CN106772440B - 采用变频激光测风雷达的测风系统及变频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用变频激光测风雷达的测风系统及变频控制方法。本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低的采用变切换频率的激光测风雷达的测风系统及变频控制方法，以使激光测风雷达的两束激光束始终从桨叶中间的空隙处穿过而不被遮挡，提高激光测风雷达所测数据的有效性。本发明的技术方案是：该测风系统包括：转速传感器，安装于风力发电机转动轴上，用于获取叶轮转速信息；桨叶位置传感器，用于监测风力发电机叶轮上的桨叶是否到达指定位置；激光测风雷达，安装于风力发电机电机机舱顶上，以一定夹角向风力发电机前方交替发射激光束A和激光束B；雷达控制器，与所述转速传感器、桨叶位置传感器和激光测风雷达电路连接。

Description

采用变频激光测风雷达的测风系统及变频控制方法

技术领域

本发明涉及一种采用变频激光测风雷达的测风系统及变频控制方法。适用于风力发电领域。

背景技术

风能是一种永不枯竭的可再生清洁能源，利用风力发电可以减少环境污染，节省石油、煤炭等常规能源的消耗。因此，世界各国越来越重视利用风力来发电，开发新能源。

风力发电机的控制一直是采用风力发电机上安装的风速风向仪及其风机的功率与扭矩来控制风力发电机的桨叶角度及转速，由于风速风向仪是安装在风力发电机的风轮的后面，所以测量到的风速与风向是在风吹到风轮之后才能测量到，风楞的功率与扭矩也是风吹到风轮后，在桨叶上形成升力，推动风力发电机的风轮转速提升和扭矩增大。所以所有的控制的信号，相对于风来说是发生了之后才检测到，是“后知后觉”，是后向反馈。这种控制，对于控制信号在现代控制里常用PID控制来“预测”信号的变化趋势，来尽可能地降低外部信号的扰动产生的系统最大值，对于风机来说就是风机的载荷。但是自然界的风在以秒为单位的时间内的变化是没有任何规律的，所以PID的控制只是能尽快地将产生的最大载荷降下来，而不能避免最大载荷的产生。

激光雷达的产生使这种传统的风力发电机的后向反馈控制有了一个革命性的变化。因为激光雷达可以风机的前方打出几十米的距离，可以测量到风轮前几十米处的风速，真实地预见到在几秒后将吹到风机风轮的风的大小与方向，这时风机的控制器可以根据这个测量到的信息，提前让风机的桨叶、转速、扭矩进行相应的变化，使风机以最优的运行参数来迎接风，这是所谓的“前馈控制”。这个技术将是风力发电机控制技术的一个革命性的进步。

但是，机舱安装的激光测风雷达在风力发电机上使用时，激光测风雷达是安装于风力发电机风轮后部的机舱顶上，并以一定角度水平向前交替射出两束激光束。当风力发电机的三片桨叶转动时当经过激光测风雷达的激光束时，会对激光束产生遮挡，在遮挡期间，激光测风雷达测量的数据是无效的，只有在激光束从两片桨叶的中间的空隙中穿过时，激光测风雷达的测量的数据才是有效的。

由于应用于实时控制的激光雷达必须实时地向风力发电机传送前方的风速数据，否则风力机控制不能及时地收到风速数据，会导致控制不及时，而对风机运行造成风险或不能使风机运行在最佳状态。目前的激光雷达都是以固定的激光束切换频率，两束激光束以固定的时间间隔交替地向前方射出激光束，计算机模拟计算及现场实际的运行数据都表明，这种激光雷达在风机上进行测量时，数据被阻挡的概率在20-30％，数据的有效率通常只有60-85％(激光雷达采用了一些算法来过滤与处理被遮挡的时间的数据，但由于风力发电机的桨叶的转速是变化的，最恶劣的情况下，激光雷达的数据有效率会很低)，在极端的情况下，这个数据有效率甚至会降到20％以下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、成本较低的采用变切换频率的激光测风雷达的测风系统及变频控制方法，以使激光测风雷达的两束激光束始终从桨叶中间的空隙处穿过而不被遮挡，提高激光测风雷达所测数据的有效性。

本发明所采用的技术方案是：一种采用变频激光雷达的测风系统，其特征在于包括：

转速传感器，安装于风力发电机转动轴上，用于获取叶轮转速信息；

桨叶位置传感器，用于监测风力发电机叶轮上的桨叶是否到达指定位置；

激光测风雷达，安装于风力发电机电机机舱顶上，以一定夹角向风力发电机前方交替发射激光束A和激光束B；

雷达控制器，与所述转速传感器、桨叶位置传感器和激光测风雷达电路连接；

雷达控制器获取转速传感器测得的转速信息，获取桨叶位置传感器的桨叶位置信息和监测信号，并根据转速信息控制激光测风雷达交替发射激光束A和激光束B的交替周期Fn；根据桨叶位置信息、监测信号和转速信息控制激光测风雷达交替发射激光束A和激光束B的发射切换时间点。

所述桨叶位置传感器包括信号发射装置和信号接收装置，其中信号发射装置固定安装于风力发电机桨叶/风轮上，随风轮一起转动，所述信号接收装置固定安装于风力发电机电机机舱上；

当且仅当桨叶转动到指定位置时，桨叶上信号发射装置发射端与风力发电机电机机舱上的信号接收装置对准，信号接收装置接收到信号发射装置发出的信号。

所述桨叶位置传感器为旋转编码器。编码器可以准确地指示桨叶所处的位置。

所述桨叶位置传感器为所述激光测风雷达和所述雷达控制器；

当桨叶转动到遮挡激光束A或激光束B位置时，雷达控制器经激光测风雷达的激光束A、激光束B测得的数据发生突变，以桨叶开始遮挡激光束A或激光束B的位置为指定位置，以数据突变为监测信号。

测风系统的变频控制方法，其特征在于：

a、实时获取叶轮转速n；

b、根据叶轮转速n计算叶轮转动周期T1，得到桨叶扫过激光束A或B的周期为T1/N，N为叶轮上桨叶数量；

c、控制交替发射激光束A和激光束B的交替周期Fn＝T1/N/m，m取正整数，m可根据转速n进行取值，以使Fn稳定在一定区间内；

d、获取叶轮上桨叶与激光束A、激光束B的相对位置信息；

e、根据转速n、桨叶与激光束A、激光束B的相对位置信息得出交替发射激光束A和激光束B的发射切换时间点：

一桨叶扫过激光束A后到由发射激光束B切换为发射激光束A的发射切换时间点之间存在的间隔时间Tn，该间隔时间Tn<转速n时该桨叶扫过激光束A后到该桨叶将要扫到激光束B的时间。

步骤d包括：

d1、获取激光测风雷达与风力发电机叶轮中心的相对位置信息，获取激光束A和激光束B朝向角度信息，获取激光雷达安装与风轮中心点的高度差，以及激光束A和激光束B之间的夹角信息，获取桨叶根部尺寸信息；

d2、经转速传感器实时获取风力发电机叶轮转速n，经桨叶位置传感器获取的指定位置信息和监测信号；

当接收到监测信号时，判定此时桨叶的位于指定位置；

d3、接收到监测信号时，以指定位置为起点结合转速n实时定位桨叶位置，并根据激光测风雷达与叶轮中心的相对位置信息、激光束A与B朝向角度信息、夹角信息及桨叶尺寸信息实时得出桨叶相对激光束A、激光束B的相对位置。

本发明的有益效果是：本发明根据转速信息实时控制激光测风雷达交替发射激光束A和激光束B的交替周期，并且根据桨叶位置传感器和转速信息确定激光测风雷达交替发射激光束A和激光束B的发射切换时间点，从而使激光测风雷达的两束激光束始终保持在桨叶中间的空隙处，从而提高激光测风雷达所测数据的有效性。

附图说明

图1为实施例1的电路框图。

图2为实施例1的俯视图。

图3为实施例1中桨叶扫过激光束A的示意图。

图4为实施例1的时序图。

图5为实施例2的电路框图。

图6为实施例2的侧视图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例为采用变频激光测风雷达的测风系统，包括雷达控制器，以及与雷达控制器电路连接的转速传感器和激光测风雷达3。

如图2所示，本例在风力发电机机舱1顶上安装激光测风雷达3，激光测风雷达3以水平角度向前交替射出激光束A和激光束B，激光测风雷达3的安装位置及激光束A与激光束B的夹角以满足同一时间风力发电机的桨叶2至多遮挡激光测风雷达的一条激光束路径进行设置。

本实施例中转速传感器安装在风力发电机的高速转动轴端或低速转动轴端，可以将风力发电机的转速传送到激光测风雷达3的雷达控制器。

本实施例的变频控制方法如下：

a、雷达控制器通过转速传感器实时获取叶轮转速n；

b、控制器根据叶轮转速n计算叶轮转动周期T1，得到桨叶扫过激光束A或B的周期为T1/3；

c、雷达控制器控制激光测风雷达3交替发射激光束A和激光束B的交替周期Fn＝T1/3；

d、获取叶轮上桨叶与激光束A、激光束B的相对位置信息；

d1、往雷达控制器输入相关数据，雷达控制器获取激光测风雷达与风力发电机叶轮中心的相对位置信息，获取激光束A和激光束B朝向角度信息，以及激光束A和激光束B之间的夹角信息，桨叶尺寸信息；

d2、雷达控制器通过转速传感器实时获取风力发电机叶轮的转速信息；

雷达控制器获取激光测风雷达的激光束A、激光束B测量所得的数据；

当激光束A测量的数据发生突变时，判定此时桨叶位于开始遮挡激光束A的位置(即桨叶边缘刚遮挡激光束A)，本例中以该桨叶开始遮挡激光束A的位置为指定位置；

d3、接收到监测信号时，以指定位置为起点结合获取的叶轮转速信息实时定位桨叶位置，并根据雷达与叶轮中心的相对位置信息、激光束A与B朝向角度信息、夹角信息及桨叶尺寸信息实时得出桨叶相对激光束A、激光束B的相对位置；

e、根据转速n和桨叶与激光束A、激光束B的相对位置信息得出交替发射激光束A和激光束B的发射切换时间点：

一桨叶扫过激光束A后到由发射激光束B切换为发射激光束A的发射切换时间点之间存在的间隔时间Tn，该间隔时间Tn<转速n时该桨叶扫过激光束A后到该桨叶将要扫到激光束B的时间Sn(见图4)，并且桨叶扫过激光束A、B的时间Pn+Tn＜Fn/2。

实施例2：如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于本实施例在雷达控制器电路连接桨叶位置监测。

本例中桨叶位置传感器包括信号发射装置42和信号接收装置41(如红外线发射、接收装置；或接近体、霍尔传感器等)，如图6所示，信号发射装置42固定安装于风轮2上，信号接收装置41固定安装于机舱1顶上，当且仅当风轮2转动到指定位置时，信号发射装置42发出的信号才会被信号接收装置41接收。

本实施例中获取叶轮上桨叶与激光束A、激光束B的相对位置信息的方法如下：

d1、往雷达控制器输入相关数据，雷达控制器获取激光测风雷达与风力发电机叶轮中心的相对位置信息，获取激光束A和激光束B朝向角度信息，以及激光束A和激光束B之间的夹角信息，获取桨叶尺寸信息，以及桨叶的指定位置信息；

d2、雷达控制器通过转速传感器实时获取风力发电机叶轮的转速信息；

雷达控制器获取信号接收装置41的监测信号；

当桨叶转动到指定位置时，信号发射装置42与信号接收装置41位置对应，信号接收装置41发出监测信号，雷达控制器接收到监测信号，判定此时桨叶位于指定位置；

d3、接收到监测信号时，以指定位置为起点结合获取的叶轮转速信息实时定位桨叶位置，并根据雷达与叶轮中心的相对位置信息、激光束A与B朝向角度信息、夹角信息及桨叶尺寸信息实时得出桨叶相对激光束A、激光束B的相对位置。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的范围内，做出的变化、改添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用变频激光雷达的测风系统，其特征在于包括：

转速传感器，安装于风力发电机转动轴上，用于获取叶轮转速信息；

激光测风雷达，安装于风力发电机电机机舱顶上，以一定夹角向风力发电机前方交替发射激光束A和激光束B；

桨叶位置传感器，用于监测风力发电机叶轮上的桨叶是否到达指定位置；

雷达控制器，与所述转速传感器、桨叶位置传感器和激光测风雷达电路连接；

雷达控制器获取转速传感器测得的转速信息，获取桨叶位置传感器的桨叶位置信息和监测信号，并根据转速信息控制激光测风雷达交替发射激光束A和激光束B的交替周期Fn，根据桨叶位置信息、监测信号和转速信息控制激光测风雷达交替发射激光束A和激光束B的发射切换时间点。

2.根据权利要求1所述的采用变频激光雷达的测风系统，其特征在于：所述桨叶位置传感器包括信号发射装置和信号接收装置，其中信号发射装置固定安装于风力发电机桨叶上，所述信号接收装置固定安装于风力发电机电机机舱上；

当且仅当桨叶转动到指定位置时，桨叶上信号发射装置发射端与风力发电机电机机舱上的信号接收装置对准，信号接收装置接收到信号发射装置发出的信号。

3.根据权利要求1所述的采用变频激光雷达的测风系统，其特征在于：所述桨叶位置传感器为旋转编码器。

4.根据权利要求1所述的采用变频激光雷达的测风系统，其特征在于：所述桨叶位置传感器为所述激光测风雷达和所述雷达控制器；

当桨叶转动到遮挡激光束A或激光束B位置时，雷达控制器经激光测风雷达的激光束A、激光束B测得的数据发生突变，以桨叶开始遮挡激光束A或激光束B的位置为指定位置，以数据突变为监测信号。

5.根据权利要求1～4任意一项所述测风系统的变频控制方法，其特征在于：

a、实时获取叶轮转速n；

b、根据叶轮转速n计算叶轮转动周期T1，得到桨叶扫过激光束A或B的周期为T1/N，N为叶轮上桨叶数量；

c、控制交替发射激光束A和激光束B的交替周期Fn＝T1/N/m，m取正整数；

d、获取叶轮上桨叶与激光束A、激光束B的相对位置信息；

e、根据转速n以及桨叶与激光束A、激光束B的相对位置信息得出交替发射激光束A和激光束B的发射切换时间点：

一桨叶扫过激光束A后到由发射激光束B切换为发射激光束A的发射切换时间点之间存在的间隔时间Tn，该间隔时间Tn<转速n时该桨叶扫过激光束A后到该桨叶将要扫到激光束B的时间。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

步骤d包括：

d1、获取激光测风雷达与风力发电机叶轮中心的相对位置信息，获取激光束A和激光束B朝向角度信息，获取激光雷达安装与风轮中心点的高度差，以及激光束A和激光束B之间的夹角信息，获取桨叶根部尺寸信息；

d2、经转速传感器实时获取风力发电机叶轮转速n，经桨叶位置传感器获取的指定位置信息和监测信号；

当接收到监测信号时，判定此时桨叶的位于指定位置；

d3、接收到监测信号时，以指定位置为起点结合转速n实时定位桨叶位置，并根据激光测风雷达与叶轮中心的相对位置信息、激光束A与B朝向角度信息、夹角信息及桨叶尺寸信息实时得出桨叶相对激光束A、激光束B的相对位置。