CN109416021A

CN109416021A - 风力涡轮机的基于激光雷达的多变量前馈控制

Info

Publication number: CN109416021A
Application number: CN201780041984.XA
Authority: CN
Inventors: 大卫·施利夫; 霍尔格·弗斯特; 弗洛里安·海茨曼; 斯蒂芬·拉奇
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: US20190257289A1; CN109416021B; EP3482070C0; WO2018007011A1; EP3482070B1; EP3482070A1; DE102016212362A1; US10844838B2

Abstract

总之，本发明涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：‑向前馈送控制器，其具有风力涡轮机的转子有效风速作为输入参数并且具有多个输出参数；‑反馈控制器，其中输入参数是基于风力涡轮机的转子速度或发电机速度并且具有至少一个输出参数；并且其中，ο向反馈控制器提供向前馈送控制器的一个输出参数作为输入参数，以及ο将向前馈送控制器的另一输出参数用作用于控制风力涡轮机的向前馈送控制参数，以及ο将反馈控制器的一个输出参数用作用于控制风力涡轮机的反馈控制参数，以及涉及一种风力涡轮机和一种控制方法。

Description

风力涡轮机的基于激光雷达的多变量前馈控制

技术领域

激光雷达技术的当前进展提供在控制设计中包括风力预览信息的可能性。激光雷达辅助的总距控制是用于降低满载荷操作的转子速度变化和结构载荷的简单但有希望的方法。该工作将这种方法延伸到部分载荷操作与满载荷操作之间的过渡。提出了一种多变量控制器，该多变量控制器基于非线性系统反演来提供对发电机扭矩速率和最小桨距角的简单更新。发电机扭矩速率和最小桨距角的前馈信号可以与传统反馈控制器和总距前馈控制器相结合以用于满载荷操作。这有助于商用风力涡轮机上的模块化应用。使用全气动弹性风力涡轮机模型和激光雷达模拟器进行的模拟显示出改进的转子速率调节和塔筒载荷(tower load)的显著降低，同时仅稍微降低功率。此外，概述了将载荷降低转换成能量增加的可能性。

背景技术

激光雷达是技术人员已知的通过用激光照亮目标来测量距离的测量技术。激光雷达(Lidar)是光探测和测距的首字母缩略词，并且最初创建为“光”和“雷达”的混成词。激光雷达普遍用作进行高清晰度映射的技术，应用于测地学、测绘学、考古学、地理学、地质学、地形学、地震学、林学、大气物理学、机载激光条带测绘(ALSM)以及激光测高。所谓的激光雷达有时简称为激光扫描或3D扫描，具有陆地应用、空中应用和移动应用。

激光雷达使用紫外光、可见光或近红外光对物体成像。其目标可以是广泛范围的材料，包括非金属物体、岩石、雨、化学化合物、气溶胶、云以及甚至单个分子。窄激光束可以以极高的分辨率来映射物理特征；例如，飞机可以在30cm分辨率或更好的分辨率下映射地形。

激光雷达已经广泛地用于大气研究和气象学。装配到飞机和卫星的激光雷达仪器实施测量和映射—最近的示例是美国地质调查实验高级机载研究激光雷达(U.S.Geological Survey Experimental Advanced Airborne Research Lidar)。NASA已经将激光雷达视作用于实现未来机器人和载人月球登陆飞行器的自主精确安全登陆的关键技术。

波长改变以适应目标：从约10微米到UV(大约250nm)。通常，经由反向散射来反射光。不同类型的散射用于不同的激光雷达应用：最常见的瑞利散射、米氏散射、拉曼散射、以及荧光。基于不同种类的反向散射，激光雷达可以相应地被称为瑞利激光雷达、米氏激光雷达、拉曼激光雷达、Na/Fe/K荧光激光雷达等。波长的适当组合可以允许通过识别返回信号的强度的波长相关变化来远程映射大气内容。

激光雷达辅助控制已经变成风力涡轮机控制界的重要研究课题。在最初的现场测试期间，总距前馈控制在若干次现场测试中能够在满载荷操作期间降低转子速度变化和结构载荷。在部分载荷操作期间，激光雷达辅助的扭矩控制仅显示关于功率产生的边际益处，同时对结构载荷产生负面影响。仅使用总距的非线性模型预测控制(NMPC)在满载荷操作期间提供与总距前馈控制类似的性能，但在另外使用发电机扭矩在部分载荷操作与满载荷操作之间的过渡上显示出改进的性能。尽管NMPC在计算方面变得越来越有效，但更换反馈控制器使得它对涡轮机制造商不太有吸引力。基于平坦度的方法允许基于转子速度和塔筒运动的轨迹来计算控制动作，并且也在过渡区域显示出改进的控制性能，但难以调谐。在该工作中，提出替代方案，其可以更容易应用且仍显示出显著的改进。

因此，基于当前技术水平，需要在部分载荷与满载荷之间的过渡中改进对风力涡轮机的速度的控制，以增加能量产量并且降低结构载荷。然而，直到现在，仅通过在过渡中使用反馈控制器来解决所识别的问题，即，控制器只能对诸如发电机速度的涡轮机信号的变化作出反应。用于风力涡轮机的基于激光雷达的前馈控制器到目前为止仅在部分载荷期间用于发电机反扭矩或者在满载荷期间用于总叶片角。在部分载荷与满载荷的过渡期间，目前为止不存在基于激光雷达的前馈控制器。

通常，用于风力涡轮机的反馈控制只有在到来的风场的变化已经影响涡轮机的结构时才作出反应。同样地，现有基于激光雷达的前馈控制器无法用于部分载荷到满载荷之间的过渡。本发明试图改进转子速度控制、减少结构载荷、以及增加过渡中的能量产量。

这通过分别根据权利要求1和14所述的一种用于风力涡轮机的控制系统和一种用于控制本发明的风力涡轮机的控制方法来实现，具体地，经由对总叶片角和发电机反扭矩进行同时前馈控制并且分成频率区域来实现。从属权利要求中包含优选实施方式。

技术人员已知，风力涡轮机从风中提取能量。在本申请的领域中，应理解，在风力涡轮机的下游存在来自风力涡轮机的尾流，其中风速降低和/或风中可以出现湍流。随着流动继续向下游进行，尾流扩展并且尾流朝向自由流状态恢复。尾流效应是对风电场的能量产生的总体影响，这是通过涡轮机对彼此的影响而产生的风速的变化而导致的。重要的是要考虑来自相邻风电场的尾流效应以及将来会建立的风电场的可能影响。

换句话说，尾流是风力涡轮机(功率转换器)的能量提取的结果并且它在风力涡轮机的能量提取之后出现。在尾流中，速度降低并且湍流强度增加。谈及尾流的(经验)效应，可以观察到速度不足、尾流衰减、尾流重新定向、以及尾流曲折。

根据技术人员的知识，将发电机扭矩计算为经滤波的发电机速度的列表函数，其包含五个控制区域：1、1 1/2、2、2 1/2和3。区域1是切入风速之前的控制区域，其中发电机扭矩为零并且没有从风中提取功率；相反，风用来使转子加速以便启动。区域2是用于优化功率捕获的控制区域。此处，发电机扭矩与经滤波的发电机速度的平方成比例，以维持恒定(最佳)叶尖速度比。在区域3中，发电机功率维持恒定，以使得发电机扭矩与经滤波的发电机速度成反比。区域1 1/2(启动区域)是区域1与2之间的线性过渡。这个区域用来对发电机速度设置下限，以限制风力涡轮机的操作速度范围。区域2 1/2是区域2与3之间的线性过渡，其中扭矩斜率对应于感应式电机的斜率。区域2 1/2是用于在额定功率下限制叶尖速度(以及因此噪声排放)通常所需的(如任何5MW涡轮机的情况)。

术语“向前馈送”和“前馈”在该文本中被视作等效并且可以互换地使用和阅读。

发明内容

本申请的一个方面涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：

-向前馈送控制器，其具有风力涡轮机的转子有效风速作为输入参数并且具有多个输出参数；

-反馈控制器，其中输入参数基于风力涡轮机的转子速度或发电机速度并且具有至少一个输出参数；以及

其中，

□将向前馈送控制器的一个输出参数提供给反馈控制器作为输入参数，以及

□将向前馈送控制器的另一输出参数用作用于控制风力涡轮机的向前馈送控制参数，以及

□将反馈控制器的一个输出参数用作用于控制风力涡轮机的反馈控制参数。

有利地，如本申请中描述的系统不那么复杂和难懂，具体地，与传统上已知的系统和方法相比，不那么计算密集。此外，有利地，如本申请中描述的系统将发电机扭矩速率和最小桨距角的前馈信号与传统反馈控制器和总距前馈控制器有效地结合以用于满载荷操作。此外，有利地，(平均)桨距角可以在部分载荷操作中调节，由此导致风电场的更高能量输出。

换句话说，本申请涉及一种激光雷达辅助的前馈控制器，其优选地是所要求保护的系统的部分和/或被其涵盖，其中控制器在部分载荷操作与满载荷操作之间的过渡期间命令总叶片桨距和发电机扭矩。

有利地，该系统提供和/或允许与满载荷操作激光雷达前馈控制器直接结合。

进一步有利地，系统提供和/或允许直接附加到任何商用反馈控制器。

就更高能量产量或结构载荷减低而言，该系统允许利用遥感信息的益处。

有利地，该系统独立于测量系统(不专用于一个制造商或系统类型)和/或独立于涡轮机类型。

优选地，控制器用在风力涡轮机的2.5区域中。有利地，提供一种比较简单、可高度适用于风力涡轮机的方法。

术语“转子有效风速”是本领域的技术人员已知的。如在例如“风力涡轮机的激光雷达辅助控制概念”(David Schlipf的论文，其以全文引用的方式包括在此)中定义，转子有效风速是导致风力涡轮机与不均匀湍流风场(转子盘上定义的3D矢量场)相同或可比较的动态效应的标量风速。其可以利用或不利用加权而计算为转子盘的平均值。

进一步优选地，

□向反馈控制器提供向前馈送控制器的一个或多个输出参数作为输入参数，以及

□将向前馈送控制器的一个或多个其他输出参数用作向前馈送控制参数以用于控制风力涡轮机，以及

□将反馈控制器的一个或多个输出参数用作反馈控制参数以用于控制风力涡轮机。

根据控制系统的实施方式，风力涡轮机的向前馈送控制参数控制风力涡轮机的转子叶片的桨距角。

有利地，由于应用转子叶片的桨距角，控制器可以容易在传统系统中实施并且可以用在2.5区域中。进一步有利地，由于应用转子叶片的桨距角，控制器可以容易地与仅基于桨距角控制的3区域中的传统控制器结合使用。

进一步有利地，与仅基于控制扭矩的2.5区域中的传统转子相比，根据本申请的控制器允许增加可以由风力涡轮机获得的功率增益。

根据控制系统的实施方式，风力涡轮机的反馈控制参数控制风力涡轮机的电力发电机的扭矩。

有利地，由于应用扭矩，控制器可以容易在传统系统中实施并且可以用在2.5区域中。进一步有利地，由于应用扭矩，控制器可以容易与仅基于扭矩的2区域中的传统控制器结合使用。

根据控制系统的实施方式，提供给反馈控制器作为输入参数的向前馈送控制器的输出参数是更新后的发电机扭矩速率。

根据控制系统的实施方式，用作风力涡轮机的向前馈送控制参数的向前馈送控制器的输出参数是转子叶片的更新后的桨距角。

根据控制系统的实施方式，使用激光雷达装置来获得转子有效风速。

根据控制系统的实施方式，基于输入参数并且假设不需要风力涡轮机的转子和塔筒运动的动力学来计算向前馈送控制器的输出参数。

根据控制系统的实施方式，计算向前馈送控制器的输出参数，使得转子有效风速对转子和塔筒运动的影响得到补偿。

根据控制系统的实施方式，期望的转子速度随时间推移发生的变化减小、优选地等于零，和/或风力涡轮机的塔筒的前后位移随时间推移发生的变化减小、优选地等于零，和/或其中风力涡轮机的塔筒的前后位移的加速度减小、优选地等于零。

根据控制系统的实施方式，控制系统用于在从空气动力学最佳的操作到满载荷操作的过渡中控制风力涡轮机。

根据控制系统的实施方式，控制系统被限于在从空气动力学最佳的操作到满载荷操作的过渡中控制风力涡轮机。

根据控制系统的实施方式，

○反馈控制器恰好具有一个输出参数，以及其中

○向前馈送控制器恰好具有两个输出参数。

在实施方式中，反馈控制器可以具有两个或更多个输出参数，诸如转子叶片的扭矩和/或桨距角。然而，当应用在2.5区域中时，仅使用一个参数，即扭矩。换句话说，在这样的情形下，仅输出一个参数，即扭矩。

本发明的一方面涉及一种风力涡轮机，其包括根据本发明的控制系统、电力发电机、以及多个转子叶片。

本发明的一方面涉及一种用于控制风力涡轮机的控制方法，其包括以下步骤：

-获得风力涡轮机的转子有效风速并且将转子有效风速作为输入参数提供给向前馈送控制器；

-由向前馈送控制器提供被称为向前馈送控制参数的一个输出参数以用于控制风力涡轮机；

-由向前馈送控制器提供被称为向前馈送输入参数的另一输出参数，作为反馈控制器的输入参数；

-由反馈控制器提供被称为反馈控制参数的一个输出参数以用于控制风力涡轮机，其中所述反馈控制参数至少基于所述向前馈送输入参数和风力涡轮机的转子速度或风力涡轮机的电力发电机的发电机速度。

根据实施方式，重复地实施步骤中的一个或多个。具体地，迭代地实施步骤中的一个或多个。根据优选实施方式，使用该方法的步骤中的一个或多个的结果中的一个作为剩余方法步骤中的一个或多个的输入。由于参数和/或值的该反馈，通过迭代方式，该方法允许提供对风力涡轮机的改进控制。

附图说明

图1示出用于简化的非线性模型的自由度。

图2示出利用风速级对反馈控制器设计的检查，用灰色示出期望行为并且用黑色示出全模拟模型。

图3示出具有反馈和多变量前馈的控制环路。

图4示出针对偏离12m/s的风速将风力涡轮机维持在其稳定状态所必要的桨距角和发电机扭矩。

图5示出对12m/s的小阵风作出的反应，其中示出仅用于反馈控制器(灰色)以及具有附加前馈(黑色)的完美风预览。

图6示出对湍流风场作出的反应。顶部画面示出转子有效风速(灰色)及其激光雷达估计(黑色)。其余画面示出仅有反馈控制器(灰色)以及具有使用模拟的激光雷达测量值的附加前馈(黑色)。

图7示出1小时模拟的功率谱密度：仅有反馈控制器(灰色)以及具有附加前馈(黑色)。用红色示出所使用的滤波器的拐角频率。

图8示出在12m/s和额定转子速度下的功率系数。通过将最小桨距角从0度(灰色)变成-1度(黑色)，功率系数可以从0.4668增加到0.4699(0.66％)。

具体实施方式

I.风力涡轮机的建模

在本研究中，使用5MW参考涡轮机的全模型进行模拟。使用相同涡轮机的简化版本用于控制器设计。

A.全模拟模型

利用气动弹性模拟工具FAST完成模拟。在FAST中，由经历来自空气动力学的外力的柔性多体系统对陆上风力涡轮机结构建模。结构模型表示诸如塔筒、叶片和传动系的柔性部分的动力学。在模拟中实现以下15个自由度(DOF)：三个叶片的第一和第二拍打模式和第一沿边模式、第一和第二侧到侧和前后塔筒弯曲模式、转子运动、以及传动系柔性。两种不同类型的风输入文件可以加载到空气动力学子系统。诸如风速、方向和剪切的风特性的相干时间序列用于章节IV-A中的极端载荷计算。利用湍流三维风场在由TurbSim生成的转子盘上完成章节IV-B中的疲劳模拟。在这两种情况下，通过应用叶素动量理论来迭代地计算沿着叶片的气动力并将其转移到结构模型。所描述的模拟工具已经被证明具有可靠的准确性，这说明其应用作为本工作中的全模拟模型是合理的。

B.简化的控制器设计

因为气动弹性模型的复杂性以及空气动力学的迭代计算，气动弹性模型对控制器设计没有用。此处，使用做了一些小改变的来自基于平坦度的方法的SLOW(简化低阶风力涡轮机)模型。类似于全模拟模型，SLOW由简化的伺服弹性和空气动力学模块组成，见图1。

在伺服弹性部分中，只考虑第一塔筒前后弯曲模式和旋转运动：

等式(1a)对转子动力学建模，其中Ω为转子速度，M_a为空气动力学扭矩，以及MG为发电机扭矩。此外，i_GB为齿轮箱变速比，以及J为转子和轮毂围绕旋转轴线的惯性矩的总和。等式(1b)描述塔筒前后动力学，其中F_a为空气动力学推力，x_T为塔筒顶部前后位移，x_0T为静态塔筒顶部前后位移，以及m、c和k分别为塔筒等效模态质量、结构阻尼和弯曲刚度。

在空气动力学部分，作用于具有半径R的转子上的空气动力学扭矩和推力为

其中ρ为空气密度，λ为叶尖速度比、定义为：

并且c_p和c_T分别为有效功率和推力系数。使用二维查找表来获得这些系数，这些系数是利用全模拟模型从稳定状态模拟中预先计算的。相对风速vrel用于对空气动力学阻尼建模并且被定义为塔筒顶部速度与转子有效风速v₀的叠加：

II.激光雷达测量的模拟

对于总距和发电机扭矩的激光雷达辅助控制，需要对转子有效风速v₀的预览。当前激光雷达技术提供通过反向散射光在涡轮机的前面测量气溶胶的速度的可能性。由于激光雷达测量的限制，只能提供对转子有效风速v_0L的激光雷达估计。此处，利用激光雷达模拟器来扫描应用于气动弹性模拟的相同通用风场。扫描轨迹经过优化以基于已知工作来提供用于NREL 5MW风力涡轮机上的测量的最佳相干带宽。

使用Taylor的冻结湍流假设(其假设湍流风场的移动不受平均风速影响)来模拟测量以及用于风速估计。此处，将所有的测量聚缩到转子有效风速v_0L的激光雷达估计。

III.控制器设计

在这个章节中，设计用于过渡区域的反馈控制器。随后，论述基于平坦度的方法的优点和缺点。最终，针对完美和现实风预览的情况，导出激光雷达辅助的多变量前馈控制器。

A.反馈控制器

在本工作中，只考虑空气动力学最佳的操作(“区域2”)与满载荷操作(“区域3”)之间的过渡(通常被称为“区域2.5”)。用于5MW参考风力涡轮机的基线反馈控制器以10.3m/s和Ω＝11.7rpm离开区域2，并且随后与增加的旋转速度成线性地调整发电机扭矩M_G，直到以11.3m/s且Ω_rated＝12.1rpm到达区域3。

然而，商用风力涡轮机通常使用PI扭矩控制器。优点在于，涡轮机可以在更大范围上以空气动力学最佳性操作，并且可以调谐闭环行为。通常通过使用区域2的最佳状态反馈调整扭矩PI控制器的下限来完成过渡到区域2。通常，除了速度误差之外，桨距PI控制器中还需要包括扭矩或功率误差项，以便平滑过渡到区域3并且防止桨距在低风速期间起作用。

对于本工作，通过使用闭环成形方法根据总距控制器设计来设计发电机扭矩反馈控制器(FB)。转子运动(1a)在12m/s处线性化，并且选择比例和积分增益，使得从风速v₀到发电机速度Ω_G＝Ωi_GB的闭环具有0.7的阻尼和0.6rad/s的自然频率。全模拟模型对从12m/s到12.1m/s的风速级的响应接近期望行为，见图2。偏差是因为设计方法中忽略了发电机扭矩滤波器和动力学。

额定功率增加到8MW以具有足够大的区域2.5(现在处于10.6m/s到13.6m/s的范围内)来测试所设计的反馈和前馈控制器。增加相同大小的风力涡轮机的额定功率而同时保持相同的转子和转子速率已经由行业完成，并且因此似乎是现实场景。具有6.2MW的额定功率的Senvion 6.2M126是基于具有5MW的5M。Enercon E-126的额定功率从6MW增加到7.6MW。更多细节可以见公司网站。

在本文中不进一步考虑桨距反馈控制器，因为所有的模拟仅在区域2.5中执行，其中桨距角被限于θ_min＝0度。

图3示出整个控制环路。

B.基于平坦度的方法的优缺点

已经介绍了基于平坦度的前馈控制器。基于风速预览并且考虑到系统约束，在操作期间持续地设计转子速度和塔筒运动的轨迹，并且利用反演风力涡轮机模型转译成桨距角和发电机扭矩的轨迹。规划该轨迹以最小化在部分载荷操作与满载荷操作之间的过渡期间的塔筒移动。该方法具有以下优点：

+前馈控制器是非线性的并且可以在不调度的情况下用在所有区域中。

+通过桨距角和发电机扭矩的前馈来直接减少塔筒和转子运动。

+其可以与传统反馈控制器相结合。

+如果利用风预览检测到问题，那么所有的前馈信号具有零均值并且可以设置为零。

+与NMPC相比，在计算方面不那么昂贵。

然而，与已知文献中使用的总距前馈控制器相比，也存在缺点：

-难以调谐转子和塔筒运动的轨迹规划。

-桨距角和发电机扭矩轨迹不是直接设计的并且可能会导致极端输入。

-整体概念相当复杂。

接下来的小章节中呈现的前馈控制器没有这些缺点，但也通过将用于区域2.5的基于平坦度的方法线性化和简化而放弃了第一个优点。可以保持其他优点。

C.基于简化计算的多变量扩展

在三个主要步骤中导出基于简化计算的多变量扩展(MESCAL)：

1)控制动作的计算。

2)线性化和控制动作。

3)与反馈相结合。

在第一步骤中，使用基于平坦度的控制器的反演模型来计算期望的发电机扭矩和桨距角，以针对给定的操作点减轻转子有效风速v₀的变化对转子和塔筒运动的影响。与基于平坦度的前馈控制器相比，没有设计用于转子和塔筒运动的动力学在期望转子速度Ω_d＝Ω_rated的情况下并且使用(3)，期望的叶尖速度比λ_d为：

利用期望的塔筒顶部位移x_T，d并且使用(1b)和(2b)，期望的推力系数为：

其中F_a，d＝k(x_T，d-x_0T) (6)

使用查找表c_T(λ，0)的反演θ(λ，c_T)，可以得到期望的桨距角

θ_d＝θ(λ_d，c_T，d) (7)

最后，可以使用(1a)和(2a)来得到期望的发电机扭矩MG，d：

如果SLOW模型的发电机扭矩和桨距角遵循期望值M_G，d和θ_d，那么转子和塔筒运动不受改变风速v₀的影响。为了使控制动作可视化，针对v_op＝12m/s处的操作点和±0.5m/s的风速来计算M_G，d和θ_d，并且在图4中绘出。

在第二步骤中，将M_G，d和θ_d近似为v₀与回归系数a_G、b_G、a_P和b_P的线性函数。

M_G，d≈a_G+b_G(v₀-v_op) (9a)

θ_d≈a_P+b_P(v₀-v_op) (9b)

在第三步骤中，将前馈动作与区域2.5中的反馈控制器相结合，如图3所示。类似于已知文献中使用的总距速率更新，将更新后的发动机扭矩速率添加到扭矩反馈控制器的积分项：

对桨距角也这样执行将不会产生期望的效果，因为PI桨距控制器的积分器在区域2.5中将具有负值。因此，使用更新到θ_min最小桨距角的前馈：

其中是v₀的低通滤波值，以说明改变风速并且避免区域2.5中的过度桨距动作。此处，使用具有截止频率f_on＝0.01Hz的一阶线性滤波器。该滤波器允许塔筒的缓慢移动并且因此满足与基于平坦度的控制器的塔筒轨迹规划类似的作用。然而，下一章节将表明，与轨迹规划相比，对f_on的调谐更直观。使用低通滤波器而不是高通滤波器，因为可以在实时地转移风预览之前根据风预览来计算并且因此实现更少的相位延迟。另外，在将来的工作中，可以使用来如已知文献中提出的调整最小桨距角θ_min，并且如有必要，调度b_P。

可以利用类似结果从线性化模型中直接导出前馈控制器。此处，指出与基于平坦度的控制器的关系。

D.用于现实风预览的调整

使用激光雷达系统，无法如章节II中论述的那样完美地测量出转子有效风速v₀。尽管在已知工作中，测量相干性被直接包括在控制设计中，但此处除了控制器之外还使用预滤波器。先前工作表明，v_0L与v₀之间的传递函数是用于激光雷达估计的最佳预滤波器，以去除所有不相关的频率。将具有截止频率f_off＝0.134Hz的一阶低通滤波器拟合到传递函数。

IV.模拟结果

在这个章节，通过首先使用完美风预览并且随后使用模拟的激光雷达测量来评估多变量前馈控制器。

A.使用完美风预览的模拟

在第一模拟研究中，在假设完美风预览的情况下进行前馈控制器的测试，以验证全模拟模型可以实现设计目标(较少转子和较少塔筒运动)。

因此，类似于已知工作，全气动弹性模型由12m/s处的相干阵风干扰，但只产生1m/s的振幅(最小到最大)以保持在区域2.5内。所提出的前馈控制器可以实现几乎完美地消除v₀对Ω和x_T的影响，见图5。与反馈控制器相比，转子速度的过调量(与Ω_rated＝12.1rpm的偏差)可以减少95.9％并且最大塔筒基座前后弯曲力矩M_yT减少10.9％，见表I。

表I

具有完美风预览的模拟的最大值

所提出的前馈控制器显示出对模型不确定性的良好稳健性。尽管利用只具有两个DOF(转子和塔筒运动)和静态空气动力学的非线性模型设计该控制器，但对于具有15个DOF的全气动弹性模型，它能够几乎完美地抵消转子有效风力对转子速度和塔筒移位的影响。因此，结果与控制目标一致。

B.使用模拟的激光雷达测量的模拟

在第二模拟研究中，检查对模拟的激光雷达系统的风力测量误差的稳健性。对于该调查，使用TurbSim生成具有的平均风速、极低湍流强度(7％)和超过1h的长度的湍流风场。选择低湍流以保持在区域2.5中，这有助于隔离并更好地理解所提出的前馈控制器的益处。

图6示出模拟的代表性5min时段。在图的顶部部分中，可以观察到时移以及来自风场的转子有效风速与其激光雷达估计之间的良好吻合。由于激光雷达测量的限制和不确切的预览，无法预期类似于前一章节的完美表现。然而，利用这个更现实的风预览，转子速度Ω和塔筒顶部位移x_T的变化仍显著减小。频域中的多变量前馈控制器的效应在图7中的功率谱密度(PSD)中可见。多变量前馈控制器可以在低频下主要通过发电机扭矩速率更新来显著降低风湍流对转子速度的影响。由于自适应滤波器具有处于f_off＝0.134Hz的截止频率，因此改进在这个频率以上降到最低并且在塔筒的阻尼本征频率(0.322Hz)和3P(每转三次)频率(0.601Hz)处没有实现降低。另外，发电机扭矩的频谱在低频下降低。该效应类似于总距前馈控制器，其中需要较少的桨距动作来减小转子速度变化。对于高达f_off的低频，塔筒基座前后弯曲力矩也显著地降低。然而，降低在f_on＝0.01Hz处开始，因为按照(11)和所使用的低通滤波器，低于这个频率的桨距动作受到阻碍。

最后，表II总结了在12m/s下进行1h模拟的结果。可以实现转子速度的标准偏差的55％以上的降低。为了计算损伤等效载荷(DEL)，使用参考数量的循环2×l0⁶。此外，假设韦勒指数为4，以用于塔筒基座前后弯曲力矩M_yT和低速轴扭矩M_LSS的疲劳载荷计算。对于M_oop1，叶片1的平面外叶根弯曲力矩，应用韦勒指数10。除了塔筒基座上的载荷减小(15％)之外，还实现轴和叶根上的额外载荷减小(分别是6％和5％)。考虑到低湍流强度，载荷减小是有希望的。

表II

利用湍流风进行1h模拟的结果

改进伴随一些变坏情况。桨距活动的增加(由桨距速率的标准偏差表示)被视作不相关，因为在满载荷操作中，桨距速率大了十倍以上。然而，0.14％的能量产生(EP)损失不是无关紧要的。然而，使用多变量前馈和对最小桨距角的调整两者可以导致载荷减小并且增加能量产生。图8示出在v₀＝12m/s且Ω＝Ω_rated下(导致λ＝6.65)的功率系数c_P。通过将最小桨距角θ_min从0度变成-1度，功率系数可以增加0.66％。最佳的最小桨距角随着平均风速而改变，并且益处是越来越靠近区域3。因此，可以预期，激光雷达测量可以用来调整θ_min并且增加能量产生，甚至超过上述损失。

V.结论和前景

本文呈现一种使用激光雷达的用于风力涡轮机的多变量前馈控制器。该前馈控制器被设计成在部分载荷操作到满载荷操作之间的过渡中辅助用于发电机扭矩和总桨距角的传统反馈控制器。该设计是基于先前工作中呈现的基于平坦度的方法，但通过线性化进行简化并且被调整以避免由较大平均风速变化引起的大桨距动作。另外，PI发电机扭矩控制器被设计为用于5MW参考风力涡轮机。通过将额定功率增加到8MW来扩展过渡区域，以便具有用于测试该概念的足够大的范围。

利用全气动弹性模型和相干风进行的模拟表明，组合的反馈-前馈控制器遵循设计目标并且能够在假设完美风预览的情况下保持转子速度和塔筒运动恒定。在利用湍流风和激光雷达模拟器进行的模拟中实现有前景的载荷减小。能量产生也略有增加，但概述了避免损失或甚至改进能量产生的可能性。

本发明还可以应用于以下情形：

-设计用于8MW风力涡轮机的全反馈控制器，该全反馈控制器包括塔筒和传动系阻尼器。

-设计用于在进入和离开区域2.5时平稳地启用和停用多变量前馈控制器并且将其与总距前馈控制器相结合的策略。

-包括基于如已知文献中提出的激光雷达测量来调整最小桨距角。

-在详细载荷分析中利用更高湍流水平来测试所提出的多变量控制器。

-确定该概念对能量产生和载荷减小的整体影响。

Claims

1.一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：

-向前馈送控制器，其具有所述风力涡轮机的转子有效风速作为输入参数，并且具有多个输出参数；

-反馈控制器，其中输入参数基于所述风力涡轮机的转子速度或发电机速度，并且具有至少一个输出参数；以及

其中，

○将所述向前馈送控制器的一个输出参数提供给所述反馈控制器作为输入参数，以及

○将所述向前馈送控制器的另一输出参数用作用于控制所述风力涡轮机的向前馈送控制参数，以及

○将所述反馈控制器的一个输出参数用作用于控制所述风力涡轮机的反馈控制参数。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述风力涡轮机的所述向前馈送控制参数控制所述风力涡轮机的转子叶片的桨距角。

3.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中所述风力涡轮机的所述反馈控制参数控制所述风力涡轮机的电力发电机的扭矩。

4.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中提供给所述反馈控制器作为输入参数的、所述向前馈送控制器的所述输出参数是更新后的发电机扭矩速率。

5.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中用作所述风力涡轮机的向前馈送控制参数的、所述向前馈送控制器的所述输出参数是所述转子叶片的更新后的桨距角。

6.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中使用激光雷达装置来获得所述转子有效风速。

7.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中基于所述输入参数并且假设不需要所述风力涡轮机的转子和塔筒运动的动力学来计算所述向前馈送控制器的所述输出参数。

8.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中计算所述向前馈送控制器的所述输出参数，使得补偿所述转子有效风速对所述转子和塔筒运动的影响。

9.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中期望的转子速度随时间推移发生的变化减小，优选地，期望的转子速度随时间推移而等于零，和/或所述风力涡轮机的所述塔筒的前后位移随时间推移的变化减小，优选地，所述风力涡轮机的所述塔筒的前后位移随时间推移而等于零，和/或其中所述风力涡轮机的所述塔筒的所述前后位移的加速度减小，优选地，所述风力涡轮机的所述塔筒的所述前后位移的加速度等于零。

10.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中所述控制系统用于在从空气动力学最佳的操作到满载荷操作的过渡中控制所述风力涡轮机。

11.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中所述控制系统被限于在从空气动力学最佳的操作到满载荷操作的过渡中控制所述风力涡轮机。

12.根据前述权利要求中一项或多项所述的控制系统，其中

○所述反馈控制器恰好具有一个输出参数，以及其中

○向前馈送控制器恰好具有两个输出参数。

13.一种风力涡轮机，其包括：根据前述权利要求中任一项所述的控制系统、电力发电机、以及多个转子叶片。

14.一种用于控制风力涡轮机的控制方法，其包括以下步骤：

-获得所述风力涡轮机的转子有效风速，并且将所述转子有效风速作为输入参数提供给向前馈送控制器；

-由所述向前馈送控制器提供被称为向前馈送控制参数的一个输出参数，以用于控制所述风力涡轮机；

-由所述向前馈送控制器提供被称为向前馈送输入参数的另一输出参数，作为反馈控制器的输入参数；

-由所述反馈控制器提供被称为反馈控制参数的一个输出参数，以用于控制所述风力涡轮机，其中所述反馈控制参数基于所述向前馈送输入参数和所述风力涡轮机的转子速度或电力发电机的发电机速度。

15.根据权利要求14所述的控制方法，其中重复地实施所述步骤中的一个或多个。