CN110552838B - 一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法，该方法采用脉冲式激光雷达提供多个激光束，在风力发电机组的叶轮轴向方向上激光雷达安装位置与测速截面距离区间介于50米至200米范围内，最多任意设置10个风速测量距离，确定好测速距离数量以及相应测速位置，便构成了多激光束多测速截面雷达前馈控制风速测量架构，而后再针对该多激光束多测速截面雷达前馈控制风速测量架构进行控制，实现多激光束多测速截面雷达前馈控制。本发明可有效减少变桨执行机构动作，提高机组运行可靠性，大幅度降低发电机转速波动幅度，以及降低塔筒底部My弯矩载荷。

Description

一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法。

背景技术

业内习知，对于运行在额定风速以上的风力发电机组，其外部作用力--风速中包含能量比较高的低频信号。在低频风速作用下，运行在并网发电模式的风力发电机组，包括发电机转速信号、塔筒前后方向弯矩信号、轮毂弯矩信号、齿轮箱低速端扭矩信号、叶片挥舞方向弯矩信号、叶片变桨角度信号等，呈现出与风速类似的较大低频能量。如果利用激光雷达将叶轮前方叶轮轴向方向低频前置风速信号测量值，引入到发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制回路中，则可以大幅度衰减上述信号中因低频风速所产生的能量。

目前激光雷达前馈控制技术方案中，激光雷达测量的叶轮前方叶轮轴向方向前置风速信号测量值，在经过数据缓存、平移、滤波等处理后得到作为激光雷达前馈控制有效风速。由Bladed软件计算的静态风速与变桨角度关系曲线，通过微分运算得到变桨角度对风速的微分增益表。再乘以激光雷达前馈控制有效风速，得到激光雷达前馈控制产生的附加变桨位置给定值。

由Bladed软件计算的静态风速与变桨角度关系曲线，得到额定风速以上不同风速下变桨角度对风速的微分

增益表，该方式得到

增益计算值通常偏大。通过风速VS塔筒前后方向弯矩信号开环伯德图分析，此时风速VS塔筒前后方向弯矩信号幅频特性衰减幅度较小，进而影响到前馈控制产生的效果。原因则是较大的微分增益

值，会导致前馈控制产生的变桨动作增多，从仿真结果可以发现一致的影响。

另外，激光雷达测量的前置风速信号，在不同风速下会经过自适应低通滤波器进行滤波，以获取激光雷达前馈控制有效风速。自适应低通滤波器截止频率参数，是在设计阶段通过分析激光雷达测量有效风速，与由叶轮旋转平面内风速分布计算的有效风速之间相关性而获取到的。该方法获取的自适应低通滤波器截止频率参数取值偏小，导致用以前馈控制的激光雷达有效风速频率范围变小，同样也影响到前馈控制产生的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法，可有效减少变桨执行机构动作，提高机组运行可靠性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法，首先，采用脉冲式激光雷达提供多个激光束，在风力发电机组的叶轮轴向方向上激光雷达安装位置与测速截面距离区间介于50米至200米范围内，最多任意设置10个风速测量距离，确定好风速测量距离数量以及相应测速位置，便构成了多激光束多测速截面雷达前馈控制风速测量架构；而针对该多激光束多测速截面雷达前馈控制风速测量架构的控制方法，具体如下：

当采用多个测速截面来测量叶轮前方叶轮轴向方向前置风速信号时，激光雷达会提供每个测速截面叶轮轴向方向的叶轮平均风速，为同一测速截面多个激光束测速位置，相应视向风速测量值在叶轮轴向投影分量之和的算术平均；不同测速截面在叶轮轴向方向相隔设定距离，在同一时刻采集的叶轮平均风速，需要各自进行数据缓存；前馈控制的风速信号是由实际用于前馈控制每个测速截面的叶轮平均风速，折算到距离叶轮旋转平面最近测速截面风速数值的算术平均值，其中，折算原则是每个测速截面，在当前时刻之前，由其与距离叶轮旋转平面最近测速截面在叶轮轴向方向距离差值，除以平均风速得到时间值所对应的缓存数值，而平均风速则由某一测速截面叶轮平均风速进行低通滤波获得；

根据引入激光雷达前馈控制之后所搭建的风力发电机组数学模型，在额定风速以上从额定风速到切出风速区间，选取若干风速下的风力发电机组数学模型，用于低通滤波器以及叶片角度对风速微分增益值的设计；

距离叶轮旋转平面最近测速截面的激光雷达前置风速信号，需要利用低通滤波器和带阻滤波器(衰减三倍频3P以及传动系频率)，以消除激光雷达前置风速信号中不必要的风速分量，从而在前馈控制中减少不必要的变桨动作；其中，低通滤波器设计原则是：由额定风速以上风力发电机组数学模型，分析激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，不同低通滤波器截止频率下风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，对较高频率以上幅频特性影响小作为确定低通滤波器截止频率的依据；其中“VS”代表控制中的输入和输出关系，其前面的变量为输入，后面的变量为输出；`

激光雷达前馈控制有效风速获取：经过滤波之后的激光雷达前置风速信号，同样需要进行数据缓存；而进行低通滤波会产生时间延迟，再考虑到变桨执行机构响应延迟、脉冲式激光雷达每个激光束1Hz采样频率产生的采样延迟，以及前馈控制所需前置时间，由距离叶轮旋转平面最近测速截面与叶轮旋转平面之间在叶轮轴向的距离差值，除以平均风速得到的时间值，减去上述几项时间延迟得到剩余时间值，即为滤波后激光雷达前置风速从当前时刻向前需要平移的时间值，平移后对应的风速值作为激光雷达前馈控制有效风速；当距离叶轮旋转平面最近测速截面测量的前置风速到达叶片时，根据激光雷达前馈控制有效风速计算的变桨控制命令执行结束，即在距离激光雷达最近测速截面测量的风速信号，在其前进到叶轮旋转平面时，在其所处位置测量的风速信号，通过前馈控制计算的附加变桨位置给定值刚好执行完成，此时控制效果最好；

依据每个风速下前馈控制功能开启与关闭时，风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，确定相应风速下叶片角度对风速微分增益值；由不同风速下确定的叶片角度对风速微分增益值，构建风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表；当激光雷达前馈控制有效风速确定之后，一方面通过微分运算计算其时间变化率，另一方面通过风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，来确定对应风速下的叶片角度对风速微分增益值，两者的乘积得到附加的变桨速率给定值，再通过积分运算得到附加的变桨位置给定值；

风力发电机组测量的发电机转速信号，在经过低通滤波器和带阻滤波器滤波之后，与发电机转速给定值进行比较，两者的差值作为变桨位置比例积分PI控制器的输入；其中，变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益，采用以叶片角度作为输入的两组参数增益表，即在激光雷达正常工作时，积分增益选择以叶片角度为输入且数值较小的一组增益表，当激光雷达无法正常工作，且在发电机转速信号小于某一设定阈值时，依然采用数值较小的一组增益表，当发电机转速信号超过规定阈值时，则采用数值较高的一组增益表；

激光雷达前馈控制计算的附加的变桨位置给定值，与发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器计算的统一变桨位置给定值，两者叠加得到的变桨位置给定值，为最终的变桨指令，送给变桨系统执行。

进一步，脉冲式激光雷达提供4个激光束，在叶轮轴向方向，激光雷达测速截面距离激光雷达安装位置的距离分别为：x₁、x₂、x₃...x_i，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10，x₁为在叶轮轴向方向距离叶轮旋转平面最近测速截面与激光雷达安装位置的距离，所有测速截面与激光雷达安装位置，在叶轮轴向方向取值范围介于50米至200米之间；

每个测速截面的叶轮平均风速分别为：u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10；每个测速截面的叶轮平均风速，为同一测速截面4个激光束在测速位置相应视向风速测量值，在叶轮轴向方向投影分量之和的算术平均；

每个测速截面的叶轮平均风速的缓存值分别为：u_raws1buffer、u_raws2buffer、u_raws3buffer...u_rawsibuffer，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10；每个测速截面各自建立一个数组，用于保存从当前时刻之前一段时间内的叶轮平均风速值u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi；

距离叶轮旋转平面最近的测速截面激光雷达前置风速信号u₀的计算为：不同测速截面的叶轮平均风速u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi，需要平移到距离叶轮旋转平面最近的测速截面，从当前时刻平移需要提前的时间为(x_j-x₁)/u，其中j取值从1...i，u为平均风速，由某一测速截面叶轮平均风速通过滤波方式获取；所以，u₀＝(∑(u_raws1buffer+u_raws2buffer+...+u_rawsnbuffer))/n，其中1≤n≤i，n为用于前馈控制的总计i个测速截面中，叶轮平均风速数据为有效的测速截面数量；

低通滤波器和带阻滤波器用于衰减激光雷达前置风速信号u₀中不需要的风速分量，前置风速信号滤波后的数值为u_0filter，其中，低通滤波器传递函数为

式中，s为复变量，T为一阶低通滤波器时间常数；带阻滤波器用于衰减激光雷达前置风速信号u₀信号中3P频率以及传动系频率，带阻滤波器传递函数为

式中，s为复变量，ξ₁、ξ₂为带阻滤波器阻尼比，ω₁、ω₂为带阻滤波器频率；

激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter，同样需要一个数组用于缓存从当前时刻开始之前一段时间内的数据值，缓存变量为u_{0filterbuffer}，激光雷达前置风速信号经过低通滤波产生时间延迟为T_filter，变桨执行机构响应延迟为T_pitch、脉冲式激光雷达每个激光束1Hz采样频率产生的采样延迟为T_sample，以及前馈控制所需前置时间T_ff；激光雷达前置风速信号u₀从距离叶轮旋转平面最近的测速截面，到达叶轮旋转平面的时间为

因此，激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter平移需要提前的时间T＝τ-T_filter-T_pitch-T_sample-T_ff，T≥0，激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter从当前时刻向前平移时间T得到的缓存变量u_{0filterbuffer}，即为激光雷达前馈控制有效风速；

根据引入激光雷达前馈控制之后所搭建的风力发电机组数学模型，在额定风速以上从额定风速到切出风速区间，选取若干风速v₁、v₂...v_m下的风力发电机组数学模型，根据每个风速下前馈控制功能开启与关闭时，风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，确定相应风速v₁、v₂...v_m叶片角度对风速微分增益值

由不同风速v₁、v₂...v_m确定的叶片角度对风速微分增益值

构建风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，当激光雷达前馈控制有效风速u_{0filterbuffer}确定之后，通过风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，来确定对应风速下u_{0filterbuffer}的叶片角度对风速微分增益值

根据激光雷达前馈控制有效风速u_{0filterbuffer}，计算其时间变化率

并与对应风速下u_{0filterbuffer}叶片角度对风速微分增益值

相乘，得到激光雷达前馈控制的附加的变桨速率给定值，再经过积分运算得到激光雷达前馈控制的附加的变桨位置给定值；

发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益，采用以叶片角度β₁、β₂.....β_n作为输入的两组积分增益表；其中积分增益取值较小的一组增益表为k_i1、k_i2.....k_in，积分增益取值较大的一组增益表为k＇_i1、k＇_i2....k＇_in；在激光雷达正常工作时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益选择以叶片角度β₁、β₂.....β_n为输入，且数值较小的一组增益表k_i1、k_i2.....k_in；当激光雷达无法正常工作时，在发电机转速信号小于某一设定阈值时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中依然采用积分增益数值较小的一组增益表k_i1、k_i2.....k_in，当发电机转速信号超过规定阈值时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中则采用积分增益数值较大的一组增益表k＇_i1、k＇_i2....k＇_in。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、降低发电机转速信号波动幅度，避免发电机转速软超速故障发生，提高机组运行可靠性。

2、降低塔筒前后方向My弯矩载荷，降低塔筒重量。

3、降低叶片挥舞方向My弯矩载荷。

4、降低轮毂Mx弯矩载荷，对于半直驱风力发电机组，降低齿轮箱低速端扭矩的载荷。

5、减少变桨执行机构动作，提高变桨轴承寿命。

附图说明

图1为多激光束多测速截面激光雷达前馈控制原理图。

图2为激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，风速VS发电机转速开环伯德图比较。

图3为激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，风速VS塔筒底部My弯矩载荷开环伯德图比较。

图4为激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，风速VS叶根挥舞方向弯矩My开环伯德图比较。

图5为激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，风速VS齿轮箱低速端扭矩开环伯德图比较。

图6为激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，单位阶跃风作用下发电机转速信号阶跃响应比较。

图7为激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，单位阶跃风作用下叶片角度阶跃响应比较。

图8为激光雷达前馈控制功能开启时，不同叶片角度对风速微分增益值塔筒底部My弯矩载荷开环伯德图比较。

图9为激光雷达前馈控制功能开启时，不同低通滤波器截止频率参数塔筒底部My弯矩载荷开环伯德图比较。

图10为12m/s湍流风激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，发电机转速信号Bladed软件仿真结果比较。

图11为12m/s湍流风激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，塔筒底部My弯矩载荷信号Bladed软件仿真结果比较。

图12为12m/s湍流风激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，叶片角度信号Bladed软件仿真结果比较。

图13为12m/s湍流风激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，齿轮箱低速端扭矩信号Bladed软件仿真结果比较。

图14为12m/s湍流风激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，风机输出功率信号Bladed软件仿真结果比较。

图15为12m/s湍流风激光雷达前馈控制功能开启时，不同叶片角度对风速微分增益值叶片角度信号Bladed软件仿真结果比较。

图16为12m/s湍流风激光雷达前馈控制功能开启时，不同叶片角度对风速微分增益值塔筒底部My弯矩载荷信号Bladed软件仿真结果比较。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法，首先，采用脉冲式激光雷达提供4个激光束，在风力发电机组的叶轮轴向方向上激光雷达安装位置与测速截面距离区间介于50米至200米范围内，最多任意设置10个风速测量距离，其中，在叶轮轴向方向激光雷达测速截面距离激光雷达安装位置的距离分别为：x₁、x₂、x₃...x_i，i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10，x₁为在叶轮轴向方向距离叶轮旋转平面最近测速截面与激光雷达安装位置的距离。所有测速截面与激光雷达安装位置，在叶轮轴向方向取值范围介于50米至200米之间。

一、数据处理单元1

当采用多个测速截面来测量叶轮前方叶轮轴向方向前置风速信号时，激光雷达会以4Hz的采样频率，提供每个测速截面叶轮轴向方向的叶轮平均风速(同一测速截面4个激光束测速位置，相应视向风速测量值在叶轮轴向投影分量之和的算术平均)；不同测速截面在叶轮轴向方向相隔一定距离，在同一时刻采集的叶轮平均风速，需要各自进行数据缓存；前馈控制的风速信号是由实际用于前馈控制每个测速截面的叶轮平均风速，折算到距离叶轮旋转平面最近测速截面风速数值的算术平均值，其中，折算原则是每个测速截面，在当前时刻之前，由其与距离叶轮旋转平面最近测速截面在叶轮轴向方向距离差值，除以平均风速得到时间值所对应的缓存数值，而平均风速则由某一测速截面叶轮平均风速进行低通滤波获得。

每个测速截面的叶轮平均风速分别为：u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10；每个测速截面的叶轮平均风速，为同一测速截面4个激光束在测速位置相应视向风速测量值，在叶轮轴向方向投影分量之和的算术平均。

每个测速截面的叶轮平均风速的缓存值分别为：u_raws1buffer、u_raws2buffer、u_raws3buffer...u_rawsibuffer，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10；每个测速截面各自建立一个数组，用于保存从当前时刻之前一段时间内的叶轮平均风速值u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi。

距离叶轮旋转平面最近的测速截面激光雷达前置风速信号u₀的计算为：不同测速截面的叶轮平均风速u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi，需要平移到距离叶轮旋转平面最近的测速截面，从当前时刻平移需要提前的时间为(x_j-x₁)/u，其中j取值从1...i，u为平均风速，由某一测速截面叶轮平均风速通过滤波方式获取；所以，u₀＝(∑(u_raws1buffer+u_raws2buffer+...+u_rawsnbuffer))/n，其中1≤n≤i，n为用于前馈控制的总计i个测速截面中，叶轮平均风速数据为有效的测速截面数量。

二、数据处理单元2

激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter，同样需要一个数组用于缓存从当前时刻开始之前一段时间内的数据值，缓存变量为u_{0filterbuffer}，激光雷达前置风速信号经过低通滤波产生时间延迟为T_filter，变桨执行机构响应延迟为T_pitch、脉冲式激光雷达每个激光束1Hz采样频率产生的采样延迟为T_sample，以及前馈控制所需前置时间T_ff；激光雷达前置风速信号u₀从距离叶轮旋转平面最近的测速截面，到达叶轮旋转平面的时间为

因此，激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter平移需要提前的时间T＝τ-T_filter-T_pitch-T_sample-T_ff，T≥0，激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter从当前时刻向前平移时间T得到的缓存变量u_{0filterbuffer}，即为激光雷达前馈控制有效风速，当距离叶轮旋转平面最近测速截面测量的前置风速到达叶片时，根据激光雷达前馈控制有效风速计算的变桨控制命令基本执行结束，即在距离激光雷达最近测速截面测量的风速信号，在其前进到叶轮旋转平面时，在其所处位置测量的风速信号，通过前馈控制计算的附加变桨位置给定值刚好执行完成，此时控制效果最好。

低通滤波器和带阻滤波器用于衰减激光雷达前置风速信号u₀中不需要的风速分量，前置风速信号滤波后的数值为u_0filter，其中，低通滤波器传递函数为

式中，s为复变量，T为一阶低通滤波器时间常数；带阻滤波器用于衰减激光雷达前置风速信号u₀信号中3P频率以及传动系频率，带阻滤波器传递函数为

式中，s为复变量，ξ₁、ξ₂为带阻滤波器阻尼比，ω₁、ω₂为带阻滤波器频率。

低通滤波器设计原则：根据额定风速以上引入激光雷达前馈控制之后的风力发电机组数学模型，分析激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，不同低通滤波器截止频率下风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，对较高频率区间幅频特性影响小作为确定低通滤波器截止频率选择的依据，如图9所示；其中“VS”代表控制中的输入和输出关系，其前面的变量为输入，后面的变量为输出。

根据引入激光雷达前馈控制之后所搭建的风力发电机组数学模型，在额定风速以上从额定风速到切出风速区间，选取若干风速v₁、v₂...v_m下的风力发电机组数学模型，根据每个风速下前馈控制功能开启与关闭时，风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，确定相应风速v₁、v₂...v_m叶片角度对风速微分增益值

如图8所示，由不同风速v₁、v₂...v_m确定的叶片角度对风速微分增益值

构建风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，当激光雷达前馈控制有效风速u_{0filterbuffer}确定之后，通过风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，来确定对应风速下u_{0filterbuffer}的叶片角度对风速微分增益值

根据激光雷达前馈控制有效风速u_{0filterbuffer}，计算其时间变化率

并与对应风速下u_{0filterbuffer}叶片角度对风速微分增益值

相乘，得到激光雷达前馈控制的附加的变桨速率给定值，再经过积分运算得到激光雷达前馈控制的附加的变桨位置给定值。

风力发电机组测量的发电机转速信号，在经过低通滤波器、带阻滤波器等滤波之后，与发电机转速给定值进行比较，两者的差值作为发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器的输入。其中，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益，采用以叶片角度β₁、β₂.....β_n作为输入的两组积分增益表；其中积分增益取值较小的一组增益表为k_i1、k_i2.....k_in，积分增益取值较大的一组增益表为k＇_i1、k＇_i2....k＇_in；在激光雷达正常工作时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益选择以叶片角度β₁、β₂.....β_n为输入，且数值较小的一组增益表k_i1、k_i2.....k_in；当激光雷达无法正常工作，且在发电机转速信号小于某一设定阈值时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中依然采用积分增益数值较小的一组增益表k_i1、k_i2.....k_in，当发电机转速信号超过规定阈值时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中则采用积分增益数值较大的一组增益表k＇_i1、k＇_i2....k＇_in。

激光雷达前馈控制计算的附加的变桨位置给定值，与发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器计算的统一变桨位置给定值，两者叠加得到的变桨位置给定值，为最终的变桨指令，送给变桨系统执行。

参见图2所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，风速VS发电机转速信号开环伯德图比较。激光雷达前馈控制功能开启时，发电机转速信号在低频0.1Hz以下频率幅值有较大幅度衰减。

参见图3所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，风速VS塔筒底部My弯矩载荷开环伯德图比较。激光雷达前馈控制功能开启时，塔筒底部My弯矩载荷在低频0.1Hz以下频率幅值有较大幅度衰减。

参见图4所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，风速VS叶根挥舞方向My弯矩载荷开环伯德图比较。激光雷达前馈控制功能开启时，叶根挥舞方向My弯矩载荷在低频0.1Hz以下频率幅值有较大幅度衰减。

参见图5所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，风速VS齿轮箱低速端扭矩载荷开环伯德图比较。激光雷达前馈控制功能开启时，齿轮箱低速端扭矩载荷在低频0.1Hz以下频率幅值有较大幅度衰减。

参见图6所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，在单位阶跃风作用下发电机转速信号阶跃响应比较。激光雷达前馈控制功能开启时，发电机转速上升幅度大幅减小。

参见图7所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，在单位阶跃风作用下叶片角度信号阶跃响应比较。激光雷达前馈控制功能开启时，叶片变桨角度动作时间明显提前，与风速前馈控制预期一致。

参见图8所示，激光雷达前馈控制功能开启，不同叶片角度对风速微分增益值时，风速VS塔筒底部My弯矩载荷开环伯德图比较。较大的叶片角度对风速微分增益值(由Bladed软件静态叶片角度与风速关系计算所得)，会导致风速VS塔筒底部My弯矩载荷信号幅频特性衰减幅度明显减小。

参见图9所示，激光雷达前馈控制功能开启，不同低通滤波器截止频率参数时，风速VS塔筒底部My弯矩载荷开环伯德图比较。较小的低通滤波器截止频率参数(在设计阶段分析雷达测量有效风速与由叶轮旋转平面内风速分布计算的有效风速之间相关性而获取到的)，与较大的低通滤波器截止频率参数，在频率取值较高区间，风速VS塔筒底部My弯矩载荷幅频特性差别比较小。但在频率取值较低区间，会导致风速VS塔筒底部My弯矩载荷信号幅频特性衰减幅度减小。

参见图10所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，在12m/s湍流风作用下，发电机转速信号Bladed软件仿真结果比较。激光雷达前馈控制功能开启时，发电机转速信号波动幅度大幅度降低。

参见图11所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，在12m/s湍流风作用下，塔筒底部My弯矩载荷信号Bladed软件仿真结果比较。激光雷达前馈控制功能开启时，塔筒底部My弯矩载荷信号波动幅度明显降低，有利于降低塔筒载荷以及重量。

参见图12所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，在12m/s湍流风作用下，叶片角度信号Bladed软件仿真结果比较。激光雷达前馈控制功能开启时，叶片角度信号波动幅度明显降低，变桨执行机构动作减少，有利于提高变桨轴承寿命。

参见图13所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，在12m/s湍流风作用下，齿轮箱低速端扭矩信号Bladed软件仿真结果比较。激光雷达前馈控制功能开启时，齿轮箱低速端扭矩信号波动幅度有较明显降低，有利于齿轮箱运行可靠性。

参见图14所示，激光雷达前馈控制功能开启(实线)与关闭(虚线)时，在12m/s湍流风作用下，风机输出功率信号Bladed软件仿真结果比较。激光雷达前馈控制功能开启时，风机输出功率信号波动幅度较小。

参见图15所示，激光雷达前馈控制功能开启，在12m/s湍流风作用下，不同叶片角度对风速微分增益值时，叶片角度信号Bladed软件仿真结果比较。较大的叶片角度对风速微分增益值(虚线，由Bladed软件静态叶片角度与风速关系计算所得)，相比较小的叶片角度对风速微分增益值(实线)，叶片变桨角度波动幅度增加比较明显。不利于降低塔筒载荷以及重量，不利于降低变桨执行机构动作。

参见图16所示，激光雷达前馈控制功能开启，在12m/s湍流风作用下，不同叶片角度对风速微分增益值时，塔筒底部My弯矩载荷信号Bladed软件仿真结果比较。较大的叶片角度对风速微分增益值(虚线，由Bladed软件静态叶片角度与风速关系计算所得)，相比较小的叶片角度对风速微分增益值(实线)，塔筒底部My弯矩载荷波动幅度增加比较明显。不利于降低塔筒载荷以及重量。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法，其特征在于：首先，采用脉冲式激光雷达提供多个激光束，在风力发电机组的叶轮轴向方向上激光雷达安装位置与测速截面距离区间介于50米至200米范围内，最多任意设置10个风速测量距离，确定好风速测量距离数量以及相应测速位置，便构成了多激光束多测速截面雷达前馈控制风速测量架构；而针对该多激光束多测速截面雷达前馈控制风速测量架构的控制方法，具体如下：

当采用多个测速截面来测量叶轮前方叶轮轴向方向前置风速信号时，激光雷达会提供每个测速截面叶轮轴向方向的叶轮平均风速，为同一测速截面多个激光束测速位置，相应视向风速测量值在叶轮轴向投影分量之和的算术平均；不同测速截面在叶轮轴向方向相隔设定距离，在同一时刻采集的叶轮平均风速，需要各自进行数据缓存；前馈控制的风速信号是由实际用于前馈控制每个测速截面的叶轮平均风速，折算到距离叶轮旋转平面最近测速截面风速数值的算术平均值，其中，折算原则是每个测速截面，在当前时刻之前，由其与距离叶轮旋转平面最近测速截面在叶轮轴向方向距离差值，除以平均风速得到时间值所对应的缓存数值，而平均风速则由某一测速截面叶轮平均风速进行低通滤波获得；

根据引入激光雷达前馈控制之后所搭建的风力发电机组数学模型，在额定风速以上从额定风速到切出风速区间，选取若干风速下的风力发电机组数学模型，用于低通滤波器以及叶片角度对风速微分增益值的设计；距离叶轮旋转平面最近测速截面的激光雷达前置风速信号，需要利用低通滤波器和带阻滤波器，以消除激光雷达前置风速信号中不必要的风速分量，从而在前馈控制中减少不必要的变桨动作；其中，低通滤波器设计原则是：由额定风速以上风力发电机组数学模型，分析激光雷达前馈控制功能开启与关闭时，不同低通滤波器截止频率下风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，对高频率以上幅频特性影响小作为确定低通滤波器截止频率的依据；其中“VS”代表控制中的输入和输出关系，其前面的变量为输入，后面的变量为输出；

激光雷达前馈控制有效风速获取：经过滤波之后的激光雷达前置风速信号，同样需要进行数据缓存；而进行低通滤波会产生时间延迟，再考虑到变桨执行机构响应延迟、脉冲式激光雷达每个激光束1Hz采样频率产生的采样延迟，以及前馈控制所需前置时间，由距离叶轮旋转平面最近测速截面与叶轮旋转平面之间在叶轮轴向的距离差值，除以平均风速得到的时间值，减去上述几项时间延迟得到剩余时间值，即为滤波后激光雷达前置风速从当前时刻向前需要平移的时间值，平移后对应的风速值作为激光雷达前馈控制有效风速；当距离叶轮旋转平面最近测速截面测量的前置风速到达叶片时，根据激光雷达前馈控制有效风速计算的变桨控制命令执行结束，即在距离激光雷达最近测速截面测量的风速信号，在其前进到叶轮旋转平面时，在其所处位置测量的风速信号，通过前馈控制计算的附加变桨位置给定值刚好执行完成，此时控制效果最好；

依据每个风速下前馈控制功能开启与关闭时，风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，确定相应风速下叶片角度对风速微分增益值；由不同风速下确定的叶片角度对风速微分增益值，构建风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表；当激光雷达前馈控制有效风速确定之后，一方面通过微分运算计算其时间变化率，另一方面通过风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，来确定对应风速下的叶片角度对风速微分增益值，两者的乘积得到附加的变桨速率给定值，再通过积分运算得到附加的变桨位置给定值；

风力发电机组测量的发电机转速信号，在经过低通滤波器和带阻滤波器滤波之后，与发电机转速给定值进行比较，两者的差值作为变桨位置比例积分PI控制器的输入；其中，变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益，采用以叶片角度作为输入的两组参数增益表，即在激光雷达正常工作时，积分增益选择以叶片角度为输入且数值小的一组增益表，当激光雷达无法正常工作，且在发电机转速信号小于某一设定阈值时，依然采用数值小的一组增益表，当发电机转速信号超过规定阈值时，则采用数值高的一组增益表；

激光雷达前馈控制计算的附加的变桨位置给定值，与发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器计算的统一变桨位置给定值，两者叠加得到的变桨位置给定值，为最终的变桨指令，送给变桨系统执行。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组多激光束多测速截面雷达前馈控制方法，其特征在于：脉冲式激光雷达提供4个激光束，在叶轮轴向方向，激光雷达测速截面距离激光雷达安装位置的距离分别为：x₁、x₂、x₃...x_i，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10，x₁为在叶轮轴向方向距离叶轮旋转平面最近测速截面与激光雷达安装位置的距离，所有测速截面与激光雷达安装位置，在叶轮轴向方向取值范围介于50米至200米之间；

每个测速截面的叶轮平均风速分别为：u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10；每个测速截面的叶轮平均风速，为同一测速截面4个激光束在测速位置相应视向风速测量值，在叶轮轴向方向投影分量之和的算术平均；

每个测速截面的叶轮平均风速的缓存值分别为：u_raws1buffer、u_raws2buffer、u_raws3buffer...u_rawsibuffer，其中i为用于前馈控制的实际测速截面数量，最大取值为10；每个测速截面各自建立一个数组，用于保存从当前时刻之前一段时间内的叶轮平均风速值u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi；

距离叶轮旋转平面最近的测速截面激光雷达前置风速信号u₀的计算为：不同测速截面的叶轮平均风速u_raws1、u_raws2、u_raws3...u_rawsi，需要平移到距离叶轮旋转平面最近的测速截面，从当前时刻平移需要提前的时间为(x_j-x₁)/u，其中j取值从1...i，u为平均风速，由某一测速截面叶轮平均风速通过滤波方式获取；所以，u₀＝(∑(u_raws1buffer+u_raws2buffer+...+u_rawsnbuffer))/n，其中1≤n≤i，n为用于前馈控制的总计i个测速截面中，叶轮平均风速数据为有效的测速截面数量；

低通滤波器和带阻滤波器用于衰减激光雷达前置风速信号u₀中不需要的风速分量，前置风速信号滤波后的数值为u_0filter，其中，低通滤波器传递函数为

式中，s为复变量，T为一阶低通滤波器时间常数；带阻滤波器用于衰减激光雷达前置风速信号u₀信号中3P频率以及传动系频率，带阻滤波器传递函数为

式中，s为复变量，ξ₁、ξ₂为带阻滤波器阻尼比，ω₁、ω₂为带阻滤波器频率；

激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter，同样需要一个数组用于缓存从当前时刻开始之前一段时间内的数据值，缓存变量为u_{0filterbuffer}，激光雷达前置风速信号经过低通滤波产生时间延迟为T_filter，变桨执行机构响应延迟为T_pitch、脉冲式激光雷达每个激光束1Hz采样频率产生的采样延迟为T_sample，以及前馈控制所需前置时间T_ff；激光雷达前置风速信号u₀从距离叶轮旋转平面最近的测速截面，到达叶轮旋转平面的时间为

因此，激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter平移需要提前的时间T＝τ-T_filter-T_pitch-T_sample-T_ff，T≥0，激光雷达前置风速信号滤波值u_0filter从当前时刻向前平移时间T得到的缓存变量u_{0filterbuffer}，即为激光雷达前馈控制有效风速；

根据引入激光雷达前馈控制之后所搭建的风力发电机组数学模型，在额定风速以上从额定风速到切出风速区间，选取若干风速v₁、v₂...v_m下的风力发电机组数学模型，根据每个风速下前馈控制功能开启与关闭时，风速VS塔筒底部弯矩载荷My开环伯德图中幅频特性，确定相应风速v₁、v₂...v_m叶片角度对风速微分增益值

由不同风速v₁、v₂...v_m确定的叶片角度对风速微分增益值

构建风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，当激光雷达前馈控制有效风速u_{0filterbuffer}确定之后，通过风速与叶片角度对风速微分增益值之间查询表，来确定对应风速下u_{0filterbuffer}的叶片角度对风速微分增益值

根据激光雷达前馈控制有效风速u_{0filterbuffer}，计算其时间变化率

并与对应风速下u_{0filterbuffer}叶片角度对风速微分增益值

相乘，得到激光雷达前馈控制的附加的变桨速率给定值，再经过积分运算得到激光雷达前馈控制的附加的变桨位置给定值；

发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益，采用以叶片角度β₁、β₂.....β_n作为输入的两组积分增益表；其中积分增益取值小的一组增益表为k_i1、k_i2.....k_in，积分增益取值大的一组增益表为k＇_i1、k＇_i2....k＇_in；在激光雷达正常工作时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中的积分增益选择以叶片角度β₁、β₂.....β_n为输入，且数值小的一组增益表k_i1、k_i2.....k_in；当激光雷达无法正常工作时，在发电机转速信号小于某一设定阈值时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中依然采用积分增益数值小的一组增益表k_i1、k_i2.....k_in，当发电机转速信号超过规定阈值时，发电机转速VS变桨位置比例积分PI控制器中则采用积分增益数值大的一组增益表k＇_i1、k＇_i2....k＇_in。

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