专利名称：基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术，具体是一种对风况进行提前检测，并对检测信号进行提前响应的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制方法。
背景技术：
风能由于具有分布广泛、可重复利用和技术成熟等优点，已经成为最具实用性的可再生能源形式之一。过去几十年中的最常见的风能利用方式是通过装有风轮的风力发电机组捕获风能进行发电。目前风力发电机组的风轮大多运行在近地边界层下部，风况受地表情况影响比较大，风速呈现随机性、突变性等特点，且风能是一种不受控资源，通过改变风况来提高风力发电机组的输出特性是不可能的。目前风力发电机组的测风仪器主要是安装在机舱顶部的风杯和风向标，对于上风向风力发电机组来讲，测得的风速并不是到达风轮处的风速，而是经过叶片尾流影响的风速(如图2所示V2处风速)，不具有实时性。另外，风杯、风向标是机械式测量仪，具有转动惯量，而我国风机大部分安装在风沙大、气候寒冷的野外地区，容易受风沙侵蚀和结冰影响，造成测量精度低，易损坏。因此，测得的风速、风向一般用于偏航和功率曲线考核等，对于控制策略来说，不是一个可靠、有效的输入量。目前的风力发电机组，无论双馈型还是直驱型机组，基本采用变速变桨控制，当达到额定功率以后，通过变桨控制来限制风功率的捕获，使输出功率和发电机转速稳定在额定点附近。正如前所述，由于风况的随机性、突变性，而风轮是一个具有很大转动惯量的部件，当阵风到达时，引起的转速上升就具有较大延迟，而转速上升再反应到变桨控制器输出，控制变桨执行器收桨，又具有很大时间延迟，两部分延迟合起来构成了一个时间常数很大的环节，因此很容易在阵风情况下造成超速。为了应对此种情况，一般考虑提高变桨速率，加快变桨响应时间，降低系统的惯性，由此又引来另一个问题，变桨执行器动作太快会增加叶片和轮毂的载荷，同时由于桨叶变化太快，作用于叶片上的推力也会呈现周期变化特性，最终传导到塔筒上，增大了塔筒的弯矩载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统及其控制方法，可以提高风力发电机组输出特性，降低部件设计载荷，提高风机安全性能。本发明所采用的技术方案是基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统，所述前馈控制系统包括激光测风雷达、前馈控制器、变桨控制器和变桨执行器，具体的激光测风雷达安装在风力发电机组的机舱顶部，测量风机正前方一定距离m的实时风速，并将其发送至前馈控制器；前馈控制器包括数据处理单元和前馈逻辑单元，数据处理单元计算出实时的风速波动值△ V，并将其发送至前馈逻辑单元；前馈逻辑单元对风速波动值AV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器；变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号Θ并将其发送至变桨执行器；变桨执行器执行最终的变桨命令信号Θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。所述激光测风雷达可以定点聚焦，同时测量风机正前方若干个点的风速。基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统的控制方法，包括以下具体步骤I)激光测风雷达测量同时测量风机正前方η个点的实时风速，并将其发送至前馈控制器的数据处理单元；2)数据处理单元对上述实时风速进行加权平均，依下式计算
权利要求
1.基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统，其特征在于所述前馈控制系统包括激光测风雷达、前馈控制器、变桨控制器和变桨执行器，具体的 激光测风雷达安装在风力发电机组的机舱顶部，测量风机正前方一定距离m的实时风速，并将其发送至前馈控制器； 前馈控制器包括数据处理单元和前馈逻辑单元，数据处理单元计算出实时的风速波动值Λ V，并将其发送至前馈逻辑单元；前馈逻辑单元对风速波动值AV进行计算，得出附加命令桨角β，并将其发送至变桨控制器； 变桨控制器将附加命令桨角β与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号Θ并将其发送至变桨执行器； 变桨执行器执行最终的变桨命令信号Θ，从而消除风速波动对风机输出转速的影响。
2.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统，其特征在于所述激光测风雷达可以定点聚焦，同时测量风机正前方若干个点的风速。
3.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统的控制方法，其特征在于包括以下具体步骤 1)激光测风雷达测量同时测量风机正前方η个点的实时风速，并将其发送至前馈控制器的数据处理单元； 2)数据处理单元对上述实时风速进行加权平均，依下式计算
全文摘要
本发明提供了一种基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统及其控制方法，包括激光测风雷达、前馈控制器，前馈控制器包括数据处理单元和前馈逻辑单元，数据处理单元计算出实时的风速波动值ΔV，并将其发送至前馈逻辑单元；前馈逻辑单元对风速波动值ΔV进行计算，得出附加命令桨角β，与原有变桨控制器命令桨角α相加得到最终的变桨命令信号θ并将其发送至变桨执行器。本发明增加风速前馈控制，降低风力发电机组的相关部件载荷，提高风力发电机组的输出特性，提高风力发电机组在极端风况下的安全性；对现有运行风机系统不需做过多改造，同时具有广泛的适应性，能够在不同环境下使用，易实现，降低零部件载荷，提高风能利用率，降低成本。
文档编号F03D7/04GK103061980SQ20121058620
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者宋聚众, 王兵, 莫尔兵, 兰杰, 李永明, 林志明, 王其君, 尹景勋 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司