[发明专利]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

权利要求书

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。