本發(fā)明涉及一種采用變頻激光測風(fēng)雷達(dá)的測風(fēng)系統(tǒng)及變頻控制方法。適用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是一種永不枯竭的可再生清潔能源，利用風(fēng)力發(fā)電可以減少環(huán)境污染，節(jié)省石油、煤炭等常規(guī)能源的消耗。因此，世界各國越來越重視利用風(fēng)力來發(fā)電，開發(fā)新能源。

風(fēng)力發(fā)電機的控制一直是采用風(fēng)力發(fā)電機上安裝的風(fēng)速風(fēng)向儀及其風(fēng)機的功率與扭矩來控制風(fēng)力發(fā)電機的槳葉角度及轉(zhuǎn)速，由于風(fēng)速風(fēng)向儀是安裝在風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪的后面，所以測量到的風(fēng)速與風(fēng)向是在風(fēng)吹到風(fēng)輪之后才能測量到，風(fēng)楞的功率與扭矩也是風(fēng)吹到風(fēng)輪后，在槳葉上形成升力，推動風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速提升和扭矩增大。所以所有的控制的信號，相對于風(fēng)來說是發(fā)生了之后才檢測到，是“后知后覺”，是后向反饋。這種控制，對于控制信號在現(xiàn)代控制里常用PID控制來“預(yù)測”信號的變化趨勢，來盡可能地降低外部信號的擾動產(chǎn)生的系統(tǒng)最大值，對于風(fēng)機來說就是風(fēng)機的載荷。但是自然界的風(fēng)在以秒為單位的時間內(nèi)的變化是沒有任何規(guī)律的，所以PID的控制只是能盡快地將產(chǎn)生的最大載荷降下來，而不能避免最大載荷的產(chǎn)生。

激光雷達(dá)的產(chǎn)生使這種傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機的后向反饋控制有了一個革命性的變化。因為激光雷達(dá)可以風(fēng)機的前方打出幾十米的距離，可以測量到風(fēng)輪前幾十米處的風(fēng)速，真實地預(yù)見到在幾秒后將吹到風(fēng)機風(fēng)輪的風(fēng)的大小與方向，這時風(fēng)機的控制器可以根據(jù)這個測量到的信息，提前讓風(fēng)機的槳葉、轉(zhuǎn)速、扭矩進(jìn)行相應(yīng)的變化，使風(fēng)機以最優(yōu)的運行參數(shù)來迎接風(fēng)，這是所謂的“前饋控制”。這個技術(shù)將是風(fēng)力發(fā)電機控制技術(shù)的一個革命性的進(jìn)步。

但是，機艙安裝的激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)力發(fā)電機上使用時，激光測風(fēng)雷達(dá)是安裝于風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪后部的機艙頂上，并以一定角度水平向前交替射出兩束激光束。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機的三片槳葉轉(zhuǎn)動時當(dāng)經(jīng)過激光測風(fēng)雷達(dá)的激光束時，會對激光束產(chǎn)生遮擋，在遮擋期間，激光測風(fēng)雷達(dá)測量的數(shù)據(jù)是無效的，只有在激光束從兩片槳葉的中間的空隙中穿過時，激光測風(fēng)雷達(dá)的測量的數(shù)據(jù)才是有效的。

由于應(yīng)用于實時控制的激光雷達(dá)必須實時地向風(fēng)力發(fā)電機傳送前方的風(fēng)速數(shù)據(jù)，否則風(fēng)力機控制不能及時地收到風(fēng)速數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致控制不及時，而對風(fēng)機運行造成風(fēng)險或不能使風(fēng)機運行在最佳狀態(tài)。目前的激光雷達(dá)都是以固定的激光束切換頻率，兩束激光束以固定的時間間隔交替地向前方射出激光束，計算機模擬計算及現(xiàn)場實際的運行數(shù)據(jù)都表明，這種激光雷達(dá)在風(fēng)機上進(jìn)行測量時，數(shù)據(jù)被阻擋的概率在20-30％，數(shù)據(jù)的有效率通常只有60-85％(激光雷達(dá)采用了一些算法來過濾與處理被遮擋的時間的數(shù)據(jù)，但由于風(fēng)力發(fā)電機的槳葉的轉(zhuǎn)速是變化的，最惡劣的情況下，激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)有效率會很低)，在極端的情況下，這個數(shù)據(jù)有效率甚至?xí)档?0％以下。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對上述存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的采用變切換頻率的激光測風(fēng)雷達(dá)的測風(fēng)系統(tǒng)及變頻控制方法，以使激光測風(fēng)雷達(dá)的兩束激光束始終從槳葉中間的空隙處穿過而不被遮擋，提高激光測風(fēng)雷達(dá)所測數(shù)據(jù)的有效性。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種采用變頻激光雷達(dá)的測風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于包括：

轉(zhuǎn)速傳感器，安裝于風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)動軸上，用于獲取葉輪轉(zhuǎn)速信息；

槳葉位置傳感器，用于監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機葉輪上的槳葉是否到達(dá)指定位置；

激光測風(fēng)雷達(dá)，安裝于風(fēng)力發(fā)電機電機機艙頂上，以一定夾角向風(fēng)力發(fā)電機前方交替發(fā)射激光束A和激光束B；

雷達(dá)控制器，與所述轉(zhuǎn)速傳感器、槳葉位置傳感器和激光測風(fēng)雷達(dá)電路連接；

雷達(dá)控制器獲取轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信息，獲取槳葉位置傳感器的槳葉位置信息和監(jiān)測信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)速信息控制激光測風(fēng)雷達(dá)交替發(fā)射激光束A和激光束B的交替周期Fn；根據(jù)槳葉位置信息、監(jiān)測信號和轉(zhuǎn)速信息控制激光測風(fēng)雷達(dá)交替發(fā)射激光束A和激光束B的發(fā)射切換時間點。

所述槳葉位置傳感器包括信號發(fā)射裝置和信號接收裝置，其中信號發(fā)射裝置固定安裝于風(fēng)力發(fā)電機槳葉/風(fēng)輪上，隨風(fēng)輪一起轉(zhuǎn)動，所述信號接收裝置固定安裝于風(fēng)力發(fā)電機電機機艙上；

當(dāng)且僅當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)動到指定位置時，槳葉上信號發(fā)射裝置發(fā)射端與風(fēng)力發(fā)電機電機機艙上的信號接收裝置對準(zhǔn)，信號接收裝置接收到信號發(fā)射裝置發(fā)出的信號。

所述槳葉位置傳感器為旋轉(zhuǎn)編碼器。編碼器可以準(zhǔn)確地指示槳葉所處的位置。

所述槳葉定位監(jiān)測裝置為所述激光測風(fēng)雷達(dá)和所述雷達(dá)控制器；

當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)動到遮擋激光束A或激光束B位置時，雷達(dá)控制器經(jīng)激光測風(fēng)雷達(dá)的激光束A、激光束B測得的數(shù)據(jù)發(fā)生突變，以槳葉開始遮擋激光束A或激光束B的位置為指定位置，以數(shù)據(jù)突變?yōu)楸O(jiān)測信號。

測風(fēng)系統(tǒng)的變頻控制方法，其特征在于：

a、實時獲取葉輪轉(zhuǎn)速n；

b、根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速n計算葉輪轉(zhuǎn)動周期T1，得到槳葉掃過激光束A或B的周期為T1/N，N為葉輪上槳葉數(shù)量；

c、控制交替發(fā)射激光束A和激光束B的交替周期Fn＝T1/N/m，m取正整數(shù)，m可根據(jù)轉(zhuǎn)速n進(jìn)行取值，以使Fn穩(wěn)定在一定區(qū)間內(nèi)；

d、獲取葉輪上槳葉與激光束A、激光束B的相對位置信息；

e、根據(jù)轉(zhuǎn)速n、槳葉與激光束A、激光束B的相對位置信息得出交替發(fā)射激光束A和激光束B的發(fā)射切換時間點：

一槳葉掃過激光束A后到由發(fā)射激光束B切換為發(fā)射激光束A的發(fā)射切換時間點之間存在的間隔時間Tn，該間隔時間Tn<轉(zhuǎn)速n時該槳葉掃過激光束A后到該槳葉將要掃到激光束B的時間。

步驟d包括：

d1、獲取激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)力發(fā)電機葉輪中心的相對位置信息，獲取激光束A和激光束B朝向角度信息，獲取激光雷達(dá)安裝與風(fēng)輪中心點的高度差，以及激光束A和激光束B之間的夾角信息，獲取槳葉根部尺寸信息；

d2、經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器實時獲取風(fēng)力發(fā)電機葉輪轉(zhuǎn)速n，經(jīng)槳葉定位監(jiān)測裝置獲取的指定位置信息和監(jiān)測信號；

當(dāng)接收到監(jiān)測信號時，判定此時槳葉的位于指定位置；

d3、接收到監(jiān)測信號時，以指定位置為起點結(jié)合轉(zhuǎn)速n實時定位槳葉位置，并根據(jù)激光測風(fēng)雷達(dá)與葉輪中心的相對位置信息、激光束A與B朝向角度信息、夾角信息及槳葉尺寸信息實時得出槳葉相對激光束A、激光束B的相對位置。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明根據(jù)轉(zhuǎn)速信息實時控制激光測風(fēng)雷達(dá)交替發(fā)射激光束A和激光束B的交替周期，并且根據(jù)槳葉位置傳感器和轉(zhuǎn)速信息確定激光測風(fēng)雷達(dá)交替發(fā)射激光束A和激光束B的發(fā)射切換時間點，從而使激光測風(fēng)雷達(dá)的兩束激光束始終保持在槳葉中間的空隙處，從而提高激光測風(fēng)雷達(dá)所測數(shù)據(jù)的有效性。

附圖說明

圖1為實施例1的電路框圖。

圖2為實施例1的俯視圖。

圖3為實施例1中槳葉掃過激光束A的示意圖。

圖4為實施例1的時序圖。

圖5為實施例2的電路框圖。

圖6為實施例2的側(cè)視圖。

具體實施方式

實施例1：如圖1所示，本實施例為采用變頻激光測風(fēng)雷達(dá)的測風(fēng)系統(tǒng)，包括雷達(dá)控制器，以及與雷達(dá)控制器電路連接的轉(zhuǎn)速傳感器和激光測風(fēng)雷達(dá)3。

如圖2所示，本例在風(fēng)力發(fā)電機機艙1頂上安裝激光測風(fēng)雷達(dá)3，激光測風(fēng)雷達(dá)3以水平角度向前交替射出激光束A和激光束B，激光測風(fēng)雷達(dá)3的安裝位置及激光束A與激光束B的夾角以滿足同一時間風(fēng)力發(fā)電機的槳葉2至多遮擋激光測風(fēng)雷達(dá)的一條激光束路徑進(jìn)行設(shè)置。

本實施例中轉(zhuǎn)速傳感器安裝在風(fēng)力發(fā)電機的高速轉(zhuǎn)動軸端或低速轉(zhuǎn)動軸端，可以將風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速傳送到激光測風(fēng)雷達(dá)3的雷達(dá)控制器。

本實施例的變頻控制方法如下：

a、雷達(dá)控制器通過轉(zhuǎn)速傳感器實時獲取葉輪轉(zhuǎn)速n；

b、控制器根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速n計算葉輪轉(zhuǎn)動周期T1，得到槳葉掃過激光束A或B的周期為T1/3；

c、雷達(dá)控制器控制激光測風(fēng)雷達(dá)3交替發(fā)射激光束A和激光束B的交替周期Fn＝T1/3；

d、獲取葉輪上槳葉與激光束A、激光束B的相對位置信息；

d1、往雷達(dá)控制器輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，雷達(dá)控制器獲取激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)力發(fā)電機葉輪中心的相對位置信息，獲取激光束A和激光束B朝向角度信息，以及激光束A和激光束B之間的夾角信息，槳葉尺寸信息；

d2、雷達(dá)控制器通過轉(zhuǎn)速傳感器實時獲取風(fēng)力發(fā)電機葉輪的轉(zhuǎn)速信息；

雷達(dá)控制器獲取激光測風(fēng)雷達(dá)的激光束A、激光束B測量所得的數(shù)據(jù)；

當(dāng)激光束A測量的數(shù)據(jù)發(fā)生突變時，判定此時槳葉位于開始遮擋激光束A的位置(即槳葉邊緣剛遮擋激光束A)，本例中以該槳葉開始遮擋激光束A的位置為指定位置；

d3、接收到監(jiān)測信號時，以指定位置為起點結(jié)合獲取的葉輪轉(zhuǎn)速信息實時定位槳葉位置，并根據(jù)雷達(dá)與葉輪中心的相對位置信息、激光束A與B朝向角度信息、夾角信息及槳葉尺寸信息實時得出槳葉相對激光束A、激光束B的相對位置；

e、根據(jù)轉(zhuǎn)速n和槳葉與激光束A、激光束B的相對位置信息得出交替發(fā)射激光束A和激光束B的發(fā)射切換時間點：

一槳葉掃過激光束A后到由發(fā)射激光束B切換為發(fā)射激光束A的發(fā)射切換時間點之間存在的間隔時間Tn，該間隔時間Tn<轉(zhuǎn)速n時該槳葉掃過激光束A后到該槳葉將要掃到激光束B的時間Sn(見圖4)，并且槳葉掃過激光束A、B的時間Pn+Tn＜Fn/2。

實施例2：如圖5所示，本實施例與實施例1基本相同，不同之處僅在于本實施例在雷達(dá)控制器電路連接槳葉位置監(jiān)測。

本例中槳葉定位監(jiān)測裝置包括信號發(fā)射裝置42和信號接收裝置41(如紅外線發(fā)射、接收裝置；或接近體、霍爾傳感器等)，如圖6所示，信號發(fā)射裝置42固定安裝于風(fēng)輪2上，信號接收裝置41固定安裝于機艙1頂上，當(dāng)且僅當(dāng)風(fēng)輪2轉(zhuǎn)動到指定位置時，信號發(fā)射裝置42發(fā)出的信號才會被信號接收裝置41接收。

本實施例中獲取葉輪上槳葉與激光束A、激光束B的相對位置信息的方法如下：

d1、往雷達(dá)控制器輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，雷達(dá)控制器獲取激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)力發(fā)電機葉輪中心的相對位置信息，獲取激光束A和激光束B朝向角度信息，以及激光束A和激光束B之間的夾角信息，獲取槳葉尺寸信息，以及槳葉的指定位置信息；

d2、雷達(dá)控制器通過轉(zhuǎn)速傳感器實時獲取風(fēng)力發(fā)電機葉輪的轉(zhuǎn)速信息；

雷達(dá)控制器獲取信號接收裝置41的監(jiān)測信號；

當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)動到指定位置時，信號發(fā)射裝置42與信號接收裝置41位置對應(yīng)，信號接收裝置41發(fā)出監(jiān)測信號，雷達(dá)控制器接收到監(jiān)測信號，判定此時槳葉位于指定位置；

d3、接收到監(jiān)測信號時，以指定位置為起點結(jié)合獲取的葉輪轉(zhuǎn)速信息實時定位槳葉位置，并根據(jù)雷達(dá)與葉輪中心的相對位置信息、激光束A與B朝向角度信息、夾角信息及槳葉尺寸信息實時得出槳葉相對激光束A、激光束B的相對位置。

當(dāng)然，上述說明并非對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，做出的變化、改添加或替換，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。