CN111075650A - 风力发电机组基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法，在每只桨叶上安装一个望远镜用来观测来流风速，它与轮毂内的激光雷达系统通过光纤相连接，构成望远镜雷达系统；估计出平行于轮毂轴线的风速u_h,est,i是由望远镜雷达系统的测量结果得到，它被用作补偿由风剪切和偏航误差造成叶轮气动力不平衡载荷的控制前馈输入量；根据估算出的与轮毂轴线相平行的三支桨叶的风速，经过Park变换或者Coleman变换成风速场的正交双分量，从风速场的双分量经双输入双输出控制器得到桨距作用场，桨距作用场的两个正交桨叶角度经Park逆变换最终得到三支桨叶独立的桨叶角度扰动量，送给变桨执行机构执行。本发明不仅使硬件可靠性有了保证，也发挥了激光雷达前馈控制的优越性。

Description

风力发电机组基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法

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基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法。

背景技术

以目前风电技术的发展趋势来看，风力发电机组更倾向于大兆瓦、高塔架、大叶轮和轻量化方向发展，特别是当前的海上机组。对于大叶轮机组来说，湍流、风剪切效应、塔影效应和偏航误差会造成叶轮平面受力不均，从而使得叶根疲劳载荷My、轮毂及偏航系统的不平衡载荷(Myz)显著增加并制约其发展；基于激光雷达前馈测风的独立变桨技术(Lidar-assisted IPC)能够很好的降低叶轮不平衡载荷；独立变桨技术目前主要以叶根载荷或者塔顶载荷作为控制的反馈量，但是载荷传感器的可靠性问题以及反馈量的实时性一直困扰技术人员。

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基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法，应用激光雷达测得近叶轮平面的有效风速以此作为独立变桨控制的反馈量，这种独立变桨控制方法不仅使硬件可靠性有了保证，且也发挥了激光雷达前馈控制的优越性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：风力发电机组基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法，其具体情况如下：

首先，在风力发电机组的每只桨叶上安装一个望远镜用来观测来流风速，它与安装在风力发电机组的轮毂中的激光雷达系统通过光纤相连接，构成望远镜雷达系统，实现在测得每只桨叶近叶轮平面的风速同时，也不存在大的测量角，从而避免桨叶的有效风速与测量风速之间的相关性下降；

定义第i个桨叶的视向风速u_los,i如下：

其中单点的测量值u_p,i(a)为：

式中，i为每只桨叶的编号，F为焦点距离，a为沿光束的范围，[u_h,i v_h,i w_h,i]为轮毂旋转坐标系下沿着激光束方向风速矢量，

为轮毂固定坐标系下安装在桨叶上望远镜位置点的线速度矢量，[l_x,h,i l_y,h,i l_z,h,i]为轮毂旋转坐标系下激光束的标准矢量；W(F,a)为权重函数，定义如下：

式中，R_R为瑞利长度，公式(1)中的a_min、a_max为沿着光束的最小、最大射程，为了激光雷达实现应用，这些值的选取可参考

其中W(F,F)为焦点距离为0时的权重值；

假定v_h,i，w_h,i方向分量接近于0，平行于轮毂轴线的有效风速u_h,est,i能够用下式计算得到：

叶轮平面上的一阶、非对称风速场能够被线性化，并通过两个相互垂直的分量描述；桨叶载荷与风速紧密相关，因此，对风速场的线性化表述也适用于载荷作用场；桨叶任意瞬时的载荷能够被视为其在载荷作用场对应位置的采样值，同样地，桨叶任意瞬时的有效风速也能够被视为其在风速场对应位置的采样值；此外，用来补偿由于风剪切和偏航误差造成叶轮气动力不平衡的附加变桨动作也能够表述为覆盖叶轮扫略平面的桨距作用场，而桨叶所需的附加变桨动作则通过其对桨距作用场对应位置采样获得；由于风速场能够描述为两个垂直的分量，所以这里从风速场到桨距作用场只需要一个双输入双输出控制器；

因此，估计出平行于轮毂轴线的风速u_h,est,i是由望远镜雷达系统的测量结果得到，它被用作补偿由风剪切和偏航误差造成叶轮气动力不平衡载荷的控制前馈输入量；而后根据望远镜雷达系统估算出的与轮毂轴线相平行的三支桨叶的风速(u_h,est,1，u_h,est,2，u_h,est,3)，经过Park变换或者Coleman变换成风速场的正交双分量(u_tilt，u_yaw)，从风速场的双分量经双输入双输出控制器得到桨距作用场，桨距作用场的两个正交桨叶角度(β_tilt，β_yaw)经Park逆变换最终得到三支桨叶独立的桨叶角度扰动量(β₁，β₂，β₃)，送给变桨执行机构执行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过安装在桨叶上的望远镜雷达系统不仅可以测试雷达前馈控制策略还可以基于此套设备测试独立变桨策略(Lidar-assisted IPC)，省去了叶根等大部件加装载荷传感器和解调仪等昂贵设备，充分发掘激光雷达潜能。

2、应用激光雷达测得的近叶轮平面风速真实有效，对叶轮受到的不平衡载荷的补偿更加及时，效果更好。

3、由于载荷传感器的可靠性一直存疑，难保长久运行不失效，但是激光雷达已经成为标配，可靠性更高。

4、对于在已有的机型平台上升功率和增大叶轮直径后，设计余量无法满足，通过采用激光雷达前馈独立变桨控制，可将设计载荷包络进各大部件载荷。

5、对于现有机型通过使用本发明技术后可以适应更高等级的风区。

6、海上大兆瓦机组从设计初始使用激光雷达前馈独立变桨控制，能够降低桨叶、轮毂及主轴承、偏航轴承载荷，从而顺利实现机组的大型化设计。

附图说明

图1为风力发电机组基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制逻辑图。

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。

本实施例所提供的风力发电机组基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法，其输入量是近叶轮平面的风速，无论是将激光雷达安装在风力发电机组的机舱上还是轮毂上，当测量近叶轮平面风速时候，相对于轮毂轴线都是有较大的测量角，桨叶的有效风速与测量风速之间的相关性就会下降；基于此，在每只桨叶上安装一个望远镜用来观测来流风速，它与安装在轮毂中的雷达系统通过光纤相连接，构成一套望远镜雷达系统，这就可以测得每只桨叶近叶轮平面的风速且不存在大的测量角。

定义第i个桨叶的视向风速u_los,i如下：

其中单点的测量值u_p,i(a)为：

式中，i为每只桨叶的编号，F为焦点距离，a为沿光束的范围，[u_h,i v_h,i w_h,i]为轮毂旋转坐标系下沿着激光束方向风速矢量，

为轮毂固定坐标系下安装在桨叶上望远镜位置点的线速度矢量，[l_x,h,i l_y,h,i l_z,h,i]为轮毂旋转坐标系下激光束的标准矢量；W(F,a)为权重函数，定义如下：

式中，R_R为瑞利长度，公式(1)中的a_min、a_max为沿着光束的最小、最大射程，为了激光雷达实现应用，这些值的选取可参考

其中W(F,F)为焦点距离为0时的权重值。

假定v_h,i，w_h,i方向分量接近于0，平行于轮毂轴线的有效风速u_h,est,i可用下式计算得到：

叶轮平面上的一阶、非对称风速场可以被线性化，并通过两个相互垂直的分量描述；桨叶载荷与风速紧密相关，因此，对风速场的线性化表述也适用于载荷作用场；桨叶任意瞬时的载荷可以被视为其在载荷作用场对应位置的采样值，同样地，桨叶任意瞬时的有效风速也可以被视为其在风速场对应位置的采样值；此外，用来补偿由于风剪切和偏航误差等造成叶轮气动力不平衡的附加变桨动作也可以表述为覆盖叶轮扫略平面的桨距作用场，而桨叶所需的附加变桨动作则可以通过其对桨距作用场对应位置采样获得。

所以，估计出平行于轮毂轴线的风速u_h,est_,i是由望远镜雷达系统的测量结果得到，它被用作补偿由风剪切和偏航误差等造成叶轮气动力不平衡载荷的控制前馈输入量。

由于风速场可以描述为两个垂直的分量，所以这里从风速场到桨距作用场只需要一个双输入双输出控制器(C)。望远镜雷达系统估算出的与轮毂轴线相平行的三支桨叶的风速(u_h,est,1，u_h,est,2，u_h,est,3)，经过Park变换或者Coleman变换(T)成风速场的正交双分量(u_tilt，u_yaw)，从风速场的双分量经双输入双输出控制器得到桨距作用场，桨距作用场的两个正交桨叶角度(β_tilt，β_yaw)经Park逆变换(T^-1)最终得到三支桨叶独立的桨叶角度扰动量(β₁，β₂，β₃)，送给变桨执行机构执行，控制逻辑如图1所示。

经实验验证，应用激光雷达前馈测风的独立变桨控制技术，对桨叶挥舞方向弯矩及轮毂偏航系统两个方向的弯矩(My，Mz)的降载效果略好于基于部件载荷的独立变桨控制，疲劳载荷与极限载荷能量衰减明显。

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 (1)

1.风力发电机组基于激光雷达前馈测风的独立变桨控制方法，其特征在于：

首先，在风力发电机组的每只桨叶上安装一个望远镜用来观测来流风速，它与安装在风力发电机组的轮毂中的激光雷达系统通过光纤相连接，构成望远镜雷达系统，实现在测得每只桨叶近叶轮平面的风速同时，也不存在大的测量角，从而避免桨叶的有效风速与测量风速之间的相关性下降；

定义第i个桨叶的视向风速u_los,i如下：

其中单点的测量值u_p,i(a)为：

式中，i为每只桨叶的编号，F为焦点距离，a为沿光束的范围，[u_h,i v_h,i w_h,i]为轮毂旋转坐标系下沿着激光束方向风速矢量，

为轮毂固定坐标系下安装在桨叶上望远镜位置点的线速度矢量，[l_x,h,i l_y,h,i l_z,h,i]为轮毂旋转坐标系下激光束的标准矢量；W(F,a)为权重函数，定义如下：

式中，R_R为瑞利长度，公式(1)中的a_min、a_max为沿着光束的最小、最大射程，为了激光雷达实现应用，这些值的选取参考

其中W(F,F)为焦点距离为0时的权重值；

假定v_h,i，w_h,i方向分量接近于0，平行于轮毂轴线的有效风速u_h,est,i能够用下式计算得到：

叶轮平面上的一阶、非对称风速场能够被线性化，并通过两个相互垂直的分量描述；桨叶载荷与风速紧密相关，因此，对风速场的线性化表述也适用于载荷作用场；桨叶任意瞬时的载荷能够被视为其在载荷作用场对应位置的采样值，同样地，桨叶任意瞬时的有效风速也能够被视为其在风速场对应位置的采样值；此外，用来补偿由于风剪切和偏航误差造成叶轮气动力不平衡的附加变桨动作也能够表述为覆盖叶轮扫略平面的桨距作用场，而桨叶所需的附加变桨动作则通过其对桨距作用场对应位置采样获得；由于风速场能够描述为两个垂直的分量，所以这里从风速场到桨距作用场只需要一个双输入双输出控制器；

因此，估计出平行于轮毂轴线的风速u_h,est,i是由望远镜雷达系统的测量结果得到，它被用作补偿由风剪切和偏航误差造成叶轮气动力不平衡载荷的控制前馈输入量；而后根据望远镜雷达系统估算出的与轮毂轴线相平行的三支桨叶的风速(u_h,est,1，u_h,est,2，u_h,est,3)，经过Park变换或者Coleman变换成风速场的正交双分量(u_tilt，u_yaw)，从风速场的双分量经双输入双输出控制器得到桨距作用场，桨距作用场的两个正交桨叶角度(β_tilt，β_yaw)经Park逆变换最终得到三支桨叶独立的桨叶角度扰动量(β₁，β₂，β₃)，送给变桨执行机构执行。

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