CN211819803U - 基于机舱式测风激光雷达的组网系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，其特征在于它包括风力发电机、激光雷达、交换机和升压站，多个风力发电机分为n组，分别对应n个交换机；各风力发电机上安装激光雷达，激光雷达连接风力发电机的PLC；各激光雷达的PLC连接各风力发电机所属的交换机；各交换机共同连接升压站。基于该组网系统获得的风力参数对全风场的效能最优可以提供有价值的测量数据，可以兼顾风机对风影响的发电量和因尾流影响风机寿命，从而可有效提升风电场的综合发电效益和风机寿命，综合提升全风场的经济效益。

Description

基于机舱式测风激光雷达的组网系统

技术领域

本实用新型属于激光雷达测风领域，具体是一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统。

背景技术

风机的控制系统主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统和变频系统组成，其中监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，包括大型监控软件及完善的通信网络；主控系统是风机控制系统的主体，由主控制器实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。变桨控制系统与主控系统配合，由变桨控制器对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高风力发电机组的运行灵活性。变频系统(变频器)与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担保证供电品质、提高功率因素、满足电网兼容性标准等重要作用。

现有技术中监控系统主要实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，如图1所示监控的具体数据有：电力参数、风力参数(风速、风向)、风机组状态参数和反馈信号。其中风力参数是风向传感器、风速传感器等设备测量所得。因其装配在风机叶轮后，测量的风速已经受叶轮扰动影响，因此测量值需要经过传递函数推导出叶轮面上时的风场信息。对于监控系统来说监控的风力参数实际上不是实测值，可能存在误差。且因该风向传感器、风速传感器等设备是被动探测，其检测风力参数只能用于被安装风电机组的监控、控制、变桨、变频等，对全风场的效能最优无法提供有价值的测量数据。

现有技术中监控系统的风力参数是风向传感器、风速传感器等设备测量所得的，因其是被动探测设备，无法测量风机叶轮前方的真实值，同时也只限于测量被安装风力发电机组固定点处的风场信息，因此测量数据只对单台风机的效能提升有参考意义，但实际上全风场中因存在尾流影响的问题(如图2所示)，单台风机的效能最优并非是全风场的效能最优，因此现有技术得出的组网控制方案并非是全风场效能最佳的方案。

实用新型内容

本实用新型针对背景技术中存在的问题，提出了一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统。

技术方案：

一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，它包括风力发电机、激光雷达、交换机和升压站，多个风力发电机分为n组，分别对应n个交换机；各风力发电机上安装激光雷达，激光雷达连接风力发电机的PLC，激光雷达测量所属风力发电机前方的风场信息数据，激光雷达将数据传输回风力发电机的PLC；各激光雷达的PLC连接各风力发电机所属的交换机，将数据发送至每组所属的交换机；各交换机共同连接升压站，将多个风力发电机的风场信息数据发送至升压站中统一处理。

优选的，所述激光雷达包括光学头和数存单元两部分：

光学头：包括望远镜、激光器、环形器、平衡探测器、主板电路和防雷模块，激光器通过环形器连接望远镜和平衡探测器，通过望远镜向空气发送光信号，通过平衡探测器接收回光信号；平衡探测器连接主板电路，主板电路连接防雷模块；

数存单元：包括SSD和通信芯片，由SSD实现风场信息数据的存储，由通信芯片将数据传输至风机PLC；

数存单元连接电源，光学头由数存单元传输电力，光学头和数存单元之间保持通信连接。

优选的，所述数存单元还包括状态监控模块。

优选的，激光雷达安装在所属风力发电机的机舱顶部，并通过profibus-DP线缆连接风力发电机的PLC。

优选的，风力发电机、交换机、升压站之间均通过光缆连接传输数据。

本实用新型的有益效果

本实用新型因为考虑了周围风机对被测风机的尾流影响而不单单考虑被测风机叶轮前方的风速风向还考虑了周围风机对被测风机的尾流影响，因此对风机风力参数的测量更为全面，基于该组网系统获得的风力参数对全风场的效能最优可以提供有价值的测量数据，可以兼顾风机对风影响的发电量和因尾流影响风机寿命，从而可有效提升风电场的综合发电效益和风机寿命，综合提升全风场的经济效益。

与现有技术相比，本实用新型测量的风力参数是真实测量数据而不是经过传递函数推导的数据，因此数据测量更准确，也更有助于主控系统了解被测风机所处环境给出更有力于该风机发电效益的方案，进一步地，本实用新型使用机舱式测风激光雷达还可以测量前方风机的尾流，主控系统结合前方尾流数据可以调整该风机的风向以降低风机的疲劳载荷从而延长风机的寿命。

附图说明

图1为背景技术中风机监控系统功能示意图

图2为背景技术中全风场中各风机之间尾流影响示意图

图3为本实用新型的结构框图

图4为本实用新型中激光雷达的模块框图

图5为本实用新型中激光雷达测量风场信息示意图

图6为本实用新型中全场风力信息收集示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：

结合图3，一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，它包括风力发电机、激光雷达、交换机和升压站，多个风力发电机分为n组，分别对应n个交换机；各风力发电机上安装激光雷达，激光雷达连接风力发电机的PLC，激光雷达测量所属风力发电机的风场信息数据，激光雷达将数据传输回风力发电机的PLC；各激光雷达的PLC连接各风力发电机所属的交换机，将数据发送至每组所属的交换机；各交换机共同连接升压站，将多个风力发电机的风场信息数据发送至升压站中统一处理。

激光雷达安装在每台风力发电机的机舱顶部，通过profibus-DP线缆将激光雷达测得的风场信息数据传给风力发电机组的PLC，PLC接收到激光雷达数据将风机本身数据打包后发送给交换机，一台交换机可同时传输多台风力发电机的数据，最后交换机将多个风力发电机的数据发送到升压站中统一处理。

结合图4，所述激光雷达包括光学头和数存单元两部分：

光学头：包括望远镜、激光器、环形器、平衡探测器、主板电路和防雷模块，激光器通过环形器连接望远镜和平衡探测器，向望远镜和平衡探测器发送光信号；平衡探测器连接主板电路，主板电路连接防雷模块；

数存单元：包括防雷模块、状态监控模块(可以为背景技术中的监控系统)、工控机、SSD和通信芯片，由SSD实现风场信息数据的存储，由通信芯片将数据传输至风机PLC；

数存单元连接电源，光学头由数存单元传输电力，光学头和数存单元之间保持通信连接。

光学头是机舱式测风激光雷达系统的核心部件，主要实现激光遥感探测的功能，包括激光器、光学收发天线以及主板电路。主板电路包含信号探测模块与高速数据处理单元，以及维持系统有效可靠工作的整机环控和主控系统。数存单元是机舱式测风激光雷达系统的数据存储和对外交互的关键部件，主要用于数据产品和状态信息的存储，以及实现对外交互的功能如将测量数据传输给风力发电机的PLC。

机舱式测风激光雷达是一种风场信息遥感测量装置，可用于测量叶轮前方几百米内的风场信息，在未组网的情况下，该信息只可用于单台风机的风力参数监控。但将全风场机舱式测风激光雷达组网后，在测量安装此装置的风机风力参数的同时也可以作为周围相关风机的尾流探测参数，将这些探测参数经本实用新型的组网系统汇总到升压站后，即可获得全风场内风场信息及前方风机后的尾流信息，从而建立起全风场内的流体信息，基于上述信息可从全风场效能最优的情况下出发考虑获得全场风机控制方案控制主控系统、变桨控制系统和变频系统完成该最佳方案的实施。如图5所示，B风机上安装的激光雷达测量风场信息可以为B风机偏航控制、载荷分析的输入，同时也可以作为前方E机组的尾流分析输入。结合图3和图6，激光雷达测量所属风机的风力数据并获得所属风机的风机点位数据，作为区域风力信息；各风机将其对应的区域风力信息基于交换机输送至升压站汇总，至此获得全风场风力信息，对全风场的效能最优提供有价值的测量数据。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过电路设定来指令相关的硬件来完成的，该电路设定可以通过单片机或其他类似功能的集成芯片完成，为现有技术。本实用新型的核心实用新型点在于系统的整体结构布局，局部控制方法可通过现有技术编程完成；局部的模块连接可通过现有技术实现。具体在本申请中，组网系统的拓扑结构(B风机上安装的激光雷达测量风场信息可以为B风机偏航控制、载荷分析的输入，同时也可以作为前方E机组的尾流分析输入)，激光雷达与风机的安装位置(激光雷达安装在所属风力发电机的机舱顶部)，激光雷达与风机的连接方式(profibus-DP线缆风机的PLC)，风力发电机、交换机、升压站之间的连接方式(光缆连接)是本实用新型要保护基于机舱式测风激光雷达的组网系统的核心要素。并获得以下效果：

1、使用机舱式测风激光雷达测量风机前方风力数据，提升输入至监测系统的风力参数的真实性；

2、使用机舱式测风激光雷达增加测量前方风机的尾流，考虑尾流对风机疲劳载荷的影响，从而增加风机寿命；

3、利用全风场内机舱式测风激光雷达数据组网，结合风机位置信息建立全风场流体模型，综合考虑给出全风场发电效益最优的方案。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神做举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，其特征在于它包括风力发电机、激光雷达、交换机和升压站，多个风力发电机分为n组，分别对应n个交换机；各风力发电机上安装激光雷达，激光雷达连接风力发电机的PLC；各激光雷达的PLC连接各风力发电机所属的交换机；各交换机共同连接升压站。

2.根据权利要求1所述的一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，其特征在于所述激光雷达包括光学头和数存单元两部分：

光学头：包括望远镜、激光器、环形器、平衡探测器、主板电路和防雷模块，激光器通过环形器连接望远镜和平衡探测器；平衡探测器连接主板电路，主板电路连接防雷模块；

数存单元：包括SSD和通信芯片；

数存单元连接电源，光学头由数存单元传输电力，光学头和数存单元之间保持通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，其特征在于所述数存单元还包括状态监控模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，其特征在于激光雷达安装在所属风力发电机的机舱顶部，并通过profibus-DP线缆连接风力发电机的PLC。

5.根据权利要求1所述的一种基于机舱式测风激光雷达的组网系统，其特征在于风力发电机、交换机、升压站之间均通过光缆连接传输数据。

Images