基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，包括如下步骤：基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制。本发明专利技术具有如下有益效果：能够减小机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差，提高实际风力发电机组风轮处的时间精度，提高雷达辅助控制效果。

【技术实现步骤摘要】
基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法
本专利技术涉及风力发电机组控制
，尤其是涉及一种能够减小机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差，提高实际风力发电机组风轮处的时间精度，提高雷达辅助控制效果的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法。
技术介绍
随着风电技术的发展，机载式激光雷达的应用也越来越广泛。机载式激光雷达通过感知风机前方来流风速，经处理后形成风轮面前馈等效风速，作为雷达辅助控制器的输入。然而，雷达提供的风轮面前馈等效风速自激光雷达测量位置到风轮面处，不可避免地会发生演变。在泰勒冻结理论假设下，主流技术认为雷达前馈风速从测量位置到风力发电机组风轮面过程中是保持不变的，这种处理方式是不够真实的；而根据历史测风数据得出风速演变模型，也不能保在任何条件下均成立。在部分情况下，受风速演变影响，会出现雷达提供的风轮面前馈等效风速与机组风轮面实际等效风速相差过大，以及雷达提供的风轮面前馈等效风速抵达风轮面的时间不精准的问题，对于机组的控制是不利的。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术中存在的部分情况下机载式激光雷达提供的前馈等效风速受风速演变影响而与风力发电机组风轮处实际等效风速偏差过大或者雷达前馈等效风速抵达机组风轮面时间不够精准的不足，提供了一种能够减小机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差，提高实际风力发电机组风轮处的时间精度，提高雷达辅助控制效果的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，包括如下步骤：(1-1)基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；(1-2)基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；(1-3)基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；(1-4)对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；(1-5)对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；(1-6)利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制。本专利技术通过对风轮面前馈等效风速的时滞序列和数值序列进行修正，然后再作为雷达辅助控制器的输入，实现雷达辅助控制，减小了机载式激光雷达提供的前馈等效风速与风力发电机组风轮处实际等效风速数值偏差。作为优选，步骤(1-1)的具体步骤如下：(2-1)以双质量块模型为基础，视气动转矩为等效扰动量，选取风力发电机组设计参数和运行参数，以风轮转速ωr，发电机转速ωg，低速轴转矩Tls为观测器状态变量，以发电机电磁转矩Te作为输入量，建立风力发电机组状态空间模型；(2-2)根据风力发电机组控制器步长，对得到的风力发电机组状态空间模型进行离散化处理；(2-3)合理配置观测器状态反馈矩阵，构造龙伯格状态观测器，确保观测器系统不会出现发散和噪声过大的现象；(2-4)将龙伯格状态观测器集成到风力发电机组控制器；(2-5)在风力发电机组运行过程中，根据龙伯格观测器的估计值和发电机电磁转矩测量值，利用公式Ta(z+1)＝Tls(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts重构气动转矩值，作为气动转矩确定值，其中，式中Ts为风力发电机组控制器步长，Ta为重构的气动转矩确定值。作为优选，步骤(1-2)的具体步骤如下：(3-1)根据静态功率曲线和机组当前功率，查询出当前机组功率对应的静态风速值，作为初始的预设的等效风速ν1；(3-2)根据气动转矩确定值Ta和有效风速ν的关系式求解气动转矩对有效风速ν的偏导数，计算初始的预设的等效风速ν1处的气动转矩值和气动转矩对等效风速偏导值其中，气动转矩值为气动转矩对等效风速偏导值为式中Ta为气动转矩，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，λ为叶尖速比，其中ωr_e为龙伯格观测器对风轮转速的观测值，ν为等效风速，β为桨距角；由风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的关系曲线经线性插值得出；(3-3)根据等效风速预设值ν1处的气动转矩值与气动转矩确定值的差值Ta，以及等效风速预设值ν1处气动转矩对等效风速偏导值，获得等效风速变化值Δv，获得等效风速更新值；其中，ν2＝ν1+Δv式中，ν1为等效风速预设值，ν2为等效风速更新值，Ta为步骤S105中重构的气动转矩确定值，等效风速初值ν1处的气动转矩值，为等效风速初值ν1处气动转矩对等效风速偏导值；(3-4)比较等效风速更新值ν2与等效风速预设值ν1之间的百分比差值；当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2作为迭代求解得到的等效风速，并结束所述迭代求解；当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值不小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2更新成预设的等效风速ν1，继续进行迭代计算；(3-5)对迭代求解得出的等效风速进行低通滤波处理，作为机组风轮面的当前有效风速Veff,Turbine。作为优选，步骤(1-3)的具体步骤如下：(4-1)获取机载式激光雷达一个或多个测量距离上各光束的原始视向风速Vlos,i，式中i代表激光雷达光束编号；(4-2)设置平滑周期，对因气象原因或者叶片遮挡造成的低信噪比数据，进行保持上一次有效值处理；(4-3)计算第j个测量距离的前馈等效风速：对于任意单个测量距离，考虑各光束与机载式激光雷达中轴线的夹角，将各光束所测的视向风速还原到机载式激光雷达中轴线，重构纵向风速，视为该测量距离的前馈等效风速，第j个测量距离的前馈等效风速为式中，i代表激光雷达光束编号，j代表测量距离编号，α为雷达光束与中心轴线的夹角；(4-4)融合多个测量距离的前馈等效风速到基准测量距离，选定测量距离x1为基准测量距离，测量距离x1的前馈等效风速为式中，xj表示第j个测量距离，(xj-x1)/μj为风速从第j个距离门移动到第1个距离门所需的时间，μj为测量距离xj处的前馈等效风速的10分钟均值；(4-5)对于基准测量距离x1，按前馈等效风速为雷达初始等效风速VLidar,j或者VLidar_combine，进行低通滤波处理，作为最终的未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lida，并根据未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lidar，根据泰勒冻结理论和感应区理论计算因感应区和风速平移造成的抵达风力发电机组风轮面的所需时间，作为初设的雷达前馈风速抵达时间TLidar。作为优选，步骤(1-4)的具体步骤如下：(5-1)设定时滞监测周期，对时滞监测周期内的风力发电机组当前风轮面等效风速Veff,Turbine和激光雷达前馈等效风速Veff,Lidar进行去基线处理，分别获得去基线处理过的风力发电机当前风轮面等效风速Veff,Turbine,detren和去基线处理过的激光雷达前馈等效风速Veff,Lidar,detrend；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1-1)基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；/n(1-2)基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；/n(1-3)基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；/n(1-4)对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；/n(1-5)对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；/n(1-6)利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1-1)基于龙伯格观测器重构风力发电机组风轮面气动转矩；
(1-2)基于牛顿法计算风力发电机组当前风轮面等效风速；
(1-3)基于机载式激光雷达计算前馈等效风速；
(1-4)对激光雷达前馈等效风速时滞序列进行修正；
(1-5)对激光雷达前馈等效风速数值序列进行修正；
(1-6)利用激光雷达辅助控制器进行激光雷达辅助控制。


2.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-1)的具体步骤如下：
(2-1)以双质量块模型为基础，视气动转矩为等效扰动量，选取风力发电机组设计参数和运行参数，以风轮转速ωr，发电机转速ωg，低速轴转矩Tls为观测器状态变量，以发电机电磁转矩Te作为输入量，建立风力发电机组状态空间模型；
(2-2)根据风力发电机组控制器步长，对得到的风力发电机组状态空间模型进行离散化处理；
(2-3)合理配置观测器状态反馈矩阵，构造龙伯格状态观测器，确保观测器系统不会出现发散和噪声过大的现象；
(2-4)将龙伯格状态观测器集成到风力发电机组控制器；
(2-5)在风力发电机组运行过程中，根据龙伯格观测器的估计值和发电机电磁转矩测量值，利用公式Ta(z+1)＝Tls(z)+Jr[ωr(z)-ωr(z-1)]/Ts重构气动转矩值，作为气动转矩确定值，其中，式中Ts为风力发电机组控制器步长，Ta为重构的气动转矩确定值。


3.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-2)的具体步骤如下：
(3-1)根据静态功率曲线和机组当前功率，查询出当前机组功率对应的静态风速值，作为初始的预设的等效风速ν1；
(3-2)根据气动转矩确定值Ta和有效风速ν的关系式求解气动转矩对有效风速ν的偏导数，计算初始的预设的等效风速ν1处的气动转矩值和气动转矩对等效风速偏导值其中，气动转矩值为气动转矩对等效风速偏导值为



式中Ta为气动转矩，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，Cp为风能利用系数，R为风轮半径，λ为叶尖速比，其中ωr_e为龙伯格观测器对风轮转速的观测值，ν为等效风速，β为桨距角；由风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的关系曲线经线性插值得出；
(3-3)根据等效风速预设值ν1处的气动转矩值与气动转矩确定值的差值Ta，以及等效风速预设值ν1处气动转矩对等效风速偏导值，获得等效风速变化值Δv，获得等效风速更新值；其中，ν2＝ν1+Δv
式中，ν1为等效风速预设值，ν2为等效风速更新值，Ta为步骤S105中重构的气动转矩确定值，等效风速初值ν1处的气动转矩值，为等效风速初值ν1处气动转矩对等效风速偏导值；
(3-4)比较等效风速更新值ν2与等效风速预设值ν1之间的百分比差值；当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2作为迭代求解得到的等效风速，并结束所述迭代求解；
当等效风速更新值ν2与确定等效风速预设值ν1之间的百分比差值不小于百分比差值预定阈值时，将等效风速更新值ν2更新成预设的等效风速ν1，继续进行迭代计算；
(3-5)对迭代求解得出的等效风速进行低通滤波处理，作为机组风轮面的当前有效风速Veff,Turbine。


4.根据权利要求1所述的基于叶轮等效风速修正的激光雷达辅助控制方法，其特征在于，步骤(1-3)的具体步骤如下：
(4-1)获取机载式激光雷达一个或多个测量距离上各光束的原始视向风速Vlos,i，式中i代表激光雷达光束编号；
(4-2)设置平滑周期，对因气象原因或者叶片遮挡造成的低信噪比数据，进行保持上一次有效值处理；
(4-3)计算第j个测量距离的前馈等效风速：对于任意单个测量距离，考虑各光束与机载式激光雷达中轴线的夹角，将各光束所测的视向风速还原到机载式激光雷达中轴线，重构纵向风速，视为该测量距离的前馈等效风速，第j个测量距离的前馈等效风速为
式中，i代表激光雷达光束编号，j代表测量距离编号，α为雷达光束与中心轴线的夹角；
(4-4)融合多个测量距离的前馈等效风速到基准测量距离，选定测量距离x1为基准测量距离，测量距离x1的前馈等效风速为
式中，xj表示第j个测量距离，(xj-x1)/μj为风速从第j个距离门移动到第1个距离门所需的时间，μj为测量距离xj处的前馈等效风速的10分钟均值；
(4-5)对于基准测量距离x1，按前馈等效风速为雷达初始等效风速VLidar,j或者VLidar_combine，进行低通滤波处理，作为最终的未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lida，并根据未修正的雷达前馈等效风速值Veff,Lidar，根据泰勒冻结理论和感应区理论计算因感应区和风速平移造成的抵达风力发电机组风轮面的所需时间，作为初设的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙勇，杨翀，应有，陈棋，李照霞，
申请(专利权)人：浙江运达风电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33