[发明专利]采用互补滤波器测量风力发电机组有效风速的方法及实现该方法的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用互补滤波器测量风力发电机组有效风速的方法及实现该方法的装置，属于风力发电技术领域。

背景技术

风力发电机组是将风能转换成为电能的设备。由于在将风能转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染，因此采用风力发电机组发电对保护环境、改善能源结构具有重要意义。

风能是一种不稳定的能源，其速度和方向一直处于变化之中，为了保证发电机组发出的电能质量，机组的控制系统需要时时根据机组所受风力和风向的变化，调整机组的输出，以满足电网的需求，因此控制系统的控制技术成为风力发电机组安全高效运行的关键，而实现对风速的精确测量成为设计控制系统的前提条件。

风力发电机组处于三维时变的风场环境中，它同时受到紊流、塔架、风剪差及地表粗糙度等因素的影响，因此风速在整个风力发电机组叶轮旋转平面上的分布具有很大的差异，在风力发电技术领域，将产生相同气动转矩的叶轮扫风面的平均风速，或者风力发电机组实际捕获的风能所对应的风速的有效值作为有效风速而应用于风力发电机组的控制技术中。所述的风力发电机组的有效风速不能直接测量获得，只能采用间接的方法进行估计。

在传统的风力发电机组中，采用位于机舱顶部的风速计测量风速，所述的风速计包括叶片式风速计或者转杯式风速计等，由于此类风速计的尺寸很小，只能测量极小范围的风速，即所谓点风速。这样获得的风速与整个风力发电机组叶轮旋转平面所受到的风速有较大差别，因此测量结果难以反映出叶轮旋转平面真实捕获的风能的大小，同时由于易受紊流、塔架、风剪差、地表粗糙度等因素的影响的干扰，风速计测量的结果无法准确反映有效风速的大小，准确度较差。所以基于风速计的测量获得的有效风速，及进而得到的风速调节转速和功率是不精确的。但同时由于风速计的尺寸和惯性一般较小，因此它测量的风速信号又存在对有效风速变化的响应较快的优点，能够反映有效风速的动态变化。

另一方面，如果不考虑风力发电机组的机械损失和发电机损失，风力发电机组的叶轮所捕获的风能将全部转换成发电机的电能输出，因此发电机的电能信号的稳态值能准确表征风力发电机组实际捕获的风能的稳态值，进而准确表征了叶轮捕获的有效风速(有效风能)的稳态值。因此可以通过测量风力发电机组发电机的转速、电功率或者电磁扭矩等能反映出发电机的输出电能的信号，来估计风力发电机组叶轮的有效风速，其所涉及的方法包括系统辨识技术，状态观测器技术，模糊控制技术及数据挖掘技术等，这些方法的实质是将叶轮转子当作了一个巨型的风速计。但是由于风力发电机组的叶轮转子具有非常大的惯性，因此发电机的转速、电功率或者电磁扭矩等信号对有效风速变化的响应较慢，无法反映风速的动态变化，对于有效风速测量的高频误差较大，可以认为是在有效风速信号上叠加了一个高频噪声信号。

总之，目前的风力发电机组有效风速的测量方法不能兼顾准确性和快速性：风速计测量的风速信号对有效风速变化的响应较快，但是易受紊流、塔架、风剪差、地表粗糙度等因素的影响的干扰，准确度较差；发电机的转速、电功率或者电磁扭矩等信号稳态时能够准确反映有效风速变化的稳态值，但是其响应较慢，无法反映风速的动态变化。因此需要提供一种简单有效的风力发电机组有效风速的估计方法，以便能够既准确又快速地估计风力发电机组的有效风速。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有对风力发电机组的有效风速值的测量不能兼顾准确性和快速性的问题，提供一种采用互补滤波器测量风力发电机组有效风速的方法及实现该方法的装置。

本发明所述的采用互补滤波器测量风力发电机组有效风速的方法，它基于风速计、高通滤波器、发电机参数采集传感器、计算模块、低通滤波器和加法模块实现，所述方法为：

采用风速计测量风力发电机组叶轮上的风速，得到第一风速信号S1；第一风速信号S1经高通滤波器滤除低频信号后，获得第一风速信号S1的高频分量S2；

同时采用发电机参数采集传感器测量风力发电机机组的发电机信号，得到发电机信号S3；发电机信号S3经计算模块转换成第二风速信号S4；第二风速信号S4经低通滤波器滤除高频信号后，获得第二风速信号S4的低频分量S5；

采用加法模块将高频分量S2和低频分量S5相加，得到风力发电机组的有效风速S6。

本发明所述实现上述采用互补滤波器测量风力发电机组有效风速的方法的采用互补滤波器测量风力发电机组有效风速的装置，它由风速计、高通滤波器、发电机参数采集传感器、计算模块、低通滤波器和加法模块组成，