權(quán)利要求書： 1.一種風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：將機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)安裝至機(jī)艙的預(yù)設(shè)高度處，將機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的探測角度分別設(shè)置為水平探測角度、仰角α探測角度和俯角α探測角度；

S2：利用激光測風(fēng)雷達(dá)測量風(fēng)電機(jī)組葉輪正前方的預(yù)設(shè)距離內(nèi)三個高度不同空間點的風(fēng)速和風(fēng)向值，并生成實測風(fēng)速矩陣和實測風(fēng)向矩陣；

S3：利用實測風(fēng)速矩陣進(jìn)行風(fēng)切變擬合，獲得風(fēng)切變擬合曲線函數(shù)矩陣，進(jìn)而計算得到空間風(fēng)速分布矩陣；利用實測風(fēng)向矩陣進(jìn)行風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合，獲得風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合曲線函數(shù)矩陣，進(jìn)而計算得到風(fēng)向分布矩陣；

S4：分別建立上葉尖、輪轂和下葉尖高度的時間?風(fēng)速?風(fēng)向矩陣；

S5：通過n?1次曲線擬合尋找風(fēng)速和風(fēng)向隨時間變化的最佳擬合曲線，最終得到風(fēng)電機(jī)組葉輪面范圍未來預(yù)設(shè)時間范圍內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向隨時間和空間的變化曲線。

2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，d為激光雷達(dá)的探測距離，R為葉輪半徑。

3.如權(quán)利要求2所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的安裝高度≥d2×tanα，d2為激光雷達(dá)的激光頭距離輪轂前緣的水平距離。

4.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，S3中，空間風(fēng)速分布矩陣由風(fēng)切變函數(shù)矩陣和空間坐標(biāo)值計算得出，所述風(fēng)切變函數(shù)矩陣依據(jù)實測風(fēng)速矩陣，按照對數(shù)曲線利用最小二乘法擬合得出。

5.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，S3中，風(fēng)向分布矩陣由風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合函數(shù)矩陣和空間坐標(biāo)值計算得出，所述風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合函數(shù)矩陣依1

據(jù)實測風(fēng)向矩陣，按照圓柱面G插值曲線方法擬合得出。

6.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，S4中，上葉尖、輪轂和下葉尖高度的時間?風(fēng)速?風(fēng)向矩陣的時間項，是通過空間測量點距離輪轂的水平距離除以空間風(fēng)速得到的。

7.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，S5中，風(fēng)速和風(fēng)向隨時間變化的最佳擬合曲線，是通過對上葉尖、輪轂和下葉尖高度的時間?風(fēng)速?風(fēng)向矩陣分別進(jìn)行n?1次多項式擬合，并選取最佳擬合曲線獲得的。

8.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，其特征在于，S5中，預(yù)設(shè)時間長度根據(jù)機(jī)艙式激光雷達(dá)的探測距離和風(fēng)電場大概率可能出現(xiàn)的最大10分鐘平均風(fēng)速確定。

9.一種計算機(jī)設(shè)備，其特征在于，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實現(xiàn)如權(quán)利要求1至8任一項所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法的步驟。

10.一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機(jī)程序，其特征在于，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1至8任一項所述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法的步驟。

說明書： 風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法、裝置及存儲介質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法、裝置及存儲介質(zhì)。

背景技術(shù)[0002] 風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為除水電之外的第二大可再生能源發(fā)電電源。隨著高效率低成本風(fēng)電的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，葉輪直徑也不斷增大。陸上風(fēng)電機(jī)組

的葉輪直徑已經(jīng)達(dá)到160m以上，而海上風(fēng)電機(jī)組的葉輪直徑最大的已經(jīng)超過210m。由于風(fēng)

電機(jī)組的葉輪迎風(fēng)面對的風(fēng)流場在空間和時間上都不穩(wěn)定，風(fēng)電機(jī)組的葉輪面承受載荷不

均，對于超大直徑葉輪的風(fēng)電機(jī)組，受不均勻載荷的影響更大，其控制更加復(fù)雜。準(zhǔn)確預(yù)測

風(fēng)輪面的風(fēng)速分布，對于提升風(fēng)電機(jī)組的控制性能，提高功率輸出穩(wěn)定性有重要意義，尤其

是當(dāng)陣風(fēng)發(fā)生時，提前準(zhǔn)確預(yù)知葉輪面的風(fēng)速風(fēng)向分布，對于改進(jìn)控制性能，減小機(jī)組的載

荷激變十分重要。

[0003] 而現(xiàn)有的安裝在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙之上的風(fēng)速、風(fēng)向計，只能測量得到葉輪面下游的風(fēng)速風(fēng)向，而且該測量點的風(fēng)速風(fēng)向是受葉輪影響之后的值，并且僅僅是空間一個點，并不

能代表葉輪面范圍的風(fēng)速、風(fēng)向分布，風(fēng)電機(jī)組依據(jù)該測量結(jié)果進(jìn)行的運行控制相對滯后，

因此機(jī)組無法運行在最佳狀態(tài)。

[0004] 激光雷達(dá)測風(fēng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可將兩波束或四波束的激光雷達(dá)安裝在風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙之上用來測量機(jī)組的葉輪面的來流風(fēng)速，通常來說，可以測量得到機(jī)組輪轂前方

40m?200m空間范圍的風(fēng)況情況，但現(xiàn)有的機(jī)艙式激光雷達(dá)測風(fēng)方法僅僅給出了輪轂正前方

的輪轂高度處位置水平不連續(xù)空間點的風(fēng)速、風(fēng)向測量結(jié)果，卻無法得到葉輪面范圍風(fēng)切

變和分轉(zhuǎn)向分布，不能為風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化控制提供足夠的參考信息。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法、裝置及存儲介質(zhì)，可以提前數(shù)十秒準(zhǔn)確預(yù)測作用在風(fēng)電機(jī)組葉輪面上的風(fēng)速風(fēng)

向變化，并且提供葉輪面范圍內(nèi)的風(fēng)切變曲線和風(fēng)轉(zhuǎn)向曲線，為風(fēng)電機(jī)組的控制提供準(zhǔn)確

風(fēng)參數(shù)，提高了機(jī)組控制的精細(xì)化水平，降低機(jī)組載荷，并提高了發(fā)電量。

[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：[0007] 一種風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，包括以下步驟：[0008] S1：將機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)安裝至機(jī)艙的預(yù)設(shè)高度處，將機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的探測角度分別設(shè)置為水平探測角度、仰角α探測角度和俯角α探測角度；

[0009] S2：利用激光測風(fēng)雷達(dá)測量風(fēng)電機(jī)組葉輪正前方的預(yù)設(shè)距離內(nèi)三個高度不同空間點的風(fēng)速和風(fēng)向值，并生成實測風(fēng)速矩陣和實測風(fēng)向矩陣；

[0010] S3：利用實測風(fēng)速矩陣進(jìn)行風(fēng)切變擬合，獲得風(fēng)切變擬合曲線函數(shù)矩陣，進(jìn)而計算得到空間風(fēng)速分布矩陣；利用實測風(fēng)向矩陣進(jìn)行風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合，獲得風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合曲線函數(shù)矩

陣，進(jìn)而計算得到風(fēng)向分布矩陣；

[0011] S4：分別建立上葉尖、輪轂和下葉尖高度的時間?風(fēng)速?風(fēng)向矩陣；[0012] S5：通過n?1次曲線擬合尋找風(fēng)速和風(fēng)向隨時間變化的最佳擬合曲線，最終得到風(fēng)電機(jī)組葉輪面范圍未來預(yù)設(shè)時間范圍內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向隨時間和空間的變化曲線。

[0013] 優(yōu)選地， d為激光雷達(dá)的探測距離，R為葉輪半徑。[0014] 進(jìn)一步優(yōu)選地，機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的安裝高度≥d2×tanα，d2為激光雷達(dá)的激光頭距離輪轂前緣的水平距離。

[0015] 優(yōu)選地，S3中，空間風(fēng)速分布矩陣由風(fēng)切變函數(shù)矩陣和空間坐標(biāo)值計算得出，所述風(fēng)切變函數(shù)矩陣依據(jù)實測風(fēng)速矩陣，按照對數(shù)曲線利用最小二乘法擬合得出。

[0016] 優(yōu)選地，S3中，風(fēng)向分布矩陣由風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合函數(shù)矩陣和空間坐標(biāo)值計算得出，所述1

風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合函數(shù)矩陣依據(jù)實測風(fēng)向矩陣，按照圓柱面G插值曲線方法擬合得出。

[0017] 優(yōu)選地，S4中，上葉尖、輪轂和下葉尖高度的時間?風(fēng)速?風(fēng)向矩陣的時間項，是通過空間測量點距離輪轂的水平距離除以空間風(fēng)速得到的。

[0018] 優(yōu)選地，S5中，風(fēng)速和風(fēng)向隨時間變化的最佳擬合曲線，是通過對上葉尖、輪轂和下葉尖高度的時間?風(fēng)速?風(fēng)向矩陣分別進(jìn)行n?1次多項式擬合，并選取最佳擬合曲線獲得

的。

[0019] 優(yōu)選地，S5中，預(yù)設(shè)時間長度根據(jù)機(jī)艙式激光雷達(dá)的探測距離和風(fēng)電場大概率可能出現(xiàn)的最大10分鐘平均風(fēng)速確定。

[0020] 本發(fā)明還公開了一種計算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實現(xiàn)上述的風(fēng)

機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法的步驟。

[0021] 本發(fā)明還公開了一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測

方法的步驟。

[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：[0023] 本發(fā)明公開的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，在風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙上安裝機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)，利用激光雷達(dá)探測風(fēng)電機(jī)組葉輪正前方的一定距離內(nèi)不同空間點

的風(fēng)速、風(fēng)向變化情況，利用激光雷達(dá)探測得到的空間點的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，通過預(yù)測算法，

給出風(fēng)電機(jī)組葉輪面范圍未來預(yù)設(shè)時間范圍內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向隨時間和空間的變化曲線，為

風(fēng)電機(jī)組的載荷和發(fā)電量控制提供精確的依據(jù)。本發(fā)明能夠獲得風(fēng)電機(jī)組的葉輪面范圍的

即時精確風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，不存在滯后，無葉輪轉(zhuǎn)動干擾，風(fēng)速、風(fēng)向測量精度極大提升?？?br>
以精準(zhǔn)連續(xù)預(yù)測未來一定時間范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組葉輪面所要面臨的風(fēng)速、風(fēng)向變化，為風(fēng)電

機(jī)組的偏航、變槳運行控制提供準(zhǔn)確參考依據(jù)，可以減小機(jī)組載荷，提升發(fā)電量。

[0024] 進(jìn)一步地，機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的安裝高度距離輪轂上緣要求有一定的高度，能夠避免向下掃射的激光射線被輪轂遮擋。

附圖說明[0025] 圖1為本發(fā)明的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法的流程圖；[0026] 圖2為風(fēng)電機(jī)組葉輪面高度范圍風(fēng)速、風(fēng)向測量點示意圖。具體實施方式[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

[0028] 本發(fā)明的風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法，流程圖如圖1，包括以下步驟：

[0029] 1)激光雷達(dá)探測角度確定方法：[0030] 為了獲得整個葉輪面空間范圍的風(fēng)速、風(fēng)向分布信息，對激光雷達(dá)設(shè)置3個探測角度，分別是水平探測角度、仰角α探測角度和俯角α探測角度。以葉輪的上葉尖高度和下葉尖

高度作為激光雷達(dá)探測范圍的上下邊界，激光雷達(dá)的探測距離為d，葉輪半徑為R，則

[0031] 2)激光雷達(dá)安裝高度的確定方法：[0032] 激光雷達(dá)的安裝高度以激光雷達(dá)的激光頭距離葉輪輪轂的上緣的豎直高度為依據(jù)，計為h1，激光雷達(dá)的激光頭距離輪轂前緣的水平距離為d2，則h1≥d2×tanα。

[0033] 3)激光雷達(dá)測量的數(shù)據(jù)要求：[0034] 激光雷達(dá)探測的距離盲區(qū)為d0，探測距離為d，有效探測范圍d?d0，在d?d0范圍內(nèi)，每隔一個d1距離，獲得一個實時數(shù)據(jù)點，對于水平探測方向，數(shù)據(jù)點從雷達(dá)探測距離盲區(qū)到

最遠(yuǎn)端排列分別是M0、M1、…、Mn；對于仰角α探測方向，數(shù)據(jù)點從探測距離盲區(qū)到最遠(yuǎn)端方向

排列分別是H0、H1、…、Hn；對于俯角α探測方向，數(shù)據(jù)點從探測盲點向最遠(yuǎn)端方向排列分別是

L0、L1、…、Ln。每個數(shù)據(jù)點包含時間、風(fēng)速和風(fēng)向信息。d1為激光雷達(dá)射線的距離門，一般設(shè)

置為d1＝10米，n的取值取決于激光雷達(dá)的有效探測距離，一般在200m至400m之間，其中，

[0035] 利用激光雷達(dá)實時測量值建立實測風(fēng)速矩陣：[0036][0037] 其中，h為輪轂高度，hHn為葉輪上葉尖高度，hHcn為激光雷達(dá)仰角α探測路徑上的探測點的高度，hLn為葉輪下葉尖高度，hLcn為激光雷達(dá)俯角α探測路徑上的探測點的高度，Hvcn

為激光雷達(dá)測量得到的仰角α探測路徑上的探測點的風(fēng)速值，Mvn為激光雷達(dá)測量得到的水

平探測路徑上的探測點的風(fēng)速值，Lvcn為激光雷達(dá)測量得到的俯角α探測路徑上的探測點的

風(fēng)速值。

[0038] hHcn＝h+R，[0039] hHcn?1＝h+R?d1×tanα，[0040] hHcn?2＝h+R?2d1×tanα，[0041] ……[0042] hHc0＝h±R±nd1×tanα，[0043] hLcn＝h?R，[0044] hLcn?1＝h?R+d1×tanα，[0045] hLcn?2＝h?R+2d1×tanα，[0046] ……[0047] hLc0＝H?R+nd1×tanα，[0048] 利用雷達(dá)實時測量值建立實測風(fēng)向矩陣：[0049][0050] 其中，Hdircn為激光雷達(dá)測量得到的仰角α探測路徑上的探測點的風(fēng)向值，Mdirn為激光雷達(dá)測量得到的水平探測路徑上的探測點的風(fēng)向值，Ldircn為激光雷達(dá)測量得到的俯

角α探測路徑上的探測點的風(fēng)向值。

[0051] 4)風(fēng)切變擬合：[0052] 利用實測風(fēng)速矩陣的每一列數(shù)據(jù)，即H、M、L三個高度上的風(fēng)速，擬合對數(shù)曲線，獲得對數(shù)風(fēng)切變廓線。擬合方法如下：

[0053] 風(fēng)速隨高度的變化稱為風(fēng)輪廓線，假設(shè)風(fēng)速隨高度的變化服從下面的公式：[0054][0055] 其中，其中，U(z)是在高度z[m]處的風(fēng)速[m/s]，U*是摩擦速度[m/s]，k是onKarman常數(shù)(0.4)，z0是地表粗糙度[m]，ln是自然對數(shù)。

[0056] 用線性的最小二乘法來擬合，首先做代數(shù)變形。利用ln(1/A)＝?lnA，得到:[0057][0058] 現(xiàn)在這個公式是一般的斜?截式：y＝mx+b，把ln(z)繪制在x軸上，把U(z)繪制在y軸上，得到一條直線：

[0059][0060][0061] 求解地表粗糙度z0：[0062][0063] 對兩個以上的高度，返回最佳擬合所有數(shù)據(jù)點的z0值。如果數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地擬合成對數(shù)風(fēng)輪廓線(一般的情況)那么直線不會很準(zhǔn)確地穿過所有的(ln(z),U(z))點，但它依

然是最佳擬合的直線并且由此得到的z0值是對粗糙度的最佳估計值。

[0064] 對于距離輪轂d、d?d1、d?2d1、……、d0測量點位置，分別進(jìn)行風(fēng)切變擬合，獲得風(fēng)切變擬合曲線函數(shù)矩陣[Un(z)Un?1(z)…U0(z)]；

[0065] 利用風(fēng)切變廓線函數(shù)帶入對應(yīng)空間點高度得到空間風(fēng)速分布矩陣：[0066][0067] 其中，[0068] hHn＝h+R，[0069] hLn＝h?R，[0070] Hvn＝Un(hHn)，[0071] Hvn?1＝Un?1(hHn)[0072] …[0073] Hv0＝U0(hHn)[0074] Lvn＝Un(hLn)，[0075] Lvn?1＝Un?1(hLn)[0076] …[0077] Lv0＝U0(hLn)[0078] 5)風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合：[0079] 利用實測風(fēng)向矩陣的每一列數(shù)據(jù)，即H、M、L三個高度上的風(fēng)向，擬合圓柱面曲線，獲得風(fēng)轉(zhuǎn)向廓線。擬合方法如下：

[0080] 風(fēng)速隨高度的變化稱為風(fēng)轉(zhuǎn)向廓線，根據(jù)一般規(guī)律，在風(fēng)電機(jī)組下葉尖至上葉尖空間高度范圍內(nèi)，風(fēng)向隨高度的變化服從線性分布。

[0081] 在H、M、L三個高度的風(fēng)向分別記為Hdir、Mdir和Ldir，給定圓柱面S:x2+y2＝1，則三個高度的風(fēng)向單位矢量可以看做S上的一個點列{Po＝(x，y，z)|Pi∈S，i＝H，M，L}，利用圓柱

1 1

面G插值曲線方法構(gòu)造圓柱面S上的一條G連續(xù)的曲線，使其通過給定的該點列，獲得風(fēng)轉(zhuǎn)

向擬合曲線函數(shù)矩陣：

[0082] [Gn(z)Gn?1(z)…G0(z)]；[0083] 利用風(fēng)轉(zhuǎn)向函數(shù)帶入對應(yīng)空間點高度得到空間風(fēng)向分布矩陣：[0084][0085] 6)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向預(yù)測算法：[0086] (1)輪轂高度風(fēng)速預(yù)測[0087][0088][0089] ……[0090][0091] 建立輪轂高度的時間、風(fēng)速、風(fēng)向矩陣：[0092][0093] 取[0094][0095][0096] ……[0097][0098] 建立上葉尖高度的時間、風(fēng)速、風(fēng)向矩陣：[0099][0100] 取[0101][0102][0103] ……[0104][0105] 建立下葉尖高度的時間、風(fēng)速、風(fēng)向矩陣：[0106][0107] 利用以上矩陣對風(fēng)速和風(fēng)向隨時間的變化關(guān)系進(jìn)行n?1次曲線擬合，選取最佳擬合曲線，獲得：

[0108] vMt＝fMv(t)，[0109] dirMt＝fMdir(t)，[0110] vHt＝fHv(t)，[0111] dirHt＝fHdir(t)，[0112] vLt＝fLv(t)，[0113] dirLt＝fLdir(t)，[0114] 其中，t根據(jù)機(jī)艙式激光雷達(dá)的探測距離和風(fēng)電場大概率可能出現(xiàn)的最大10分鐘平均風(fēng)速確定，單位為秒。由此獲得風(fēng)輪面上葉尖、輪轂和下葉尖未來預(yù)設(shè)時間內(nèi)的連續(xù)風(fēng)

速、風(fēng)向預(yù)測，為風(fēng)電機(jī)組運行控制提供依據(jù)。

[0115] 如圖2，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：[0116] 本實例中，風(fēng)電機(jī)組輪轂高度為h＝100m，葉輪半徑為R＝60m。在風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙頂部靠近輪轂的位置安裝一臺機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)，雷達(dá)探測方向為葉輪面正前方，雷達(dá)

安裝高度距離輪轂上緣要求有一定的高度，避免向下掃射的激光射線被輪轂遮擋。本實例

采用探測距離為400m的激光測風(fēng)雷達(dá)。

[0117] 1)激光雷達(dá)探測角度的確定：[0118] 為了獲得整個葉輪面空間范圍的風(fēng)速、風(fēng)向分布信息，對激光雷達(dá)設(shè)置3個探測角度，分別是水平探測角度、仰角α探測角度和俯角α探測角度。以葉輪的上葉尖高度和下葉尖

高度作為激光雷達(dá)探測范圍的上下邊界，激光雷達(dá)的探測距離為d＝400m，葉輪半徑為R＝

60m，則ta 則α＝arctanα＝8.53°。

[0119] 2)激光雷達(dá)安裝高度的確定：[0120] 激光雷達(dá)的安裝高度以激光雷達(dá)的激光頭距離葉輪輪轂的上緣的豎直高度為依據(jù)，計為h1，激光雷達(dá)的激光頭距離輪轂前緣的水平距離為d2＝3m，則h1＝d2×tanα＝3×

0.15＝0.45m。

[0121] 3)激光雷達(dá)測量的數(shù)據(jù)要求：[0122] 激光雷達(dá)探測的距離盲區(qū)為d0＝40m，探測距離為d＝400m，有效探測范圍d?d0＝360m，在d?d0范圍內(nèi)，每隔一個d1＝10m距離，獲得一個實時數(shù)據(jù)點，對于水平探測方向，數(shù)據(jù)

點從雷達(dá)探測距離盲區(qū)到最遠(yuǎn)端排列分別是M0、M1、…、Mn；對于仰角α探測方向，數(shù)據(jù)點從探

測距離盲區(qū)到最遠(yuǎn)端方向排列分別是H0、H1、…、Hn；對于俯角α探測方向，數(shù)據(jù)點從探測盲點

向最遠(yuǎn)端方向排列分別是L0、L1、…、Ln。每個數(shù)據(jù)點包含時間、風(fēng)速和風(fēng)向信息。其中，

[0123] 利用激光雷達(dá)實時測量值建立實測風(fēng)速矩陣：[0124][0125] 其中，h為輪轂高度，hHn為葉輪上葉尖高度，hHcn為激光雷達(dá)仰角α探測路徑上的探測點的高度，hLn為葉輪下葉尖高度，hLcn為激光雷達(dá)俯角α探測路徑上的探測點的高度，Hvcn

為激光雷達(dá)測量得到的仰角α探測路徑上的探測點的風(fēng)速值，Mvn為激光雷達(dá)測量得到的水

平探測路徑上的探測點的風(fēng)速值，Lvcn為激光雷達(dá)測量得到的俯角α探測路徑上的探測點的

風(fēng)速值。

[0126] hHcn＝h+R，[0127] hHcn?1＝h+R?d1×tanα，[0128] hHcn?2＝h+R?2d1×tanα，[0129] ……[0130][0131] hLcn＝h?R，[0132] hLcn?1＝h?R+d1×tanα，[0133] hLcn?2＝h?R+2d1×tanα，[0134] ……[0135] hLc0＝h?R+nd1×tanα，[0136] 利用雷達(dá)實時測量值建立實測風(fēng)向矩陣：[0137][0138] 其中，Hdircn為激光雷達(dá)測量得到的仰角α探測路徑上的探測點的風(fēng)向值，Mdirn為激光雷達(dá)測量得到的水平探測路徑上的探測點的風(fēng)向值，Ldircn為激光雷達(dá)測量得到的俯

角α探測路徑上的探測點的風(fēng)向值。

[0139] 4)風(fēng)切變擬合：[0140] 利用實測風(fēng)速矩陣的每一列數(shù)據(jù)，即H、M、L三個高度上的風(fēng)速，擬合對數(shù)曲線，獲得對數(shù)風(fēng)切變廓線。擬合方法如下：

[0141] 風(fēng)速隨高度的變化稱為風(fēng)輪廓線，假設(shè)風(fēng)速隨高度的變化服從下面的公式：[0142][0143] 其中，U(z)是在高度z[m]處的風(fēng)速[m/s]，U*是摩擦速度[m/s]，k是onKarman常數(shù)(0.4)，z0是地表粗糙度[m]，ln是自然對數(shù)。

[0144] 用線性的最小二乘法來擬合，首先做代數(shù)變形。利用ln(1/A)＝?lnA，得到:[0145][0146] 現(xiàn)在這個公式是一般的斜?截式:y＝mx+b，把ln(z)繪制在x軸上，把U(z)繪制在y軸上,得到一條直線：

[0147][0148][0149] 求解地表粗糙度z0：[0150][0151] 對兩個以上的高度，返回最佳擬合所有數(shù)據(jù)點的z0值。如果數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地擬合成對數(shù)風(fēng)輪廓線(一般的情況)那么直線不會很準(zhǔn)確地穿過所有的(ln(z),U(z))點,但它依

然是最佳擬合的直線并且由此得到的z0值是對粗糙度的最佳估計值。

[0152] 對于距離輪轂d、d?d1、d?2d1、……、d0測量點位置，分別進(jìn)行風(fēng)切變擬合，獲得風(fēng)切變擬合曲線函數(shù)矩陣[Un(z)Un?1(z)…U0(z)]。

[0153] 利用風(fēng)切變廓線函數(shù)帶入對應(yīng)空間點高度得到空間風(fēng)速分布矩陣：[0154][0155] 其中，[0156] hHn＝h+R，[0157] hLn＝h?R，[0158] Hvn＝Un(hHn)，[0159] Hvn?1＝Un?1(HHn)[0160] …[0161] Hv0＝U0(hHn)[0162] Lvn＝Un(hLn)，[0163] Lvn?1＝Un?1(hLn)[0164] …[0165] Lv0＝U0(hLn)[0166] 5)風(fēng)轉(zhuǎn)向擬合：[0167] 利用實測風(fēng)向矩陣的每一列數(shù)據(jù)，即H、M、L三個高度上的風(fēng)向，擬合圓柱面曲線，獲得風(fēng)轉(zhuǎn)向廓線。擬合方法如下：

[0168] 風(fēng)速隨高度的變化稱為風(fēng)轉(zhuǎn)向廓線，根據(jù)一般規(guī)律，在風(fēng)電機(jī)組下葉尖至上葉尖空間高度范圍內(nèi)，風(fēng)向隨高度的變化服從線性分布。

[0169] 在H、M、L三個高度的風(fēng)向分別記為Hdir、Mdir和Ldir，給定圓柱面S:x2+y2＝1，則三個高度的風(fēng)向單位矢量可以看做S上的一個點列{pI＝(x，y，z)|pI∈S，i＝H，M，L}，利用圓柱

1 1

面G插值曲線方法構(gòu)造圓柱面S上的一條G連續(xù)的曲線，使其通過給定的該點列，獲得風(fēng)轉(zhuǎn)

向擬合曲線函數(shù)矩陣：

[0170] [Gn(z)Gn?1(z)…G0(z)][0171] 利用風(fēng)轉(zhuǎn)向函數(shù)帶入對應(yīng)空間點高度得到空間風(fēng)向分布矩陣：[0172][0173] 6)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向預(yù)測算法：[0174] (1)輪轂高度風(fēng)速預(yù)測[0175][0176][0177] ……[0178][0179] 建立輪轂高度的時間、風(fēng)速、風(fēng)向矩陣：[0180][0181] 取[0182][0183][0184] ……[0185][0186] 建立上葉尖高度的時間、風(fēng)速、風(fēng)向矩陣：[0187][0188] 取[0189][0190][0191] ……[0192][0193] 建立下葉尖高度的時間、風(fēng)速、風(fēng)向矩陣：[0194][0195] 利用以上矩陣對風(fēng)速和風(fēng)向隨時間的變化關(guān)系進(jìn)行n?1次曲線擬合，選取最佳擬合曲線，獲得：

[0196] vMt＝fMv(t)，[0197] dirMt＝fMdir(t)，[0198] vHt＝fHv(t)，[0199] dirHt＝fHdir(t)，[0200] vLt＝fLv(t)，[0201] dirLt＝fLdir(t)，[0202] 通常來說，，風(fēng)電機(jī)組的運行風(fēng)速在3m/s～25m/s或3m/s～20m/s之間，風(fēng)電場出現(xiàn)25m/s以上風(fēng)速的概率很小，在本算例中，風(fēng)電場大概率可能出現(xiàn)的最大10分鐘平均風(fēng)速為

3m/s～25m/s，雷達(dá)探測距離400m，則tn的取值根據(jù)實測風(fēng)速的變化情況落在113s～16s之

間的概率大于99％，當(dāng)風(fēng)況預(yù)測時間長度不超過16s的情況下，可以確保極高的預(yù)測精度。

一般風(fēng)電機(jī)組的變槳控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反應(yīng)動作執(zhí)行到位需要數(shù)秒時間，十?dāng)?shù)秒的風(fēng)況提前

預(yù)測量足夠風(fēng)電機(jī)組做出反應(yīng)，為了確保風(fēng)況預(yù)測的準(zhǔn)確性，取t∈(0,16)，單位為秒。由此

獲得風(fēng)輪面上葉尖、輪轂和下葉尖未來0～16s的連續(xù)風(fēng)速、風(fēng)向預(yù)測，為風(fēng)電機(jī)組運行控制

提供依據(jù)。

[0203] 本發(fā)明還提供一種計算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實現(xiàn)本發(fā)明所述

風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法的步驟。

[0204] 本發(fā)明風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中

包含有計算機(jī)可用程序代碼的計算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD?ROM、光

學(xué)存儲器等)上實施的計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。本發(fā)明風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)

測方法如果以軟件功能單元的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個

計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中。

[0205] 基于這樣的理解，在示例性實施例中，還提供了一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，本發(fā)明實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分流程，也可以通過計算機(jī)程序來指令相關(guān)的硬件來完

成，所述的計算機(jī)程序可存儲于該計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中，該計算機(jī)程序在被處理器執(zhí)行

時，可實現(xiàn)上述各個方法實施例的步驟。其中，所述計算機(jī)程序包括計算機(jī)程序代碼，所述

計算機(jī)程序代碼可以為源代碼形式、對象代碼形式、可執(zhí)行文件或某些中間形式等。計算機(jī)

可讀存儲介質(zhì)包括永久性和非永久性、可移動和非可移動媒體可以由任何方法或技術(shù)來實

現(xiàn)信息存儲。信息可以是計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序的模塊或其他數(shù)據(jù)。需要說明的

是，所述計算機(jī)可讀介質(zhì)包含的內(nèi)容可以根據(jù)司法管轄區(qū)內(nèi)立法和專利實踐的要求進(jìn)行適

當(dāng)?shù)脑鰷p，例如在某些司法管轄區(qū)，根據(jù)立法和專利實踐，計算機(jī)可讀介質(zhì)不包括電載波信

號和電信信號。其中，所述計算機(jī)存儲介質(zhì)可以是計算機(jī)能夠存取的任何可用介質(zhì)或數(shù)據(jù)

存儲設(shè)備，包括但不限于磁性存儲器(例如軟盤、硬盤、磁帶、磁光盤(MO)等)、光學(xué)存儲器

(例如CD、DD、BD、HD等)、以及半導(dǎo)體存儲器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存儲器

(NANDFLASH)、固態(tài)硬盤(SSD))等。

[0206] 在示例性實施例中，還提供計算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實現(xiàn)所述

風(fēng)機(jī)葉輪面范圍風(fēng)速風(fēng)向測量和預(yù)測方法的步驟。處理器可能是中央處理單元

(CentralProcessingUnit，CPU)，還可以是其他通用處理器、數(shù)字信號處理器

(DigitalSignalProcessor、DSP)、專用集成電路(ApplicationSpecificIntegratedCircu

it，ASIC)、現(xiàn)成可編程門陣列(Field?ProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)或者其他可編程邏輯

器件、分立門或者晶體管邏輯器件、分立硬件組件等。

[0207] 需要說明的是，以上所述僅為本發(fā)明實施方式的一部分，根據(jù)本發(fā)明所描述的系統(tǒng)所做的等效變化，均包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以

對所描述的具體實例做類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書

所定義的范圍，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。