基于激光測風雷達的風速前饋控制算法設計

林淑，蘭杰，莫爾兵，林志明，王其君

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

基于激光測風雷達的風速前饋控制算法設計

林淑，蘭杰，莫爾兵，林志明，王其君

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

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

激光雷達，前饋控制，超速，風力發電機組

0 引言

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

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

本文利用激光雷達測風設備，準確有效測得風力發電機組前方一定距離的風速、風向信號，將所測得信號引入到原有變槳控制算法中，設計風速前饋控制器，根據風速直接控制變槳系統，實現變槳速率前饋補償，降低轉速波動，有效防止風機超速停機，降低機組主要部件載荷，改善風機的運行效率。

1 激光雷達基本原理

激光測風雷達[8]是以激光為光源向大氣發射激光脈沖，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，通過分析發射激光和散射激光的多普勒頻移來計算出風速，其基本結構框圖如圖1所示。

圖1 激光測風雷達原理

激光發生器產生光源，通過發射器發射出去，發射器可以進行定點聚焦，以確定需要測量的風速位置，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論:大氣粒子運動速度=風速，從而也就測得了風速。

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

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

圖2 風速測量原理圖

表1 風速權值

進一步對風速進行加權平均，就得到了前饋控制器的輸入量V，如式（1）所示。

激光測風雷達可以測量風輪前方10 m～300 m范圍內的風況，選擇每隔10 m測量一個點，總共測量10個點，權值函數分別選取兩類權函數進行控制，如下圖所示。

圖3 高斯型權函數（中心值=10 m，方差=40）

圖4 高斯型權函數(中心值=50 m,方差=40)

圖3中權函數作為風輪前方10 m處檢測風速，可用于前饋控制輸入，而圖4中權函數作為風輪前方50 m處預測風速，可用作提前停機，提前偏航等安全監督控制。

2 前饋控制

前饋控制針對可測擾動，具有很好的補償作用，能夠提高系統的輸出特性，且在工業上已經有了廣泛的應用領域[9]。由激光雷達基本原理可知，其可準確有效測量出風機前方一定距離內的風速，相當于提前預知了風速擾動信號，把激光測風雷達監測到的風速作為控制輸入量，參與控制，在原有轉速-轉矩控制基礎上，增加一個風速前饋控制單元，如圖5所示，風速前饋控制器用于抵消由于風速波動對轉速產生的影響，即補償圖5中虛線框內風速-轉速傳遞函數的影響。

圖5 風速前饋控制原理圖

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

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

其中:ν表示測量風速，β（ν）表示穩態時風速對應的槳距角函數，如圖6所示。

圖6 穩態風速－槳距角函數曲線

式（3）前饋控制算法為靜態完全補償算法，實際的風力發電機組運行過程中，風速變換較快，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˙為風速變化速率，為了避免在額定風速附近dβ／dν劇烈變化，限制dβ／dν的值，如圖7所示。

圖7 穩態風速-變槳速率函數曲線

3 仿真分析

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

圖8 風速對比曲線

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

圖9 16 m/s的湍流風仿真結果

圖10 20 m/s的湍流風仿真結果

圖1150 年一遇IEC陣風15 m/s仿真結果

圖12 50年一遇IEC陣風15 m/s塔筒根部載荷對比

圖13 50年一遇IEC陣風15 m/s葉片根部載荷對比

圖14 50年一遇IEC陣風25 m/s仿真結果

圖15 50年一遇IEC陣風25 m/s塔筒根部載荷對比

圖16 50年一遇IEC陣風25 m/s葉片根部載荷對比

由圖9～圖16仿真結果可知，基于激光測風雷達測風的前饋控制在保證功率輸出基本不變的情況下，對轉速波動有很好的控制效果，可以大大減少風力發電機組的超速故障，提升風機運行效率。同時在極端風況運行情況下，機組關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 結論

通過Blade軟件仿真研究表明，采用激光測風雷達前饋控制算法的設計，前饋控制器抵消由于風速波動對轉速產生的影響，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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[9]胡壽松.自動控制原理：第五版[M].北京：科學出版社, 2007.

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，工學碩士，2012年畢業于沈陽工業大學控制理論與控制工程專業，現從事風電控制設計工作。