CN111396246A - 基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法 - Google Patents

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CN111396246A CN201911183034.8A CN201911183034A CN111396246A CN 111396246 A CN111396246 A CN 111396246A CN 201911183034 A CN201911183034 A CN 201911183034A CN 111396246 A CN111396246 A CN 111396246A
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Abstract

本发明公开了一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，包括如下步骤：基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制。本发明具有如下有益效果：能够减小机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差，提高实际风力发电机组风轮处的时间精度，提高雷达辅助控制效果。

Description

基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制技术领域，尤其是涉及一种能够减小机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差，提高实际风力发电机组风轮处的时间精度，提高雷达辅助控制效果的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法。
背景技术
随着风电技术的发展，机载式激光雷达的应用也越来越广泛。机载式激光雷达通过感知风机前方来流风速，经处理后形成风轮面前馈等效风速，作为雷达辅助控制器的输入。然而，雷达提供的风轮面前馈等效风速自激光雷达测量位置到风轮面处，不可避免地会发生演变。在泰勒冻结理论假设下，主流技术认为雷达前馈风速从测量位置到风力发电机组风轮面过程中是保持不变的，这种处理方式是不够真实的；而根据历史测风数据得出风速演变模型，也不能保在任何条件下均成立。
在部分情况下，受风速演变影响，会出现雷达提供的风轮面前馈等效风速与机组风轮面实际等效风速相差过大，以及雷达提供的风轮面前馈等效风速抵达风轮面的时间不精准的问题，对于机组的控制是不利的。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的部分情况下机载式激光雷达提供的前馈等效风速受风速演变影响而与风力发电机组风轮处实际等效风速偏差过大或者雷达前馈等效风速抵达机组风轮面时间不够精准的不足，提供了一种能够减小机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差，提高实际风力发电机组风轮处的时间精度，提高雷达辅助控制效果的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，包括如下步骤：
(1-1)基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；
(1-2)基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；
(1-3)基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；
(1-4)对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；
(1-5)对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；
(1-6)利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制。
本发明通过对风轮面前馈等效风速的时滞序列和数值序列进行修正，然后再作为雷达辅助控制器的输入，实现雷达辅助控制，减小了机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差。
作为优选，步骤(1-1)的具体步骤如下：
(2-1)以双质量块模型为基础，视气动转矩为等效扰动量，选取风力发电机组设计参数和运行参数，以风轮转速ωr，发电机转速ωg，低速轴转矩Tls为观测器状态变量，以发电机电磁转矩Te作为输入量，建立风力发电机组状态空间模型；
(2-2)根据风力发电机组控制器步长，对得到的风力发电机组状态空间模型进行离散化处理；
(2-3)合理配置观测器状态反馈矩阵，构造龙伯格状态观测器，确保观测器系统不会出现发散和噪声过大的现象；
(2-4)将龙伯格状态观测器集成到风力发电机组控制器；
(2-5)在风力发电机组运行过程中，根据龙伯格观测器的估计值和发电机电磁转矩测量值，利用公式Ta(z+1)＝Tls(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts重构气动转矩值，作为气动转矩确定值，其中，式中Ts为风力发电机组控制器步长，Ta为重构的气动转矩确定值。
作为优选，步骤(1-2)的具体步骤如下：
(3-1)根据静态功率曲线和机组当前功率，查询出当前机组功率对应的静态风速值，作为初始的预设的等效风速ν1；
(3-2)根据气动转矩确定值Ta和有效风速ν的关系式求解气动转矩对有效风速ν的偏导数，计算初始的预设的等效风速ν1处的气动转矩值
Figure BDA0002291771290000031
和气动转矩对等效风速偏导值
Figure BDA0002291771290000032
其中，气动转矩值
Figure BDA0002291771290000033
为
Figure BDA0002291771290000034
气动转矩对等效风速偏导值
Figure BDA0002291771290000035
为
Figure BDA0002291771290000036
式中Ta为气动转矩，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，λ为叶尖速比，其中
Figure BDA0002291771290000037
ωr_e为龙伯格观测器对风轮转速的观测值，ν为等效风速，β为桨距角；
Figure BDA0002291771290000038
由风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的关系曲线经线性插值得出；
(3-3)根据等效风速预设值ν1处的气动转矩值
Figure BDA00022917712900000312
与气动转矩确定值的差值Ta，以及等效风速预设值ν1处气动转矩对等效风速偏导值，获得等效风速变化值Δv，获得等效风速更新值；其中，
Figure BDA0002291771290000039
ν2＝ν1+Δv
式中，ν1为等效风速预设值，ν2为等效风速更新值，Ta为步骤S105中重构的气动转矩确定值，
Figure BDA00022917712900000310
等效风速初值ν1处的气动转矩值，
Figure BDA00022917712900000311
为等效风速初值ν1处气动转矩对等效风速偏导值；
(3-4)比较等效风速更新值ν2与等效风速预设值ν1之间的百分比差值；当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2作为迭代求解得到的等效风速，并结束所述迭代求解；
当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值不小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2更新成预设的等效风速ν1，继续进行迭代计算；
(3-5)对迭代求解得出的等效风速进行低通滤波处理，作为机组风轮面的当前有效风速Veff,Turbine。
作为优选，步骤(1-3)的具体步骤如下：
(4-1)获取机载式激光雷达一个或多个测量距离上各光束的原始视向风速Vlos,i，式中i代表激光雷达光束编号；
(4-2)设置平滑周期，对因气象原因或者叶片遮挡造成的低信噪比数据，进行保持上一次有效值处理；
(4-3)计算第j个测量距离的前馈等效风速：对于任意单个测量距离，考虑各光束与机载式激光雷达中轴线的夹角，将各光束所测的视向风速还原到机载式激光雷达中轴线，重构纵向风速，视为该测量距离的前馈等效风速，第j个测量距离的前馈等效风速为
Figure BDA0002291771290000041
式中，i代表激光雷达光束编号，j代表测量距离编号，α为雷达光束与中心轴线的夹角；
(4-4)融合多个测量距离的前馈等效风速到基准测量距离，选定测量距离x1为基准测量距离，测量距离x1的前馈等效风速为
Figure BDA0002291771290000042
式中，xj表示第j个测量距离，(xj-x1)/μj为风速从第j个距离门移动到第1个距离门所需的时间，μj为测量距离xj处的前馈等效风速的10分钟均值；
(4-5)对于基准测量距离x1，按前馈等效风速为雷达初始等效风速VLidar,j或者VLidar_combine，进行低通滤波处理，作为最终的未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lida，并根据未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lidar，根据泰勒冻结理论和感应区理论计算因感应区和风速平移造成的抵达风力发电机组风轮面的所需时间，作为初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar。
作为优选，步骤(1-4)的具体步骤如下：
(5-1)设定时滞监测周期，对时滞监测周期内的风力发电机组当前风轮面等效风速Veff,Turbine和激光雷达前馈等效风速Veff,Lidar进行去基线处理，分别获得去基线处理过的风力发电机当前风轮面等效风速Veff,Turbine,detren和去基线处理过的激光雷达前馈等效风速Veff,Lidar,detrend；
(5-2)选择窗函数和窗口长度，对进行过去基线处理的风力发电机组当前风轮面等效风速Veff,Turbine,detrend和激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend进行滑动加窗处理，分别得到加窗后的风力发电机组当前风轮面有效风速Veff,Turbine,detrend,windowed和加窗后的激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend,windowed；
(5-3)对加窗后的风力发电机组当前风轮面有效风速Veff,Turbine,detrend,windowed和加窗后的激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend,windowed，序列进行互相关计算，得到相关性系数序列和滞后值序列；
(5-4)对于任意窗口位置，取相关性系数最大值处对应的滞后值，作为该窗口位置处的雷达前馈等效风速抵达到风力发电机组风轮面所需时间的参考值TDelay,i；在整个时滞监测周期内滑动窗函数，获得该监测周期内的雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的时间参考值序列TDelay；
(5-5)对该时滞值监测周期内的初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar的序列和雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间序列TDelay取均值；若两者差值小于时间预定阈值，则将初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar作为雷达辅助控制器的输入序列，若差值不小于时间预定阈值，则对初设的雷达前馈风速抵达时间进行修正。
作为优选，步骤(1-5)的具体步骤如下：
(6-1)设定风速数值监测周期，计算同一监测周期内所述的风力发电机组当前风轮面等效风速均值和抵达机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速均值的差值；
(6-2)若差值小于等效风速均值预定阈值，将未修正的雷达前馈等效风速数值的时序作为雷达辅助控制器的输入；若差值不小于等效风速均值预定阈值，则对雷达前馈等效风速数值进行修正。
作为优选，步骤(2-5)中的公式用如下公式替换Ta(z+1)＝GTe(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts+GJg[ωg(z)-ωg(z-1)]/Ts，其中，式中Ts为风力发电机组控制器步长，Ta为重构的气动转矩确定值。
作为优选，对初设的雷达前馈风速抵达时间进行修正的方法如下：
取上一时滞监测周期内前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间TDelay均值与同时期初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar的均值的差值，叠加到下一时滞监测周期内的初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar序列，作为雷达辅助控制器的输入序列，直至同一监测周期内初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar和该时期内雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间序列TDelay的均值插值小于时间预定阈值。
作为优选，雷达前馈等效风速修正方法如下：
取上一风速监测周期内风力发电机组当前风轮面等效风速均值与同时期抵达机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速之间的差值，叠加到下一风速监测周期所述的雷达前馈等效风速的时序，作为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC，直到同一风速监测周期内风力发电机组当前风轮面等效风速均值和同时期抵达风力发电机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速均值的差值小于等效风速均值预定阈值。
作为优选，步骤(1-6)的具体步骤如下：
(10-1)激光雷达辅助控制策略在于：
Figure BDA0002291771290000061
τ为预定的超前时间，t为当前时刻，VLAC(t)为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC中当前抵达风轮面的雷达前馈等效风速，θspc(VLAC(t))为其对应的静态桨距角，VLAC(t+τ)为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC中在τ时刻后抵达风轮面的雷达前馈等效风速，θspc(VLAC(t+τ))为其对应的静态桨距角，
Figure BDA0002291771290000071
为雷达辅助控制器当前的输出的变桨速率；
(10-2)将
Figure BDA0002291771290000072
叠加到原有反馈控制器的变桨速率
Figure BDA0002291771290000073
上，实现雷达辅助控制。
因此，本发明具有如下有益效果：能够减小机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差，提高实际风力发电机组风轮处的时间精度，提高雷达辅助控制效果。
附图说明
图1是本发明的一种流程图；
图2是基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩的一种流程图；
图3是基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速的一种流程图；
图4是基于机载式激光雷达计算前馈等效风速的一种流程图；
图5是对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正的一种流程图；
图6是对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正的一种流程图；
图7是利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制的一种流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：
如图1所示的实施例是一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，包括如下步骤：
步骤S100，如图2所示，基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；
步骤S101，以双质量块模型为基础，视气动转矩为等效扰动量，选取风力发电机组设计参数和运行参数，以风轮转速ωr，发电机转速ωg，低速轴转矩Tls为观测器状态变量，以发电机电磁转矩Te作为输入量，建立风力发电机组状态空间模型
Figure BDA0002291771290000081
式中，Cd为低速轴刚度，kd为低速轴刚度，G为齿轮箱速比，Jr为风轮转动惯量，Jg为发电机转动惯量，ωr为风轮转速，ωg为发电机转速，Tls为低速轴转矩，Te为发电机电磁转矩；
步骤S102，根据风力发电机组控制器步长，对步骤S101中建立的连续状态空间模型进行离散化，离散方法一般采用双线性变换
Figure BDA0002291771290000082
Figure BDA0002291771290000083
表示系统矩阵；
Figure BDA0002291771290000084
表示控制矩阵；ωr(z)表示当前时刻风轮转速；ωg(z)表示当前时刻发电机转速；Tls(z)表示当前时刻低速轴转矩；
步骤S103，合理配置观测器状态反馈矩阵，构造龙伯格状态观测器，确保观测器系统不会出现发散和噪声过大的现象
Figure BDA0002291771290000085
Figure BDA0002291771290000086
表示观测器输出反馈转矩；ωgm表示测得的发电机转速；
在步骤S104，将龙伯格观测器集成到风力发电机组控制器中；
在步骤S105，在风力发电机组运行过程中，根据龙伯格观测器的估计值和发电机电磁转矩测量值，利用公式Ta(z+1)＝Tls(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts或
Ta(z+1)＝GTe(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts+GJg[ωg(z)-ωg(z-1)]/Ts重构气动转矩值，作为气动转矩确定值；式中，Ts为风力发电机组控制器步长，Ta为重构的气动转矩确定值；
步骤S200，如图3所示，基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；
步骤S201，根据静态功率曲线和机组当前功率，查询出当前机组功率对应的静态风速值，作为初始的预设的等效风速ν1；
步骤S202，根据气动转矩和有效风速ν的关系式求解气动转矩对有效风速ν的偏导数，计算初始的预设的等效风速ν1处的气动转矩值
Figure BDA0002291771290000099
和气动转矩对等效风速偏导值
Figure BDA0002291771290000091
气动转矩和有效风速的关系式为：
Figure BDA0002291771290000092
式中Ta为气动转矩，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，λ为叶尖速比，其中
Figure BDA0002291771290000093
ωr_e为龙伯格观测器对风轮转速的观测值，ν为等效风速，β为桨距角；
气动转矩对有效风速ν的偏导数为：
Figure BDA0002291771290000094
计算初始的预设的等效风速ν1处，气动转矩值
Figure BDA00022917712900000910
为
Figure BDA0002291771290000095
气动转矩对等效风速偏导值
Figure BDA0002291771290000096
为
Figure BDA0002291771290000097
式中，
Figure BDA0002291771290000098
可由风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的关系曲线经线性插值得出；
步骤S203，计算等效风速更新值；
根据等效风速预设值ν1处的气动转矩值与气动转矩确定值的差值，以及等效风速预设值ν1处气动转矩对等效风速偏导值，获得等效风速变化值Δv，更新等效风速；
其中，
Figure BDA0002291771290000101
ν2＝ν1+Δv
式中，ν1为等效风速预设值，ν2为等效风速更新值，Ta为步骤S105中重构的气动转矩确定值，
Figure BDA0002291771290000102
等效风速预设值ν1处的气动转矩值，
Figure BDA0002291771290000103
为等效风速预设值ν1处气动转矩对等效风速偏导值；
步骤S204，比较等效风速更新值ν2与等效风速预设值ν1之间的百分比差值；当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值小于百分比差值预定阈值时，进入步骤S205，将等效风速更新值ν2作为迭代求解得到的等效风速，并结束所述迭代求解；
当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值不小于百分比差值预定阈值时，进入步骤S206，用等效风速更新值ν2更新预设的等效风速ν1，返回步骤S202继续进行迭代计算；
步骤S300，如图4所示，基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；
步骤S301，获取机载式激光测风雷达一个或多个测量距离上各光束的原始视向风速Vlos,i；
所述机载式激光雷达包括但不限于机载式连续波激光测风雷达，机载式脉冲波式激光测风雷达，测量距离包括但不限于一个或多个；
步骤S302，设置合适的平滑周期，对因气象原因或者叶片遮挡造成的低信噪比数据，进行保持上一次有效值处理；
步骤S303，计算第j个测量距离的前馈等效风速；
对于任意单个测量距离，考虑各光束与雷达中轴线的夹角，将各光束所测的视向风速还原到雷达中轴线，重构纵向风速，视为该测量距离的前馈等效风速，第j个测量距离的前馈等效风速为
Figure BDA0002291771290000111
式中，i代表激光雷达光束编号，j代表测量距离编号，α为雷达光束与中心轴线的夹角；
步骤S304，融合多个测量距离的前馈等效风速到某一基准测量距离，选定测量距离x1基准测量距离，该测量的距离的前馈等效风速为
Figure BDA0002291771290000112
式中，xj表示第j个测量距离，(xj-x1)/μj为风速从第j个距离门移动到第1个距离门所需的时间，μj为测量距离xj处的前馈等效风速的10分钟均值；
步骤S305，对于基准测量距离x1，按步骤S304或S305求出前馈等效风速为雷达初始等效风速VLidar,j或者VLidar_combine，进行低通滤波处理，作为最终的未修正的雷达前馈等效风速Veff,Lidar，并根据该未修正的雷达前馈等效风速值，根据泰勒冻结理论和感应区理论计算因感应区和风速平移造成的抵达风力发电机组风轮面的所需时间，作为初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar；
步骤S400，如图5所示，对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；
步骤S401，设定时滞监测周期，对时滞监测周期内的风力发电机当前风轮面等效风速Veff,Turbine和激光雷达前馈等效风速Veff,Lidar进行去基线处理，分别获得去基线处理过的风力发电机当前风轮面等效风速Veff,Turbine,detren和去基线处理过的激光雷达前馈等效风速；
步骤S402，选择窗函数和窗口长度，所述窗函数包括但不限于汉宁窗(hanningwindow)，汉明窗(hamming window)，高斯窗(gauss window)，对进行过去基线处理的风力发电机组当前风轮面等效风速Veff,Turbine,detren和激光雷达前馈风速进行滑动加窗处理Veff,Lidar,detrend进行加窗处理，分别得到加窗后的风力发电机组当前风轮面有效风速Veff,Turbine,detrend,windowed和加窗后的激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend,windowed；
步骤S403，对步骤S402中加窗后的风力发电机组当前风轮面有效风速Veff,Turbine,detrend,windowed和加窗后的激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend,windowed，序列进行互相关计算，得到相关性系数序列和滞后值序列；
步骤S404，对于任意窗口位置，取相关性系数最大值处对应的滞后值，作为该窗口位置处的雷达前馈等效风速抵达到风力发电机组风轮面所需时间的参考值TDelay,i；在整个时滞监测周期内滑动窗函数，获得该监测周期内的雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的时间参考值序列TDelay；
步骤S405，评估步骤S404监测周期内的雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的时间参考值序列TDelay的均值和步骤S305中所述初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar的均值差值，若差值小于时间预定阈值，进入步骤S407；若差值不小于时间预定阈值，进入步骤S406；
步骤S406，将上一时滞监测周期内前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间TDelay均值与同时期初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar的均值的差值，叠加到下一时滞监测周期内的初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar序列，作为雷达辅助控制器的时滞输入序列，直至同一监测周期内初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar和该时期内雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间序列TDelay的均值插值小于所述阈值，进入步骤S407；
步骤S407，雷达前馈等效风速时间序列作为雷达辅助控制器的输入；
步骤S500，如图6所示，对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；
步骤S501，设定风速监测周期，监测同一周期内所述的风力发电机组当前风轮面等效风速均值和同时期抵达风力发电机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速均值的差值；
步骤S502，评估步骤S501所述同一周期内所述风力发电机组当前风轮面等效风速均值和同时期抵达风力发电机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速均值的差值，若差值小于等效风速均值预定阈值，则进入步骤S504；若差值不小于等效风速均值预定阈值，则进入步骤S503；
步骤S503，将上一监测周期的风力发电机组当前风轮面等效风速的均值和同时期抵达风力发电机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速的均值的差值，叠加到下一周期未修正的雷达前馈等效风速时序，然后进入步骤S504；
步骤S504，将来自步骤S503的修正过的雷达前馈等效风速的时序，或者来自步骤S502中无需修正的雷达前馈等效风速的时序，作为雷达辅助控制器的输入。
步骤S600，如图7所示，利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制；所述控制策略在于：
Figure BDA0002291771290000131
τ为预定的超前时间，t为当前时刻，VLAC(t)为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC中当前抵达风轮面的雷达前馈等效风速，θspc(VLAC(t))为其对应的静态桨距角，VLAC(t+τ)为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC中τ时刻后抵达风轮面的雷达前馈等效风速，θspc(VLAC(t+τ))为其对应的静态桨距角，
Figure BDA0002291771290000134
为雷达辅助控制器当前的输出的变桨速率；
将
Figure BDA0002291771290000132
叠加到原有反馈控制器的变桨速率
Figure BDA0002291771290000133
上，实现雷达辅助控制；
如图7所示，雷达输出雷达前馈等效风速Veff,Lidar，与机组输出的风力发电机组当前风轮面有效风速Veff,Turbine一起进入风速时滞和数值修正环节，经过时滞和数值修正，得到雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC，通过VLAC获得雷达辅助控制的桨距角变化速率
Figure BDA0002291771290000135
叠加到原有反馈控制器给定的变桨速率
Figure BDA0002291771290000136
实现雷达辅助控制。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1-1)基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；
(1-2)基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；
(1-3)基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；
(1-4)对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；
(1-5)对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；
(1-6)利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制。
2.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-1)的具体步骤如下：
(2-1)以双质量块模型为基础，视气动转矩为等效扰动量，选取风力发电机组设计参数和运行参数，以风轮转速ωr，发电机转速ωg，低速轴转矩Tls为观测器状态变量，以发电机电磁转矩Te作为输入量，建立风力发电机组状态空间模型；
(2-2)根据风力发电机组控制器步长，对得到的风力发电机组状态空间模型进行离散化处理；
(2-3)合理配置观测器状态反馈矩阵，构造龙伯格状态观测器，确保观测器系统不会出现发散和噪声过大的现象；
(2-4)将龙伯格状态观测器集成到风力发电机组控制器；
(2-5)在风力发电机组运行过程中，根据龙伯格观测器的估计值和发电机电磁转矩测量值，利用公式Ta(z+1)＝Tls(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts重构气动转矩值，作为气动转矩确定值，其中，式中Ts为风力发电机组控制器步长，Ta为重构的气动转矩确定值。
3.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-2)的具体步骤如下：
(3-1)根据静态功率曲线和机组当前功率，查询出当前机组功率对应的静态风速值，作为初始的预设的等效风速ν1；
(3-2)根据气动转矩确定值Ta和有效风速ν的关系式求解气动转矩对有效风速ν的偏导数，计算初始的预设的等效风速ν1处的气动转矩值
Figure FDA0002291771280000021
和气动转矩对等效风速偏导值
Figure FDA0002291771280000022
其中，气动转矩值
Figure FDA0002291771280000023
为
Figure FDA0002291771280000024
气动转矩对等效风速偏导值
Figure FDA0002291771280000025
为
Figure FDA0002291771280000026
式中Ta为气动转矩，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，λ为叶尖速比，其中
Figure FDA0002291771280000027
ωr_e为龙伯格观测器对风轮转速的观测值，ν为等效风速，β为桨距角；
Figure FDA0002291771280000028
由风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的关系曲线经线性插值得出；
(3-3)根据等效风速预设值ν1处的气动转矩值
Figure FDA0002291771280000029
与气动转矩确定值的差值Ta，以及等效风速预设值ν1处气动转矩对等效风速偏导值，获得等效风速变化值Δv，获得等效风速更新值；其中，
Figure FDA00022917712800000210
ν2＝ν1+Δv
式中，ν1为等效风速预设值，ν2为等效风速更新值，Ta为步骤S105中重构的气动转矩确定值，
Figure FDA00022917712800000211
等效风速初值ν1处的气动转矩值，
Figure FDA00022917712800000212
为等效风速初值ν1处气动转矩对等效风速偏导值；
(3-4)比较等效风速更新值ν2与等效风速预设值ν1之间的百分比差值；当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2作为迭代求解得到的等效风速，并结束所述迭代求解；
当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值不小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2更新成预设的等效风速ν1，继续进行迭代计算；
(3-5)对迭代求解得出的等效风速进行低通滤波处理，作为机组风轮面的当前有效风速Veff,Turbine。
4.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-3)的具体步骤如下：
(4-1)获取机载式激光雷达一个或多个测量距离上各光束的原始视向风速Vlos,i，式中i代表激光雷达光束编号；
(4-2)设置平滑周期，对因气象原因或者叶片遮挡造成的低信噪比数据，进行保持上一次有效值处理；
(4-3)计算第j个测量距离的前馈等效风速：对于任意单个测量距离，考虑各光束与机载式激光雷达中轴线的夹角，将各光束所测的视向风速还原到机载式激光雷达中轴线，重构纵向风速，视为该测量距离的前馈等效风速，第j个测量距离的前馈等效风速为
Figure FDA0002291771280000031
式中，i代表激光雷达光束编号，j代表测量距离编号，α为雷达光束与中心轴线的夹角；
(4-4)融合多个测量距离的前馈等效风速到基准测量距离，选定测量距离x1为基准测量距离，测量距离x1的前馈等效风速为
Figure FDA0002291771280000041
式中，xj表示第j个测量距离，(xj-x1)/μj为风速从第j个距离门移动到第1个距离门所需的时间，μj为测量距离xj处的前馈等效风速的10分钟均值；
(4-5)对于基准测量距离x1，按前馈等效风速为雷达初始等效风速VLidar,j或者VLidar_combine，进行低通滤波处理，作为最终的未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lida，并根据未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lidar，根据泰勒冻结理论和感应区理论计算因感应区和风速平移造成的抵达风力发电机组风轮面的所需时间，作为初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar。
5.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-4)的具体步骤如下：
(5-1)设定时滞监测周期，对时滞监测周期内的风力发电机组当前风轮面等效风速Veff,Turbine和激光雷达前馈等效风速Veff,Lidar进行去基线处理，分别获得去基线处理过的风力发电机当前风轮面等效风速Veff,Turbine,detren和去基线处理过的激光雷达前馈等效风速Veff,Lidar,detrend；
(5-2)选择窗函数和窗口长度，对进行过去基线处理的风力发电机组当前风轮面等效风速Veff,Turbine,detrend和激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend进行滑动加窗处理，分别得到加窗后的风力发电机组当前风轮面有效风速Veff,Turbine,detrend,windowed和加窗后的激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend,windowed；
(5-3)对加窗后的风力发电机组当前风轮面有效风速Veff,Turbine,detrend,windowed和加窗后的激光雷达前馈风速Veff,Lidar,detrend,windowed，序列进行互相关计算，得到相关性系数序列和滞后值序列；
(5-4)对于任意窗口位置，取相关性系数最大值处对应的滞后值，作为该窗口位置处的雷达前馈等效风速抵达到风力发电机组风轮面所需时间的参考值TDelay,i；在整个时滞监测周期内滑动窗函数，获得该监测周期内的雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的时间参考值序列TDelay；
(5-5)对该时滞值监测周期内的初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar的序列和雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间序列TDelay取均值；若两者差值小于时间预定阈值，则将初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar作为雷达辅助控制器的输入序列，若差值不小于时间预定阈值，则对初设的雷达前馈风速抵达时间进行修正。
6.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-5)的具体步骤如下：
(6-1)设定风速数值监测周期，计算同一监测周期内所述的风力发电机组当前风轮面等效风速均值和抵达机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速均值的差值；
(6-2)若差值小于等效风速均值预定阈值，将未修正的雷达前馈等效风速数值的时序作为雷达辅助控制器的输入；若差值不小于等效风速均值预定阈值，则对雷达前馈等效风速数值进行修正。
7.根据权利要求2所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(2-5)中的公式用如下公式替换Ta(z+1)＝GTe(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts+GJg[ωg(z)-ωg(z-1)]/Ts，其中，式中Ts为风力发电机组控制器步长，Ta为重构的气动转矩确定值。
8.根据权利要求5所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，对初设的雷达前馈风速抵达时间进行修正的方法如下：
取上一时滞监测周期内前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间TDelay均值与同时期初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar的均值的差值，叠加到下一时滞监测周期内的初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar序列，作为雷达辅助控制器的输入序列，直至同一监测周期内初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar和该时期内雷达前馈等效风速抵达风力发电机组风轮面的参考时间序列TDelay的均值插值小于时间预定阈值。
9.根据权利要求6所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，雷达前馈等效风速修正方法如下：
取上一风速监测周期内风力发电机组当前风轮面等效风速均值与同时期抵达机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速之间的差值，叠加到下一风速监测周期所述的雷达前馈等效风速的时序，作为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC，直到同一风速监测周期内风力发电机组当前风轮面等效风速均值和同时期抵达风力发电机组风轮面的未修正的雷达前馈等效风速均值的差值小于等效风速均值预定阈值。
10.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-6)的具体步骤如下：
(10-1)激光雷达辅助控制策略在于：
Figure FDA0002291771280000061
τ为预定的超前时间，t为当前时刻，VLAC(t)为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC中当前抵达风轮面的雷达前馈等效风速，θspc(VLAC(t))为其对应的静态桨距角，VLAC(t+τ)为雷达辅助控制器的风速输入序列VLAC中在τ时刻后抵达风轮面的雷达前馈等效风速，θspc(VLAC(t+τ))为其对应的静态桨距角，
Figure FDA0002291771280000071
为雷达辅助控制器当前的输出的变桨速率；
(10-2)将
Figure FDA0002291771280000072
叠加到原有反馈控制器的变桨速率
Figure FDA0002291771280000073
上，实现雷达辅助控制。
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