专利名称：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的制作方法
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�。荒懿饬考》段У姆缢伲此降惴缢佟Ｕ庋竦玫姆缢儆胝龇缌Ψ⒌缁橐堵中矫嫠艿降姆缢儆薪洗蟛畋穑虼瞬饬拷峁岩苑从吵鲆堵中矫嬲媸挡痘竦姆缒艿拇笮。庇捎谝资芪闪�、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�。既范冉喜�。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�。虼怂饬康姆缢傩藕庞执嬖诙杂行Х缢俦浠南煊峡斓挠诺悖芄环从秤行Х缢俚亩浠�。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，�：刂萍际跫笆萃诰蚣际醯龋庑┓椒ǖ氖抵适墙堵肿拥弊髁艘桓鼍扌偷姆缢偌�。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�？�、低通滤波器和加法�？槭迪郑龇椒ㄎ捎梅缢偌撇饬糠缌Ψ⒌缁橐堵稚系姆缢伲玫降谝环缢傩藕臩l ；第一风速信号Sl经高通滤波器滤除低频信号后，获得第一风速信号Sl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�？樽怀傻诙缢傩藕臩4 ；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�？榻咂捣至縎2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�？樽槌桑缢偌朴糜诓饬糠缌Ψ⒌缁橐堵稚系姆缢伲缢偌频牡谝环缢傩藕臩l输出端连接高通滤波器的第一风速信号Sl输入端，高通滤波器的高频分量S2信号输出端连接加法�？榈母咂捣至縎2信号输入端；发电机参数采集传感器用于测量风力发电机机组的发电机信号S3，发电机参数采集传感器的发电机信号S3输出端连接计算�？榈姆⒌缁藕臩3输入端，计算�？榈牡诙缢傩藕臩4输出端连接低通滤波器的第二风速信号S4输入端，低通滤波器的低频分量S5 信号输出端连接加法�？榈牡推捣至縎5信号输入端。本发明的优点是本发明通过间接的方法估算出了发电机组的有效风速，它通过风速计测量风力发电机组叶轮上的风速，发电机传感器测量风力发电机机组的发电机信号，再经过计算，得到风力发电机组的有效风速。本发明将现有技术中直接采用风速计测量获得风力电机组的有效风速与采用发电机的电能信号获得风力发电机组叶轮的有效风速的方法相结合，在保障有效风速结果的准确性的同时，又能保障对风速变化的响应的快速性，使最终获取的风力发电机组的有效风速值快速，准确的反映了风力发电机组有效风速的变化，具有简单有效的优势。
图1为本发明的原理框图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述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1、高通滤波器2、发电机参数采集传感器3、计算�？�4、低通滤波器5和加法模块6实现，所述方法为采用风速计1测量风力发电机组叶轮上的风速，得到第一风速信号Sl ；第一风速信号Sl经高通滤波器2滤除低频信号后，获得第一风速信号Sl的高频分量S2 ；同时采用发电机参数采集传感器3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�？�4转换成第二风速信号S4 ；第二风速信号S4经低通滤波器5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�？�6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。本实施方式中所述的高通滤波器2和低通滤波器5构成了互补滤波器，风速计1 测量获得的第一风速信号Sl通过高通滤波器2滤除低频信号，发电机参数采集传感器3测量获得的发电机信号S3通过低通滤波器5滤除高频信号，将该两个滤波后的结果通过加法�？�6合成为风力发电机组的有效风速S6。所述的风速计1可以采用叶片式风速计、压力管式风速计、热线式风速计或者声波风速计等。本实施方式所述的发电机参数采集传感器3是发电机上安装的传感器，可根据需要测量风力发电机组的发电机信号来选择功率传感器或者转速传感器等。
具体实施方式
二 本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述风力发电机机组的发电机信号S3为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。
具体实施方式
三本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述风力发电机机组的发电机信号S3为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号及发电机传动轴转速信号四种发电机信号中任意几种信号的组合。
具体实施方式
四本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述高通滤波器2的传递函数为1/(τ8+1)，其中τ为时间常数，s为拉普拉斯算子。
具体实施方式
五本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述低通滤波器5的传递函数为τ8/(τ8+1)，其中τ为时间常数，s为拉普拉斯算子。
具体实施方式
六下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述实现实施方式一至五所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1、高通滤波器2、发电机参数采集传感器3、计算�？�4、低通滤波器5和加法�？�6组成，风速计1用于测量风力发电机组叶轮上的风速，风速计1的第一风速信号Sl输出端连接高通滤波器2的第一风速信号Sl输入端，高通滤波器2的高频分量S2信号输出端连接加法�？�6的高频分量S2信号输入端；
发电机参数采集传感器3用于测量风力发电机机组的发电机信号S3，发电机参数采集传感器3的发电机信号S3输出端连接计算�？�4的发电机信号S3输入端，计算�？�4 的第二风速信号S4输出端连接低通滤波器5的第二风速信号S4输入端，低通滤波器5的低频分量S5信号输出端连接加法�？�6的低频分量S5信号输入端。本实施方式所述的发电机参数采集传感器3是发电机上安装的传感器，可根据需要测量风力发电机组的发电机信号来选择功率传感器或者转速传感器等。
具体实施方式
七本实施方式为对实施方式六的进一步说明，所述发电机参数采集传感器3用于测量风力发电机机组的发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。
权利要求
1.一种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(1)、高通滤波器O)、发电机参数采集传感器(3)、计算�？镚)、低通滤波器( 和加法�？�(6)实现，其特征在于，所述方法为采用风速计(1)测量风力发电机组叶轮上的风速，得到第一风速信号Sl ；第一风速信号Sl经高通滤波器( 滤除低频信号后，获得第一风速信号Sl的高频分量S2 ；同时采用发电机参数采集传感器C3)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�？�(4)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�？�(6)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。
2.根据权利要求1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，其特征在于所述风力发电机机组的发电机信号S3为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。
3.根据权利要求1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，其特征在于所述风力发电机机组的发电机信号S3为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号及发电机传动轴转速信号四种发电机信号中任意几种信号的组合。
4.根据权利要求1、2或3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， 其特征在于所述高通滤波器O)的传递函数为l/hs+l)，其中τ为时间常数，s为拉普拉斯算子。
5.根据权利要求4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，其特征在于所述低通滤波器(5)的传递函数为τ s/( τ s+1)，其中τ为时间常数，s为拉普拉斯算子。
6.一种实现权利要求1所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，其特征在于它由风速计(1)、高通滤波器O)、发电机参数采集传感器(3)、计算�？镚)、低通滤波器( 和加法模块(6)组成，风速计(1)用于测量风力发电机组叶轮上的风速，风速计(1)的第一风速信号Sl输出端连接高通滤波器O)的第一风速信号Sl输入端，高通滤波器O)的高频分量S2信号输出端连接加法�？�(6)的高频分量S2信号输入端；发电机参数采集传感器C3)用于测量风力发电机机组的发电机信号S3，发电机参数采集传感器(3)的发电机信号S3输出端连接计算�？�(4)的发电机信号S3输入端，计算�？榈牡诙缢傩藕臩4输出端连接低通滤波器(5)的第二风速信号S4输入端，低通滤波器(5)的低频分量S5信号输出端连接加法�？�(6)的低频分量S5信号输入端。
7.根据权利要求6所述的采用互补滤波器测量风力发电机组有效风速的装置，其特征在于所述发电机参数采集传感器C3)用于测量风力发电机机组的发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。
全文摘要
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。它解决了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。它采用风速计测量风力发电机组叶轮上的第一风速信号S1，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；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S3；发电机信号S3经计算�？樽怀傻诙缢傩藕臩4；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�？榻咂捣至縎2和低频分量S5相加，得到风力发电机组的有效风速S6。本发明适用于测量风力发电机组的有效风速。
文档编号G01P5/00GK102305874SQ20111013260
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者于达仁, 徐志强, 范轶 申请人:哈尔滨工业大学
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