基于激光測風(fēng)雷達的風(fēng)速前饋控制算法設(shè)計

林淑，蘭杰，莫爾兵，林志明，王其君

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

基于激光測風(fēng)雷達的風(fēng)速前饋控制算法設(shè)計

林淑，蘭杰，莫爾兵，林志明，王其君

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

文章提出了基于激光測風(fēng)雷達的風(fēng)速前饋控制算法設(shè)計，其特點是通過激光雷達準(zhǔn)確有效地測得風(fēng)力發(fā)電機組前方一定距離的風(fēng)速、風(fēng)向信號，并把所測信號引入到原有變槳控制算法中，設(shè)計了風(fēng)速前饋控制器，實現(xiàn)變槳速率前饋補償。以國產(chǎn)某1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計為例，基于Bladed軟件平臺對所采用的算法進行仿真驗證。結(jié)果表明，在來流作用于風(fēng)輪之前，控制器就已經(jīng)接收到超前信號，提前準(zhǔn)備變槳動作，避免或大大減少風(fēng)力發(fā)電機組的超速故障，降低了機組載荷，提高了風(fēng)力發(fā)電機組在極端風(fēng)況下的安全性，進而有助于提高發(fā)電量，改善風(fēng)力發(fā)電機組的運行效率。

激光雷達，前饋控制，超速，風(fēng)力發(fā)電機組

0 引言

目前風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)輪大多運行在近地邊界層下部，風(fēng)況受地表情況影響比較大，風(fēng)速呈現(xiàn)隨機性、突變性等特點，且風(fēng)能是一種不受控資源。風(fēng)力發(fā)電機組的測風(fēng)儀器主要是安裝在機艙頂部的風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)，對于上風(fēng)向風(fēng)力機來講，測得的風(fēng)速并不是到達風(fēng)輪處的風(fēng)速，而是經(jīng)過葉片尾流影響的風(fēng)速，不具有實時性[1-3]。風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)是機械式測量儀，而我國風(fēng)機大部分安裝在風(fēng)沙大、氣候寒冷的野外地區(qū)，容易受風(fēng)沙侵蝕和結(jié)冰影響，造成測量精度低，并易損壞。因此，對于控制策略來說，測得的風(fēng)速、風(fēng)向不是一個可靠、有效的輸入量。且由于風(fēng)輪具有很大轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)陣風(fēng)到達時，引起的轉(zhuǎn)速上升就具有較大延遲，而轉(zhuǎn)速上升再反應(yīng)到控制器輸出，控制變槳系統(tǒng)收槳，又具有很大時間延遲，兩部分延遲合起來構(gòu)成了一個時間常數(shù)很大的環(huán)節(jié)，因此很容易在陣風(fēng)情況下造成超速。特別是在地形比較復(fù)雜的風(fēng)場，風(fēng)速湍流較強、風(fēng)向變化較快，在中高風(fēng)速下，頻繁發(fā)生振動、超速故障。在仿真分析中，結(jié)果顯示由于湍流強度值偏大，中高風(fēng)速下經(jīng)常出現(xiàn)超速停機現(xiàn)象，機組載荷增大。近年來，風(fēng)機超速故障使得風(fēng)場運營效率低下的現(xiàn)象日益突顯。因此，準(zhǔn)確測風(fēng)，解決風(fēng)資源的極端不穩(wěn)定（風(fēng)向風(fēng)速變化快）或尾流因素等問題，及導(dǎo)致超速停機問題已不能忽視。

由于大部分風(fēng)力機的控制算法都是基于監(jiān)測結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)和傳動鏈等信息作為反饋量，但這些數(shù)據(jù)對風(fēng)力機受到的湍流影響，往往是不可靠或是存在延時響應(yīng)的[4-5]。這就約束了控制器外在響應(yīng)的控制效果，這樣在湍流到達時間和執(zhí)行機構(gòu)開始響應(yīng)之間就產(chǎn)生了不可避免的滯后。文獻[6-7]提出了基于測量風(fēng)速的前饋控制，都依賴于風(fēng)速儀所測風(fēng)速，所測風(fēng)速與風(fēng)機槳葉迎面的風(fēng)速有差距，影響控制性能。如果在湍流作用于風(fēng)輪之前若能監(jiān)測到來流風(fēng)況的話，對于防止超速、降載、減少故障停機而導(dǎo)致的發(fā)電量損失來說是相當(dāng)有效的。

本文利用激光雷達測風(fēng)設(shè)備，準(zhǔn)確有效測得風(fēng)力發(fā)電機組前方一定距離的風(fēng)速、風(fēng)向信號，將所測得信號引入到原有變槳控制算法中，設(shè)計風(fēng)速前饋控制器，根據(jù)風(fēng)速直接控制變槳系統(tǒng)，實現(xiàn)變槳速率前饋補償，降低轉(zhuǎn)速波動，有效防止風(fēng)機超速停機，降低機組主要部件載荷，改善風(fēng)機的運行效率。

1 激光雷達基本原理

激光測風(fēng)雷達[8]是以激光為光源向大氣發(fā)射激光脈沖，接收大氣粒子(主要是氣溶膠粒子和大氣分子)的后向散射信號，通過分析發(fā)射激光和散射激光的多普勒頻移來計算出風(fēng)速，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 激光測風(fēng)雷達原理

激光發(fā)生器產(chǎn)生光源，通過發(fā)射器發(fā)射出去，發(fā)射器可以進行定點聚焦，以確定需要測量的風(fēng)速位置，激光束碰到確定距離大氣中的粒子后，進行散射，接收器接收到散射回來的激光束，通過與發(fā)射時的激光束進行對比，得出測量點粒子的運動速度。

由于大氣中的氣溶膠粒子對大氣運動具有很好的跟隨性，而如上面所述，大氣粒子對激光束的散射主要是由氣溶膠粒子和大氣分子散射造成的，因此可以得出如下結(jié)論:大氣粒子運動速度=風(fēng)速，從而也就測得了風(fēng)速。

本文通過激光雷達測量風(fēng)速，實現(xiàn)了對風(fēng)況提前檢測。圖2為一臺水平軸上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機，通過安裝在機艙頂部的激光測風(fēng)雷達，可以檢測到風(fēng)機前方來流風(fēng)速、風(fēng)向信息（圖2中V1處的風(fēng)速）。

由激光測風(fēng)雷達原理可知，其可以進行定點聚焦測量某一確定位置的風(fēng)速狀況，因此采用檢測風(fēng)輪前方多個點的風(fēng)速，然后進行加權(quán)平均。通過改變聚焦位置，可以同時測量圖中A～F共N個點的風(fēng)況，然后給每個點測得的風(fēng)速賦予一個權(quán)值，如表1所示。

圖2 風(fēng)速測量原理圖

表1 風(fēng)速權(quán)值

進一步對風(fēng)速進行加權(quán)平均，就得到了前饋控制器的輸入量V，如式（1）所示。

激光測風(fēng)雷達可以測量風(fēng)輪前方10 m～300 m范圍內(nèi)的風(fēng)況，選擇每隔10 m測量一個點，總共測量10個點，權(quán)值函數(shù)分別選取兩類權(quán)函數(shù)進行控制，如下圖所示。

圖3 高斯型權(quán)函數(shù)（中心值=10 m，方差=40）

圖4 高斯型權(quán)函數(shù)(中心值=50 m,方差=40)

圖3中權(quán)函數(shù)作為風(fēng)輪前方10 m處檢測風(fēng)速，可用于前饋控制輸入，而圖4中權(quán)函數(shù)作為風(fēng)輪前方50 m處預(yù)測風(fēng)速，可用作提前停機，提前偏航等安全監(jiān)督控制。

2 前饋控制

前饋控制針對可測擾動，具有很好的補償作用，能夠提高系統(tǒng)的輸出特性，且在工業(yè)上已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[9]。由激光雷達基本原理可知，其可準(zhǔn)確有效測量出風(fēng)機前方一定距離內(nèi)的風(fēng)速，相當(dāng)于提前預(yù)知了風(fēng)速擾動信號，把激光測風(fēng)雷達監(jiān)測到的風(fēng)速作為控制輸入量，參與控制，在原有轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制基礎(chǔ)上，增加一個風(fēng)速前饋控制單元，如圖5所示，風(fēng)速前饋控制器用于抵消由于風(fēng)速波動對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響，即補償圖5中虛線框內(nèi)風(fēng)速-轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)的影響。

圖5 風(fēng)速前饋控制原理圖

前饋控制器從理論上講，可以完全抵消風(fēng)速波動對轉(zhuǎn)速的影響，只要滿足式（2）且Gps為可逆系統(tǒng)。

但是由于風(fēng)速－轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)Gws的復(fù)雜性，不能精確獲得，Gps不一定為可逆系統(tǒng)，因此式（2）表達的動態(tài)前饋控制器不能實現(xiàn)。為此，考慮采用靜態(tài)前饋補償器如式（3）所示。

其中:ν表示測量風(fēng)速，β（ν）表示穩(wěn)態(tài)時風(fēng)速對應(yīng)的槳距角函數(shù)，如圖6所示。

圖6 穩(wěn)態(tài)風(fēng)速－槳距角函數(shù)曲線

式（3）前饋控制算法為靜態(tài)完全補償算法，實際的風(fēng)力發(fā)電機組運行過程中，風(fēng)速變換較快，不可能達到完全補償，為了提高補償效果，在式（3）基礎(chǔ)上采用變槳速率補償前饋控制器如式（4）所示。

式中:β˙為前饋變槳速率，ν˙為風(fēng)速變化速率，為了避免在額定風(fēng)速附近dβ／dν劇烈變化，限制dβ／dν的值，如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)風(fēng)速-變槳速率函數(shù)曲線

3 仿真分析

本文基于Bladed軟件平臺對某國產(chǎn)1.5 MW機組進行仿真分析，輪轂中心高度60 m，A類湍流，風(fēng)速閾值9 m/s，測量風(fēng)輪前方70 m處風(fēng)速，采樣周期為1 s，測量噪音為均勻分布，范圍為± 0.5 m/s。仿真計算結(jié)果如下圖所示。

圖8 風(fēng)速對比曲線

由圖8知，激光雷達測量風(fēng)速能夠完全表征實際的風(fēng)況，可以作為有效的風(fēng)速參考控制量。

圖9 16 m/s的湍流風(fēng)仿真結(jié)果

圖10 20 m/s的湍流風(fēng)仿真結(jié)果

圖1150 年一遇IEC陣風(fēng)15 m/s仿真結(jié)果

圖12 50年一遇IEC陣風(fēng)15 m/s塔筒根部載荷對比

圖13 50年一遇IEC陣風(fēng)15 m/s葉片根部載荷對比

圖14 50年一遇IEC陣風(fēng)25 m/s仿真結(jié)果

圖15 50年一遇IEC陣風(fēng)25 m/s塔筒根部載荷對比

圖16 50年一遇IEC陣風(fēng)25 m/s葉片根部載荷對比

由圖9～圖16仿真結(jié)果可知，基于激光測風(fēng)雷達測風(fēng)的前饋控制在保證功率輸出基本不變的情況下，對轉(zhuǎn)速波動有很好的控制效果，可以大大減少風(fēng)力發(fā)電機組的超速故障，提升風(fēng)機運行效率。同時在極端風(fēng)況運行情況下，機組關(guān)鍵部件塔筒根部和葉片根部的極限載荷均顯著降低，提高了機組的使用壽命。

4 結(jié)論

通過Blade軟件仿真研究表明，采用激光測風(fēng)雷達前饋控制算法的設(shè)計，前饋控制器抵消由于風(fēng)速波動對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的影響，保證功率輸出不變的情況下，減少了機組的超速故障，降低了機組載荷，有助于提高發(fā)電量，改善機組的運行效率和安全性，提高機組使用壽命。

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Design of Wind Speed Feedforward Control Algorithm Based on Laser Lidar

Lin Shu,Lan Jie,Mo Erbing,Lin Zhiming,Wang Qijun

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

A design of wind speed feedforward control algorithm was presented based on laser lidar in this paper.Through measuring the wind speed and wind direction signal accurately at a certain distance in front of the wind turbine,and introducing the measured signals into the pitch control algorithm,the wind speed feedforward controller was designed,then achieved the pitch rate feedforward compensation.Taking 1.5 MW wind turbine as an example,this algorithm was simulated based on the GH Bladed software in this paper.The simulation results showed that the controller would receive the leading signal and ready ahead to perform pitch action before the flow was acted on the wind turbine.It avoided or greatly reduced the over speeding fault of wind turbine and lowered the load.So it improved the safety of wind turbine in extreme wind conditions,which helps to improve the power generation and the efficiency of wind turbine.

laser lidar,feedforward control,over-speeding,wind turbine

TP273

A

1674-9987（2017）02-0051-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.012

基金編號:四川省科技支撐計劃項目資助項目（2014GZ0084）

林淑（1986-），女，工學(xué)碩士，2012年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)電控制設(shè)計工作。