨角的传递函数式中k≤1，k为影响因子。

该传递函数F的推导关系如下：由于我们的目的是要使风速的波动ΔV对最终的输出转速V影响为零，也就有如下等式成立：

$F=\frac{G_1}{G_2}---\left(2\right)$

为了降低由于模型不准确而造成的控制器设计偏差，增加对一个影响因子k，即在(2)的基础上乘以影响因子得到如下公式：

$F=k\frac{G_1}{G_2}---\left(3\right)$

其中k≤1。

当模型偏差较大时，我们一个减小k值，减小前馈控制的效果，未被前馈控制器抵消的转速波动部分可以通过原有的变桨控制器来稳定。实际的控制框图，在原有的变桨转速反馈控制器基础上，增加一个风速前馈控制，如图3中方框中所示。

变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ并将其发送至变桨执行器。

变桨执行器执行最终的变桨命令信号θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。

如图3所示，基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***的控制方法，就是把激光测风雷达1监测到的风速作为控制输入量参与控制，在原有控制框图基础上，增加前馈控制器；通过前馈控制器对风速进行计算、得出变桨控制器的响应指令、并使之参与变桨***的控制。具体的：包括以下具体步骤：

1)激光测风雷达1测量同时测量风机正前方n个点的实时风速，并将其发送至前馈控制器的数据处理单元。

2)数据处理单元对上述实时风速进行加权平均，依下式计算：

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{v}_i$

式中：v_i为若干个点的实时风速、α_i为权值，选用中心值为Xm、方差为40的高斯型权函数，则V为风机正前方Xm处的实时的平均风速。

3)选择t时间内的实时平均风速V再求平均值、得到t时间内的风速稳态值Vt。

4)则t时间后、平均风速的波动值ΔV=V-Vt。

5)将风速波动值ΔV发送至前馈逻辑单元，前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器。

对模型进行线性化后、得到风速波动ΔV对转速影响的传递函数为G₁和桨角对转速影响的传递函数为G₂，则前馈逻辑单元中：风速波动值ΔV对附加命令令桨角影响的传递函数

式中k≤1，k为影响因子。

6)变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ，并将其发送至变桨执行器。

7)变桨执行器响应最终的变桨命令信号θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。

Claims (3)

1.基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***，其特征在于：所述前馈控制***包括激光测风雷达、前馈控制器、变桨控制器和变桨执行器，具体的：

激光测风雷达安装在风力发电机组的机舱顶部，测量风机正前方一定距离m的实时风速，并将其发送至前馈控制器；

前馈控制器包括数据处理单元和前馈逻辑单元，数据处理单元计算出实时的风速波动值ΔV，并将其发送至前馈逻辑单元；前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器；

变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ并将其发送至变桨执行器；

变桨执行器执行最终的变桨命令信号θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。

2.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***，其特征在于：所述激光测风雷达可以定点聚焦,同时测量风机正前方若干个点的风速。

3.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***的控制方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

1)激光测风雷达测量同时测量风机正前方n个点的实时风速，并将其发送至前馈控制器的数据处理单元；

2)数据处理单元对上述实时风速进行加权平均，依下式计算：

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{v}_i$

式中：v_i为若干个点的实时风速、α_i为相应权值，选用中心值为Xm、方差为40的高斯型权函数，则V为风机正前方Xm处的实时的平均风速；

3)选择t时间内的实时平均风速V再求平均值，得到t时间内的风速稳态值Vt；

4)则t时间后、平均风速的波动值ΔV=V-Vt；

5)将风速波动值ΔV发送至前馈逻辑单元，前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器；

6)变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ，并将其发送至变桨执行器；

7)变桨执行器响应最终的变桨命令信号θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。

根据权利要求1所述的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制***的控制方法，其特征在于：所述步骤5）中，对风力发电机组模型进行线性化后，得到风速波动ΔV对转速影响的传递函数为G₁和桨角对转速影响的传递函数为G₂，则前馈逻辑单元中：风速波动值ΔV对附加命令桨角的传递函数

式中k≤1，k为影响因子。

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