[发明专利]风力涡轮机的基于激光雷达的多变量前馈控制

说明书

总之，本发明涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括：‑向前馈送控制器，其具有风力涡轮机的转子有效风速作为输入参数并且具有多个输出参数；‑反馈控制器，其中输入参数是基于风力涡轮机的转子速度或发电机速度并且具有至少一个输出参数；并且其中，ο向反馈控制器提供向前馈送控制器的一个输出参数作为输入参数，以及ο将向前馈送控制器的另一输出参数用作用于控制风力涡轮机的向前馈送控制参数，以及ο将反馈控制器的一个输出参数用作用于控制风力涡轮机的反馈控制参数，以及涉及一种风力涡轮机和一种控制方法。

技术领域

激光雷达技术的当前进展提供在控制设计中包括风力预览信息的可能性。激光雷达辅助的总距控制是用于降低满载荷操作的转子速度变化和结构载荷的简单但有希望的方法。该工作将这种方法延伸到部分载荷操作与满载荷操作之间的过渡。提出了一种多变量控制器，该多变量控制器基于非线性系统反演来提供对发电机扭矩速率和最小桨距角的简单更新。发电机扭矩速率和最小桨距角的前馈信号可以与传统反馈控制器和总距前馈控制器相结合以用于满载荷操作。这有助于商用风力涡轮机上的模块化应用。使用全气动弹性风力涡轮机模型和激光雷达模拟器进行的模拟显示出改进的转子速率调节和塔筒载荷(tower load)的显著降低，同时仅稍微降低功率。此外，概述了将载荷降低转换成能量增加的可能性。

背景技术

激光雷达是技术人员已知的通过用激光照亮目标来测量距离的测量技术。激光雷达(Lidar)是光探测和测距的首字母缩略词，并且最初创建为“光”和“雷达”的混成词。激光雷达普遍用作进行高清晰度映射的技术，应用于测地学、测绘学、考古学、地理学、地质学、地形学、地震学、林学、大气物理学、机载激光条带测绘(ALSM)以及激光测高。所谓的激光雷达有时简称为激光扫描或3D扫描，具有陆地应用、空中应用和移动应用。

激光雷达使用紫外光、可见光或近红外光对物体成像。其目标可以是广泛范围的材料，包括非金属物体、岩石、雨、化学化合物、气溶胶、云以及甚至单个分子。窄激光束可以以极高的分辨率来映射物理特征；例如，飞机可以在30cm分辨率或更好的分辨率下映射地形。

激光雷达已经广泛地用于大气研究和气象学。装配到飞机和卫星的激光雷达仪器实施测量和映射—最近的示例是美国地质调查实验高级机载研究激光雷达(U.S.Geological Survey Experimental Advanced Airborne Research Lidar)。NASA已经将激光雷达视作用于实现未来机器人和载人月球登陆飞行器的自主精确安全登陆的关键技术。

波长改变以适应目标：从约10微米到UV(大约250nm)。通常，经由反向散射来反射光。不同类型的散射用于不同的激光雷达应用：最常见的瑞利散射、米氏散射、拉曼散射、以及荧光。基于不同种类的反向散射，激光雷达可以相应地被称为瑞利激光雷达、米氏激光雷达、拉曼激光雷达、Na/Fe/K荧光激光雷达等。波长的适当组合可以允许通过识别返回信号的强度的波长相关变化来远程映射大气内容。

激光雷达辅助控制已经变成风力涡轮机控制界的重要研究课题。在最初的现场测试期间，总距前馈控制在若干次现场测试中能够在满载荷操作期间降低转子速度变化和结构载荷。在部分载荷操作期间，激光雷达辅助的扭矩控制仅显示关于功率产生的边际益处，同时对结构载荷产生负面影响。仅使用总距的非线性模型预测控制(NMPC)在满载荷操作期间提供与总距前馈控制类似的性能，但在另外使用发电机扭矩在部分载荷操作与满载荷操作之间的过渡上显示出改进的性能。尽管NMPC在计算方面变得越来越有效，但更换反馈控制器使得它对涡轮机制造商不太有吸引力。基于平坦度的方法允许基于转子速度和塔筒运动的轨迹来计算控制动作，并且也在过渡区域显示出改进的控制性能，但难以调谐。在该工作中，提出替代方案，其可以更容易应用且仍显示出显著的改进。