一種大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及大型風(fēng)電機(jī)組控制領(lǐng)域，特別設(shè)及一種大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷 優(yōu)化控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)能發(fā)電作為可持續(xù)能源發(fā)電中發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，已成為應(yīng)對(duì)能源危機(jī) 和環(huán)境污染的一個(gè)重要手段，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。隨著風(fēng)電機(jī)組變速變獎(jiǎng)控 制技術(shù)日益成熟W及單機(jī)容量和風(fēng)輪直徑的逐漸增大，如何通過(guò)核屯、控制策略的優(yōu)化，W 有效減小風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的載荷，進(jìn)而降低運(yùn)些關(guān)鍵部件的成本，提高風(fēng)電機(jī)組的可靠 性和壽命，成為國(guó)內(nèi)外風(fēng)電研究的熱點(diǎn)方向之一。
[0003] 由于風(fēng)能具有隨機(jī)性和突發(fā)性的特性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作點(diǎn)隨風(fēng)速的變化時(shí)刻 變化，表現(xiàn)出高度的時(shí)變、非線性特性。而常規(guī)的風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛運(yùn)用于 風(fēng)電機(jī)組控制當(dāng)中，但是顯然不夠精確。當(dāng)運(yùn)用于測(cè)量時(shí)變性較大的風(fēng)能，導(dǎo)致風(fēng)速數(shù)據(jù)差 異，測(cè)試數(shù)據(jù)存在一定的偏差。
[0004] 目前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率控制和獎(jiǎng)距角同步調(diào)整的控制技術(shù)已被普遍采用。而在運(yùn) 行過(guò)程中，機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)W及電氣的負(fù)荷承受能力均將出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，風(fēng)速的大范圍變 化也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的工況點(diǎn)處于不斷變化，特別是當(dāng)機(jī)組的容量較大時(shí)，如果擾動(dòng)風(fēng)速得不 到有效的抑制，機(jī)組的輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)會(huì)更為顯著，運(yùn)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性會(huì)造成不良影響。 近年來(lái)，通過(guò)單獨(dú)控制每支葉片W縮減風(fēng)電機(jī)組葉片載荷波動(dòng)也引起了眾多研究者的關(guān) 注。但是無(wú)論是采用任何一種控制策略，載荷隨節(jié)距角、旋轉(zhuǎn)位置角的變化不可避免會(huì)影響 其平穩(wěn)性，運(yùn)種波動(dòng)甚至?xí)斐刹煌~片間的不同步現(xiàn)象。因而，有必要分析風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程 中的受力情況，通過(guò)優(yōu)化控制策略提高風(fēng)力機(jī)輸出功率的穩(wěn)定性和降低風(fēng)機(jī)的疲勞載荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠提高大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷特性 和發(fā)電功率、延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行壽命的大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是:一種大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制 方法，包括W下步驟：
[0007] 1)雷達(dá)掃描：利用激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)輪迎風(fēng)面不同高度層不同位置的風(fēng) 速；
[000引2)分析風(fēng)電機(jī)組的獎(jiǎng)葉氣動(dòng)特性；
[0009] 3)利用激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的下一時(shí)刻預(yù)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)機(jī)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)前饋 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)獎(jiǎng)距角和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的控制，從而優(yōu)化下一時(shí)刻的風(fēng)機(jī)載荷。
[0010] 上述大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制方法，所述步驟1)中，激光雷達(dá)探測(cè) 系統(tǒng)首先將激光束發(fā)射至風(fēng)輪前面的不同高度不同距離的目標(biāo)位置，激光束經(jīng)過(guò)大氣散射 后，由光電探測(cè)器接收散射的多普勒頻移信號(hào)，進(jìn)行散射頻移信號(hào)與激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)本 振光的相干混頻，接著相干混頻信號(hào)送入控制電路，然后通過(guò)控制電路進(jìn)行比較、濾波、求 導(dǎo)、積分加權(quán)處理后，得到相干多普勒頻移信號(hào)的頻率，再利用此頻率值與風(fēng)速之間的關(guān) 系，獲得所探測(cè)區(qū)域的聚焦處沿光束方向橫向及徑向速度，通過(guò)調(diào)焦裝置改變激光束的聚 焦位置，從而測(cè)得不同高度層不同位置的風(fēng)速。
[0011] 上述大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制方法，所述步驟2)中，風(fēng)電機(jī)組的獎(jiǎng) 葉氣動(dòng)特性分析過(guò)程為:首先計(jì)算出每個(gè)不同獎(jiǎng)葉的各自的受力情況，采用線性的葉素-動(dòng) 量理論將風(fēng)輪平面上風(fēng)速的隨機(jī)變化轉(zhuǎn)變?yōu)楠?jiǎng)葉擺振方向和俯仰方向的力矩的相對(duì)變化， 計(jì)算出每個(gè)獎(jiǎng)葉上的受力情況W及相應(yīng)的載荷波動(dòng)，針對(duì)每個(gè)風(fēng)機(jī)葉片葉素，將其速度分 解為垂直于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量和平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的分量，在風(fēng)輪半徑r處取一段長(zhǎng) 度為化的微元，其弦長(zhǎng)為1，獎(jiǎng)距角為目，當(dāng)氣流在風(fēng)輪尾流中旋轉(zhuǎn)時(shí)，將激勵(lì)微元化產(chǎn)生其 斜向上的軸向推力dF;
[0012] dF作用在葉素上，產(chǎn)生與風(fēng)速V垂直的升力化：
[0013]
[0014] dF作用在葉素上，產(chǎn)生與風(fēng)速V平行的阻力郵：
[0015]
[0016] 其中:P為空氣密度，Cd為葉素阻力系數(shù)，Cl為葉素升力系數(shù)；
[0017] 在平行的旋轉(zhuǎn)平面方向分解為dFa:
[001 引
[0019] 在垂直的旋轉(zhuǎn)平面方向分解為dFu:
[0020]
[0021] 其中：I為來(lái)流角，I = e+i，其中i為攻角，e為獎(jiǎng)距角；
[0022] 對(duì)dFa和dFu進(jìn)行積分計(jì)算，得到葉片軸向力Fa和為葉片切向力Fu:
[0025]葉片軸向力Fa產(chǎn)生獎(jiǎng)葉揮舞力矩MFlapwise，葉片切向力Fu產(chǎn)生獎(jiǎng)葉擺振力矩 MEdgewise：
[0028] 其中:R為風(fēng)輪半徑最大值，ro為葉素起始點(diǎn)的半徑值；
[0029] 風(fēng)輪傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為
[0030]
[0031] 其中:J為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ωτ為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，MrDtDr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩；
[0034] 其中：Η為輪穀高度，Μ為塔架上機(jī)艙總質(zhì)量，S為塔架剛度，Sned為塔架前后位移， Snay為塔架左右位移，D為塔架阻尼系數(shù)，F(xiàn)ax為軸向力，F(xiàn)sd為側(cè)向力，Mtilt為風(fēng)機(jī)的俯仰力矩。
[0035] 上述大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制方法，所述步驟3)中，利用激光雷達(dá) 探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)下一時(shí)刻預(yù)測(cè)風(fēng)速，將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速Ωτ輸入到風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制器中，設(shè)置具有 自適應(yīng)能力的轉(zhuǎn)速誤差口限，給出獎(jiǎng)距角優(yōu)化前饋值A(chǔ) θι，與風(fēng)電機(jī)組恒定功率控制得到 的獎(jiǎng)距角Θ進(jìn)行比較，得到風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化獎(jiǎng)距角Θl，θl = θ+Δθl，根據(jù)θl進(jìn)行變獎(jiǎng)優(yōu)化操作， 從而實(shí)時(shí)地改變轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制，
[0036]
[0037] 其中：V為風(fēng)輪平面的有效風(fēng)速，τ為激光雷達(dá)提前預(yù)測(cè)時(shí)間，^為轉(zhuǎn)速誤差口 ?ν 限，其中?.為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)，Θ為獎(jiǎng)距角。
[0038] 上述大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制方法，所述步驟1)與步驟2)之間還包 括激光雷達(dá)譜分析的步驟，具體為:選用化ar小波作為分析小波，通過(guò)計(jì)算激光束信號(hào)的重 分配尺度譜，得到化ar小波基函數(shù)，然后計(jì)算優(yōu)化基函數(shù)的小波重分配尺度譜，獲得風(fēng)輪迎 風(fēng)面不同高度層不同位置的風(fēng)速能量分布圖。
[0039] 上述大型風(fēng)電機(jī)組的雷達(dá)輔助載荷優(yōu)化控制方法，激光雷達(dá)譜分析的步驟中，對(duì) 激光雷達(dá)原始風(fēng)速信號(hào)的譜信號(hào)序列進(jìn)行相應(yīng)多分辨率計(jì)算：
[0043] 其中，h和g分別為所選定的化ar小波基及尺度函數(shù)所生成的系統(tǒng)離散高通和低通 濾波器的系數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)一旦確定化ar小波基之后，h和g也就選定。Ts為采樣時(shí)間，aj (η)為離 散逼近風(fēng)速信號(hào)，實(shí)為風(fēng)速信號(hào)的低頻信息，山(η)為離散細(xì)節(jié)的風(fēng)速信號(hào)，實(shí)為風(fēng)速信號(hào) 的高頻信息，C為風(fēng)速信號(hào)尺度的展開系數(shù)，L為小波展開層數(shù)；
[0044] 控制系統(tǒng)的小波系數(shù)為：
[004引其中：m，n，j，k為正整數(shù)，h(m-2k)為小波的低通濾波器系數(shù)，g(m-2k)為小波的高 通濾波器系數(shù)；
[0049]系統(tǒng)的重構(gòu)信號(hào)為：
[0052] 其中：h*(m-2k)為小波的共輛濾波器系數(shù)，g*(m-2k)為小波的共輛濾波器系數(shù)。
[0053] 相對(duì)于已有的大型風(fēng)力機(jī)載荷控制方法，本發(fā)明有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0054] 1.本控制方法利用激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)輪迎風(fēng)面不同高度層不同位置的風(fēng) 速;基于激光雷達(dá)的準(zhǔn)確測(cè)量而非預(yù)測(cè)，應(yīng)變測(cè)量準(zhǔn)確，精度高達(dá)±0.5%，分辨率±0.1%;
[0055] 2.利用激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的下一時(shí)刻預(yù)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)機(jī)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)前饋 調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)獎(jiǎng)距角和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的控制，能夠?qū)O端風(fēng)況作出更快的響應(yīng)，避免極端 載荷;提高了大型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)預(yù)見風(fēng)況變化的能力，提前對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制；
[0056] 3.本控制方法降低了大型風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷，減小了風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，提高了風(fēng)機(jī) 的功率品質(zhì)從而增加發(fā)電量;有效減小了風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的載荷，降低了運(yùn)些關(guān)鍵部件 的成本，提高了風(fēng)電機(jī)組的可靠性和壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0057] 圖1為本發(fā)明的控制流程圖。
[005引圖2為本發(fā)明的激光雷達(dá)掃描的測(cè)量位置示意圖。
[0059] 圖3為本發(fā)明載荷優(yōu)化控制原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0061] 如圖1所示，本發(fā)明包括W下步驟：
[0062] 1)雷達(dá)掃描：利用激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)輪迎風(fēng)面不同高度層不同位置的風(fēng) 速；
[0063] 激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)首先將激光束發(fā)射至風(fēng)輪前面的不同高度不同距離的目標(biāo)位 置，激光束經(jīng)過(guò)大氣散射后，由光電探測(cè)器接收散射的多普勒頻移信號(hào)，進(jìn)行散射頻移信號(hào) 與激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)本振光的相干混頻，來(lái)感知多普勒頻移信號(hào)發(fā)生強(qiáng)弱的變化，接著相 干混頻信號(hào)送入控制電路，然后通過(guò)控制電路進(jìn)行比較、濾波、求導(dǎo)、積分加權(quán)處理后，得到 相干多普勒頻移信號(hào)的頻率，再利用此頻率值與風(fēng)速之間的關(guān)系，多普勒頻移信號(hào)Vd與風(fēng) 速之間的關(guān)系表達(dá)式如下所示
[0064] vd = 2vcos 白/λ
[0065] 式中：Θ為激光雷達(dá)的發(fā)射角，A = c/vo為發(fā)射的激光脈沖的中屯、波長(zhǎng)，c = 2.998X 108m/s為真空中的光速，VO為激光雷達(dá)的發(fā)射中屯、頻率。
[0066] 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)通過(guò)檢測(cè)該多普勒頻移實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測(cè)量，獲得所探測(cè)區(qū)域的聚焦處 沿光束方向橫向及徑向速度，通過(guò)調(diào)焦裝置改變激光束的聚焦位置，從而測(cè)得不同高度層 不同位置的風(fēng)速。
[0067]則不同高度層不同位置的風(fēng)速為：
[006引
[0069] 其中：f為激光雷達(dá)的采樣頻率，Μ為數(shù)據(jù)的樣本點(diǎn)數(shù)，N為累積的激光脈沖發(fā)數(shù)，W 為歸一化譜寬，SNR為頻譜寬度內(nèi)的寬帶信噪比，信噪比SNR的表示為
[0070]
[0071] 其中：So為后向散射信號(hào)的功率，No為噪聲功率。
[0072] 2)激光雷達(dá)譜分析:為了獲得更高精度的風(fēng)速和風(fēng)向，運(yùn)用激光小