CN111472930B - 演化风速计算方法及基于该方法的前馈统一变桨控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种演化风速计算方法，包括：S1、通过设于风电场内预定位置的激光雷达测风仪测量相应位置的风速数据；S2、根据已知风演化模型提取风速时间信息，求得已知风演化模型对应的时间信息函数；S3、根据已知风演化模型得出测量点风速和无穷远处风速，结合时间信息函数得出任意时刻风速的时移信息；S4、通过风速的时移信息和计算所得的时间信息函数值，求出风力机叶轮中心处的风速时间序列；S5、根据叶轮中心处的风速时间序列判断是否产生风速混叠现象，若产生了风速混叠现象，则进行风速统一化处理，然后得到施加在风力机叶轮中心处的时间与风速一一对应的风速时间序列。本发明提高了对叶轮中心处风速预测的准确性，降低叶片及轮毂载荷。

Description

演化风速计算方法及基于该方法的前馈统一变桨控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种演化风速计算方法及基于该方法的前馈统一变桨控制方法。

背景技术

风力发电是一种高度成熟、商业化前景好的可再生能源应用方式。风能在较小的时间尺度上具有非平稳性，随机性，能量密度低等特点，这些特点导致风速不断变化，使风力机组对于风速的测量或预判始终存在较大误差，导致机组不能充分进行能量捕获、同时也增大了疲劳载荷。变桨系统是风力发电机特有的伺服控制系统，它的主要功能是通过改变桨距角改变叶轮的受力特性，使得其转速可以得到控制，进而改变转动系统的受力情况、发电机功率、疲劳载荷等。

传统的变桨控制系统通过机组的功率或转速参数进行控制，并将传感器测量的功率或转速信息经过数学处理得到桨距角的值，该值作为控制信号重新输入至风力机组完成控制。由于传统的风速风向仪对风速的测量误差过大，而且存在一定的滞后现象，所以应用风速信息的变桨控制器数量极少，实际应用情况也不理想，以往这样的控制方法会造成风资源的浪费，增大机组的疲劳载荷，不利于延长机组寿命。

传统风力机统一变桨控制策略，一般基于控制变量与给定目标之间的差值进行PI比例积分控制，得到桨距角给定，此控制方法存在系统受风影响之后的问题，使用风力机传统测风仪风速信号，同样存在风速滞后问题。使用激光雷达对风速进行预先测量可以解决此问题。

激光雷达测风仪利用多普勒频移原理来测量风资源风况参数，测量精度高达0.1m/s，风向精确度达到0.5度；工作温度范围大，可以满足-30～到+45℃的范围。激光雷达有很长远的应用前景，风力发电机组配备激光雷达装备，有延长风力发电机组6年的使用寿命的潜力，运行风力发电机组中安装的激光雷达前馈控制可以减少日常操作负荷。

目前，虽然已有很多研究人员对风速形成原因、过程及具体数学模型等进行过研究，并有相关的风演化模型提出，但是几乎没有与激光雷达检测数据协同使用的。激光雷达技术的出现可以为风电机组变桨、变距、偏航控制提供新的方法，通过激光雷达监测数据的二次实时处理，整体提高叶轮处风速变化的预测精度，使得很多基于风速的风电机组控制策略可以得到实际应用。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种演化风速计算方法，还提供了一种基于演化风速计算方法的前馈统一变桨控制方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种演化风速计算方法，包括如下步骤：

S1、通过设于风电场内预定位置的激光雷达测风仪测量相应位置的风速数据；

S2、根据任一已知风演化模型提取风速时间信息，求得已知风演化模型对应的时间信息函数；

S3、根据已知风演化模型得出测量点风速和无穷远处风速，并结合时间信息函数得出任意时刻风速的时移信息；

S4、通过风速的时移信息和计算所得的时间信息函数值，求出风力机叶轮中心处的风速时间序列；

S5、根据风力机叶轮中心处的风速时间序列判断是否产生风速混叠现象，若产生了风速混叠现象，则进行风速统一化处理，然后得到施加在风力机叶轮中心处的时间与风速一一对应的风速时间序列；否则，无需任何处理。

进一步地，步骤S1中，所述预定位置包括：

对于海上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴上，或相邻风电机组之间的海面漂浮平台上；

对于陆上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴上，或相邻风电机组之间的地面上。

进一步地，步骤S1中，所述激光雷达测风仪测量相应位置的风速数据包括：位于风电机组的机舱或转轴上的激光雷达测风仪测量叶轮平面前方中心或非中心的风速随时间变化序列；或者，位于地面或海面上的激光雷达对于风轮前方任意扫截面内某点的风速随时间变化序列。

进一步地，所述步骤S2具体包括如下：

如下为已知的一种风演化模型：

式中，v为当前位置x方向的风速大小；v_∞为无穷远处的风速大小；a为风力机轴向诱导系数，此处取a＝1/10；κ为叶轮前相对距离，κ＝x/R，R为叶轮半径；

构建以大气溶胶粒子位移x为因变量，时间t为自变量的微分方程，即令：x＝y，v＝y′，则上式变为：

再令：

其中，G′(y)为时间信息函数的导数，G(y)为时间信息函数；

则原方程可化为：

给出其一个解析解G(y)＝v_∞t；

当解析解无法计算或不能用初等函数表示时，给出一个数值解：

G(y)＝v_∞(n)t(n) (5)

在v_∞给定的情况下，风速从选定位置到叶轮前方某位置过程中，位置与所需的时间t(n)的函数关系，该过程中风速是不断衰减的，选定位置与解的常数选择有关，其解不唯一；无论选定位置如何设置，风速在两固定点之间经过的时间是不变的，此处称G(y)为这个风演化模型的时间信息函数。

进一步地，所述步骤S3具体包括如下：

式中，n为序列标号取整数，x₀为所选取的测量距离，v_x0(n)为x₀处的风速测量序列，其对应无穷远处的风速为v_∞(n)；

其对应到达叶轮中心时移为：

式中，t_ori(n)为雷达监测时间，t(n)为x₀处风速到达风轮中心的计算值。

进一步地，步骤S4具体包括：

得出时移信息t_ori(n)+t(n)后，其对应的叶轮中心处风速值为(1-a)v_∞(n)，则风力机叶轮中心处的风速时间序列为：

[t_ori(n)+t(n),(1-a)v_∞(n)](8)

进一步地，步骤S5中，所述风速混叠现象是指单个时间出现两个及以上的风速值，即出现：

t_ori(n₁)+t(n₁)＝t_ori(n₂)+t(n₂) (9)

进一步地，步骤S5中，所述风速统一化处理是基于能量法的风速统一化处理，当产生风速混叠现象时，认为混叠风速最终以一个统一的风速施加在叶轮上，在风速统一的过程中，认为不存在外界大气粒子溶胶进入而带入的能量，认为混叠的风速中含有大气溶胶粒子的比值为i，统一前后能量效率为η，则基于能量法的统一化风速为：

其中，v_uni为统一化后风速；v₁、v₂分别为相混叠的风速；在实际控制过程中，i与η是难以直接测量的物理量，可均取1进行近似计算或通过实验得出；

对于单个时间出现两个以上风速值的，计算统一化风速如下：

本发明还提供了一种基于演化风速计算方法的前馈统一变桨控制方法，包括如下步骤：

SS1、假设风力机在传统反馈统一变桨控制器控制下，发电机转速已达到稳定：

风力机动力学方程：

式中，T_Areo为气动转矩，N_Gear齿轮传动比，T_Gen为发电机转矩，I_Roter为叶轮惯量，I_Gen是发电机转动惯量，Ω₀发电机额定转速，ΔΩ发电机转速增量，I_Drivertrain传动链转动惯量，

发电机转速增量变化率；

假设发电机转速在反馈控制下达到稳定，则有

SS2、在此工作点对系统进行线性化可得：

结合

得到线性化处理后动力学方程为：

式中，P₀是额定功率，

是功率对桨距角变化敏感度，Δθ是桨距角增量，

是功率对风速变化敏感度；

SS3、最终得到桨距角增量，即在反馈控制发电机转速达到稳定的情况下，桨距角增量用来抵消风速增量：

SS4、根据权利要求1-8任一项所述演化风速计算方法得到叶轮中心处的风速时间序列，步骤SS3中所述风速增量是由风速时间序列中的相邻时刻风速差值计算如下：

Δv＝v(t₂)-v(t₁) (16)

本发明的有益效果是：

本发明所述的演化风速计算方法在已有的激光雷达测风仪监测数据的基础上，得出施加在轮毂上的风速时间序列信息，所得的风速信号更加贴近实际演化过程，提高了对风力机叶轮中心处风速预测的准确性，其计算结果可用于风力机变桨控制、转矩控制或偏航控制等，提高控制精度，提高捕获功率，降低叶片及轮毂载荷，延长风力机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实例所述的一种演化风速计算方法流程图。

图2为本发明实例所述的激光雷达测风仪测量示意图。

图3为本发明实例所述的激光雷达测风仪测量的风速曲线图。

图4为本发明实例所述的计算后的叶轮中心风速时间序列。

图5为本发明实例所述的统一风演化模型处理结果示意图。

图6为本发明实例所述的统一变桨策略流程图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种演化风速计算方法，具体包括如下步骤：

步骤101：根据具体风电机组工作情况、地形因素确定激光雷达测风仪的具体安装位置；具体实施时，激光雷达可安放在机舱、转轴、地面或海面上。

步骤102：确定测量点与叶轮平面的相对位置，如图2所示为一种激光雷达测风仪测量示意图，图中实心圆圈代表部分可测量位置；空心圆圈表示激光雷达测风仪可以安装的位置；具体实施时，其具体测量位置可根据激光雷达测风仪的性能、扫描模式及测量需求选取。

步骤103：获取激光雷达测风仪中的监测数据，该监测数据为风速的时间序列。图3为激光雷达测风仪获取的风速信息实例，具体实施时，激光雷达测风仪的测量数据可以直接获取。

步骤104：根据环境、地形因素选取风演化模型，风演化模型为已提出的、对风力机叶轮前方风速值变化的数学描述。该模型为已知的且可定量计算的；具体实施时可根据激光雷达的实测数据选取或使用本实施例给出的模型。

本实施例采用的一种风演化模型如下：

式中，v为当前位置x方向的风速大小，其中，叶轮坐标系以叶轮中心为坐标原点，x轴水平指向机舱，z轴垂直地面向上，建立笛卡尔坐标系；v_∞为无穷远处的风速大小；a为风力机轴向(x方向)诱导系数，此处取a＝1/10；κ为叶轮前相对距离，κ＝x/R，R为叶轮半径。

步骤105：时间信息函数是对风演化模型的数值求解，需要注意的是在求解时需分离出无穷远处风速，以便在给出不同无穷远处风速时时间信息函数是通用的。

具体实施时，因选取的风演化模型不同，解法也不同，其解可能是数值的或解析的，表1为使用本实施例的风演化模型对应的部分时间信息函数值。

表1为本实施例使用的风演化模型对应的部分时间信息函数值

步骤106：时间信息函数的解表征了风速演化过程中位移与时间的对应关系，也是风速衰减过程中的时移，图4为计算后的叶轮中心处风速时间序列。具体实施时，时移可由时间信息函数的解得到，而风速值衰减程度可直接由风演化模型计算得出。

步骤107：处理后的风速序列可能会发生混叠现象，如图4所示，图中参考线(t＝t₁)与风速信号相交的点即为混叠风速。当某一时刻出现两个及以上风速值时，需对其进行风速统一化处理；具体实施时，将互相混叠的风速值进行基于能量法的统一化处理，得到时间与风速一一对应的时间序列，图5为图4经过统一化处理的结果。

步骤108：当风速湍流结构变化不是很剧烈时，混叠现象可能不会发生，此时可直接将叶轮中心风速时间序列作为计算结果，其结果可用于风电机组前馈统一变桨控制，如图6所示。

具体实施时，将所得结果按一定的时间尺度提取增量Δv，其与桨距角增量Δθ的关系为：

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种演化风速计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过设于风电场内预定位置的激光雷达测风仪测量相应位置的风速数据；

S2、根据已知风演化模型提取风速时间信息，求得已知风演化模型对应的时间信息函数；

所述步骤S2具体包括如下：

如下为已知的一种风演化模型：

式中，v为当前位置x方向的风速大小；v_∞为无穷远处的风速大小；a为风力机轴向诱导系数，此处取a＝1/10；κ为叶轮前相对距离，κ＝x/R，R为叶轮半径；

构建以大气溶胶粒子位移x为因变量，时间t为自变量的微分方程，即令：x＝y，v＝y′，则上式变为：

再令：

其中，G′(y)为时间信息函数的导数，G(y)为时间信息函数；

则原方程可化为：

给出其一个解析解G(y)＝v_∞t；

当解析解无法计算或不能用初等函数表示时，给出一个数值解：

G(y)＝v_∞(n)t(n) (5)

在v_∞给定的情况下，风速从选定位置到叶轮前方某位置过程中，位置与所需的时间t(n)的函数关系，该过程中风速是不断衰减的，选定位置与解的常数选择有关，其解不唯一；无论选定位置如何设置，风速在两固定点之间经过的时间是不变的，此处称G(y)为这个风演化模型的时间信息函数；

S3、根据已知风演化模型得出测量点风速和无穷远处风速，并结合时间信息函数得出任意时刻风速的时移信息；

S4、通过风速的时移信息和计算所得的时间信息函数值，求出风力机叶轮中心处的风速时间序列；

S5、根据风力机叶轮中心处的风速时间序列判断是否产生风速混叠现象，若产生了风速混叠现象，则进行风速统一化处理，然后得到施加在风力机叶轮中心处的时间与风速一一对应的风速时间序列；否则，无需任何处理。

2.根据权利要求1所述的演化风速计算方法，其特征在于，步骤S1中，所述预定位置包括：

对于海上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴上，或相邻风电机组之间的海面漂浮平台上；

对于陆上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴上，或相邻风电机组之间的地面上。

3.根据权利要求2所述的演化风速计算方法，其特征在于，步骤S1中，所述激光雷达测风仪测量相应位置的风速数据包括：位于风电机组的机舱或转轴上的激光雷达测风仪测量叶轮平面前方中心或非中心的风速随时间变化序列；或者，位于地面或海面上的激光雷达对于风轮前方任意扫截面内某点的风速随时间变化序列。

4.根据权利要求1所述的演化风速计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下：

式中，n为序列标号取整数，x₀为所选取的测量距离，v_x0(n)为x₀处的风速测量序列，其对应无穷远处的风速为v_∞(n)；

其对应到达叶轮中心时移为：

式中，t_ori(n)为雷达监测时间，t(n)为x₀处风速到达风轮中心的计算值。

5.根据权利要求4所述的演化风速计算方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

得出时移信息t_ori(n)+t(n)后，其对应的叶轮中心处风速值为(1-a)v_∞(n)，则风力机叶轮中心处的风速时间序列为：

[t_ori(n)+t(n),(1-a)v_∞(n)] (8)。

6.根据权利要求4所述的演化风速计算方法，其特征在于，步骤S5中，所述风速混叠现象是指单个时间出现两个及以上的风速值，即出现：

t_ori(n₁)+t(n₁)＝t_ori(n₂)+t(n₂) (9)。

7.根据权利要求1所述的演化风速计算方法，其特征在于，步骤S5中，所述风速统一化处理是基于能量法的风速统一化处理，当产生风速混叠现象时，认为混叠风速最终以一个统一的风速施加在叶轮上，在风速统一的过程中，认为不存在外界大气粒子溶胶进入而带入的能量，认为混叠的风速中含有大气溶胶粒子的比值为i，统一前后能量效率为η，则基于能量法的统一化风速为：

其中，v_uni为统一化后风速；v₁、v₂分别为相混叠的风速；

对于单个时间出现两个以上风速值的，计算统一化风速如下：

8.一种基于演化风速计算方法的前馈统一变桨控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

SS1、假设风力机在传统反馈统一变桨控制器控制下，发电机转速已达到稳定：

风力机动力学方程：

式中，T_Areo为气动转矩，N_Gear齿轮传动比，T_Gen为发电机转矩，I_Roter为叶轮惯量，I_Gen是发电机转动惯量，Ω₀发电机额定转速，ΔΩ发电机转速增量，I_Drivertrain传动链转动惯量，

发电机转速增量变化率；

假设发电机转速在反馈控制下达到稳定，则有

SS2、在此工作点对系统进行线性化可得：

结合

得到线性化处理后动力学方程为：

式中，P₀是额定功率，

是功率对桨距角变化敏感度，Δθ是桨距角增量，

是功率对风速变化敏感度；

SS3、最终得到桨距角增量，即在反馈控制发电机转速达到稳定的情况下，桨距角增量用来抵消风速增量：

SS4、根据权利要求1-7任一项所述演化风速计算方法得到叶轮中心处的风速时间序列，步骤SS3中所述风速增量是由风速时间序列中的相邻时刻风速差值计算如下：

Δv＝v(t₂)-v(t₁) (16)。

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