具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的目的是提供一种基于机载雷达在线偏航系统的偏航优化控制方法，包括以下过程：

由于地形的影响，首先修正机载式激光雷达的风速、风向。

根据机载式激光雷达的扫描方式计算得出所测位置的轮毂高度处风速、风向；

根据机载式雷达的激光束状态进行数据筛选，得到有效气象数据传输到偏航控制系统中。

根据地形和风机型号的不同，机载式激光雷达所测距离的设置也需跟随调整，机载雷达所测风速与风机处风速做相关性分析，结合距离和风速相关性分析选出合适的距离作为机组偏航控制中的第一选择，其中机载式激光雷达所测风向与偏航位置坐标之差得到的偏航误差传输到偏航控制系统中，所测风速同时传输到偏航控制系统中作为偏航误差最大限值的判断条件。本发明能通过提前获风机即将到来的实际风况情况而提前做出是否进行偏航的判断，从而使其风电机组提前进行相应偏航策略或其他控制策略的应对，最终达到延长机组运行寿命、提高机组安全运行系数并提高机组发电量的作用。

本发明提出了一种基于机载雷达的在线偏航系统的偏航优化控制方法。所述校准方法包括：

首先，根据激光雷达的测风原理可测得风轮前10～400m的风速、风向。

为了尽可能的降低由于地形和障碍物的影响导致机载式激光雷达所测风况参数和风机处的差异，在安装完机载雷达后根据实际环境风向的不同对风力发电机组进行停机处理，计算出不同风向时(以10°为单位角度进行风向划分)机舱式激光雷达气象数据(风向、风速)与机舱风速、风向的传递函数。

然后，对不同距离所测的风速风向与机组处的风速风向进行线性拟合，尽可能在所测距离100m-150m之间找出决定系数R²最高的距离作为偏航校正的参考值。决定系数R²反应了y的波动有多少百分比能被x的波动所描述，即表征依变数Y的变异中有多少百分比，可由控制的自变数X来解释。

然后，对采集到的机载雷达所测数据进行筛选，剔除无效数据。然后，对采集到的机载雷达数据进行低通滤波处理，避免错误和损害机组的控制行为。

根据机载雷达风速的不同设置不同的偏航误差允许的偏航误差临界值，风速越小偏航误差临界值越大；根据风电机组发电机功率的不同设置不同的偏航转速数值，发电机功率越小偏航转速越大；根据机载雷达所测风速的不同设置不同的偏航延迟启动时间，风速越小延迟启动时间越长。

最后，计算各区间功率曲线，找出最优区间功率曲线，迭代更新偏航控制策略，是其尽可能在最优区间功率曲线进行运行。最终实现了风电机组的在线偏航校正，提高了机组发电量以及降低了机组的疲劳载荷。

实施例

本发明提供一种基于机载雷达在线偏航系统的偏航优化控制方法，包括以下步骤，消除地形对风向的影响、秒级机载式激光雷达风速风向确定、数据筛选、确定机载式激光雷达所测距离、机组偏航控制。

消除地形对风向的影响；

1)机载式激光雷达利用多普勒频移原理来测量风资源风况参数，在大气中，气溶胶与风移动的方向和速度是一致的，光纤激光器发射出相干性好的一束单色激光光束，该光束遇到大气中移动的气溶胶颗粒时，会产生光的辐射散射，散射在光束方向上的分量会产生多普勒效应，探测器上检测到频移量，从而得到各风况参数。激光雷达测风仪测量范围涵盖10～300m的范围(竖向与横向)，同时可设置多个测量距离。

由于机载式激光雷达所测风况参数为风轮前的情况，为了尽可能的降低由于地形和障碍物的影响导致机载式激光雷达所测风况参数和风机处的差异，需在安装完机载雷达后根据实际环境风向的不同对风力发电机组进行停机处理，计算出不同风向时(以10°为单位角度进行风向划分)机舱式激光雷达气象数据(风向、风速)与机舱风速、风向的传递函数，传递函数公式如下所示：

Y_i＝K_i·X_i+B_i

其中：Y_i为第i个风向区间内修正后的风轮前风向或风速；

X_i为第i个风向区间内机载式雷达所测风向或风速；

K_i为第i个风向区间内机载式雷达所测风向、风速和机舱风向、风速拟合得到的斜率；

B_i为第i个风向区间内机载式雷达所测风向、风速和机舱风向、风速拟合得到的截距。

秒级机载式激光雷达风速风向确定

2)机载式激光雷达所测风向、风速是由四束激光最终合成的。根据上方的两个光束风速计算得到上方风速、风向数据，同理可求得下方的风速、风向。公式如下：

其中：RWS_0或1为激光束方向风速分量；

U₊为上方风向的轴向分量；

V₊为上方风向的横向分量；

HWS₊为根据U₊、V₊合成的上方水平风速；

Dir₊为根据U₊、V₊合成的上方水平风速的水平风向。

θ₊为上光束的天顶角；

为上光束的方位角；

τ为机载式激光雷达的平均俯仰角；

根据以上公式，同理可求得下方的水平风速HWS_和水平风向Dir_。

另外机载式激光雷达所测上光束位置高度和下光束所测位置高度的公式如下所示：

其中：H_hub为风轮高度。H_Lidar为机载式激光雷达中心至风轮中心高度的距离。d为测量距离。

求出上下方的水平风速后，可根据此两个高度的风速和风向计算得到风速剪切和风向剪切，公式如下：

根据以上得到的结果，可以计算出轮毂高度处的风速、风向，如下所示：

Direction_hub＝Dir₊+Wveer·(H_hub-H₊)

数据筛选

3)由于障碍物或气溶胶较少等原因可能导致某些激光束所测数据失真，因为当任意激光束的status状态为0时(1代表有效，0代表失真)，这当组计算数据为无效，进行剔除。当短期内由于天气原因等导致激光雷达数据失真时，将机舱风向作为机组进行偏航控制的选择。

4)只有低频的数据可以为机载雷达很好的捕获到，所以需要对采集到机载雷达数据进行滤波处理(一阶低通滤波)，避免错误和有害的控制行为。

确定机载式激光雷达所测距离

5)设置机载式激光雷达所测风向为偏航策略控制第一选择，同时根据修正后的激光雷达风向(根据第一步得到的关系修正激光雷达的风向)和机舱风向的关系创建机舱风向传递函数。根据机舱风向传递函数对机舱风向进行修正，并把修正后的机舱风向作为偏航策略控制第二选择。同时设置一个预警值，当机舱风向和机载雷达的风向差距较大时，把异常情况推报给风场，及时进行检修。本实施例中预警值设为±20°。

根据第一步所得到的不同距离上风向的传递函数的决定系数R²，以及修正后的激光雷达风向和机舱风向传递函数的决定系数R^2，找出决定系数最好的几个距离进行备选，同时考虑到偏航需要有一定的时间来进行，因此距离过近则偏航优化效果会降低，本实施例中建议主要参考距离在100-150m最好，以机载式激光雷达确定的参考距离处的风向、风速作为偏航控制策略的依据。

机组偏航控制

6)根据修正后的机载式激光雷达所测风向和机舱偏航位置，计算得到偏航误差数值，机组偏航控制PLC根据偏航误差数值发出偏航指令。根据机载雷达风速的不同设置不同的偏航误差允许的偏航误差临界值，风速越小偏航误差临界值越大；根据风电机组发电机功率的不同设置不同的偏航转速数值，发电机功率越小偏航转速越大；根据机载雷达所测风速的不同设置不同的偏航延迟启动时间，风速越小延迟启动时间越长。

7)将风电机组风向夹角(机载雷达风向与偏航位置之差)-10°-10°以一度为单位划分成若干个区间。参考IEC 61400-12-1标准中功率曲线的方法形成各个区间内的区间功率曲线，对比各区间的功率曲线找出功率曲线最优的区间，并更新步骤六中的偏航控制策略算法，在保证机组安全的前提下使风电机组尽可能处于最优区间功率曲线范围内运行。