尾流模型的合理性也可以通过实测的尾流风速来验证，通 过实测数据来修正我们的仿真环境，提高载荷计算的准确性。
[0036] 5、前馈控制器设计不影响系统的稳定性，因此可以依旧按照原有的设计方法设计 转速-转矩控制器，在此基础上再进行前馈辅助控制器设计，从而保证了新控制器具有良 好的兼容性。
[0037] 本发明通过激光测风雷达测量风速风向，实现对风轮前一定距离风况的提前检 测，从而避免风轮旋转扰动和尾流等影响，保证了信号的准确信以及可靠性，用以优化偏航 对风控制以及最大Cp跟踪控制，实现了风机优化设计，其实现原理如图2所示。图2表示 一台水平轴上风向风力发电机组，通过安装在机舱顶部气象架上的激光测风雷达，可以检 测到风机前方来流的风速、风向信息（图2中A处的风速）。
[0038] 1.优化偏航对风控制
[0039] 风向具有随机性和突变性，且不可控制，因此，为了最大限度捕获风能，需要实时 调整风轮方向，使风轮始终正对来流风向。
[0040] 传统的机械式风向仪，大部分都安装在机舱后部（图2所示），因此不可避免受到 风轮尾流影响，风向测量结果不准确，从而风机不一定处于正对来流风速方向，且风向偏差 较大，最终影响风机发电量。
[0041] 当来流风速与风轮旋转平面法线方向有Θ角度的偏差时（图3所示），来流风速 V的有效分量为：
[0042] V1= Vcos θ (1)
[0043] 风机可以吸收的最大风功率Pniax为：
[0045] 采用激光雷达优化偏航对风，其最大的优点是将风轮前方一定距离风向作为偏航 控制的输入，因而不易受到风轮旋转以及尾流的影响，提高了准确度和可靠性，更有效的完 成偏航对风控制，从而提高风能吸收，增加发电量。
[0046] 2.优化最大Cp跟踪控制
[0047] 把激光测风雷达监测到的风速作为控制输入量，参与控制，在原有转速-转矩控 制基础上，增加一个风速前馈控制单元，如图4所示，虚线框内为优化后的转矩控制器。
[0048] 发电机在变速阶段采用最大Cp跟踪控制策略，即只要满足最佳叶尖速比如式（3)， 风机就可达到最大Cp风能吸收，传统的控制器仅以发电机转速为输入量，控制策略如式 (4)、（5)所示。 CN 105134490 A 说明书 4/4 页
[0051] Tc= k〇 2 (5)
[0052] 其中：λ为叶尖速比，λ _为最佳叶尖速比，Ω为风轮转速，R为风轮半径，p为 空气密度，G为齿轮箱增速比，0_为最佳桨距角，V为风速，ω为发电机转速。
[0053] 由此可知，若要求机组保持在最佳叶尖速比λ _下运行，则需要转速始终跟随来 流风速的变化而变化，但由于风轮是一个具有很大转动惯量的部件，当风速通过风轮转化 为转速变化时，再采用转速-转矩控制，很难保持最佳叶尖速比λ _运行，实际是在λ _ 附近运行，从而导致Cp下降，图5表示，如果风速的平均湍流约为15%，则机组实际运行在 叶尖速比8. 1-10.9的偏差区间内，并且15%对于小风的湍流值并不算大，外加偏航对风不 佳，则可能导致Cp更差。
[0054] 补偿风轮巨大惯性的方法之一，就是利用超前控制环节（前馈控制），提高转速的 加速度或减速度以响应风速变化。例如，在一段阵风中，如果可以利用风速变化来预知转速 的加速还是减速动作，就可以实现提前参与转矩控制来补偿风轮巨大的惯性。
[0055] 利用风机的净转矩可以预知风轮转速的波动情况如式（6)，将其引入传统的Τ。控 制，再乘以一个影响因子Kotr以保证机组运行安全，如式（7)，控制框图如图6所示。
[0059] 其中，TaCT。为气动转矩，T shaft轴转矩，T dM为给定转矩，J为风轮的转动惯量，V UDAR为激光雷达测量的风速。
[0060] 图6所示，利用激光雷达测量风机前一定距离的风速后，利用净转矩可预知风轮 转速的加速或减速过程，在传统控制器（虚线框内）的基础上外加一个前馈控制单元，提前 进行转速-转矩控制，尽量保证在最佳叶尖速比下运行，使得图5中的偏差区间变小。
[0061] 采用激光测风雷达提高风力发电机组经济性的发明，提高风能利用率，降低成本 具有重要意义。并且其具有易实现，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，本发明对设备没有过多限制，选购设备容易，实现风险较 小，具有很好的应用优势。
【主权项】
1. 一种提高风力发电机组经济性的方法，准确测量高风力发电机的来流风速、风向，并 将其作为控制变量引入机组偏航控制系统，参与优化偏航对风控制以及最大命跟踪控制， 使风轮最大限度地捕获风能，增加发电功率，提高机组经济性。2. 如权利要求1所述的提高风力发电机组经济性的方法，其特征在于：所述测量风力 发电机的来流风速、风向的具体方法是，设置一套测量装置，设风力发电机组前方一定距离 为测量点，向测量点发射激光，激光束碰到测量点大气中的粒子后，发生散射，将散射回来 的激光束与发射时的激光束进行对比，得出测量点大气粒子的运动速度和方向，依据粒子 对大气运动的跟随原理，粒子的运动速度等于大气运动速度，粒子的运动方向即大气运动 方向，从而得知测量点的风速和风向。3. 如权利要求2所述的提高风力发电机组经济性的方法，其特征在于：所述测量装置 包括激光发生器、发射器、接收器、信号处理器，所述激光发生器发出激光束，所述发射器将 激光束定向发射至测量点，所述接收器接收从测量点散射回来的激光束，所述信号处理器 对散射回来的激光束进行处理，得出测量点的风速和风向测量值。
【专利摘要】本发明公开一种提高风力发电机组经济性的方法，准确测量高风力发电机的来流风速、风向，并将其作为控制变量引入机组偏航控制系统，参与优化偏航对风控制以及最大<i>Cp</i>跟踪控制，使风轮最大限度地捕获风能，增加发电功率，提高机组经济性。
【IPC分类】F03D7/02, F03D11/00
【公开号】CN105134490
【申请号】CN201510518843
【发明人】宋聚众, 王兵, 莫尔兵, 兰杰, 林志明, 王其君, 尹景勋, 林淑
【申请人】东方电气风电有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月21日