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8 Nacelle-based lidar systems 157<br />
8.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157<br />
8.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157<br />
8.3 The units of the lidar scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157<br />
8.3.1 Windcube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157<br />
8.3.2 Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158<br />
8.4 Scan pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159<br />
8.5 CNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161<br />
8.6 Wind field reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162<br />
8.7 “Visited” test sites of the SWE Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163<br />
8.7.1 Onshore test site Bremerhaven, Germany . . . . . . . . . . . . . . . 163<br />
8.7.2 Onshore test site Risø Campus - <strong>DTU</strong> Wind Energy, Denmark . . . . 164<br />
8.7.3 Onshore test site National Wind Technology Center (NWTC) - NREL,<br />
USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164<br />
8.7.4 Offshore test site “alpha ventus” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165<br />
8.8 Measurement campaigns and some results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166<br />
8.8.1 Equivalent wind speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166<br />
8.8.2 Rotor effective wind speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167<br />
8.9 Outlook & Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168<br />
Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169<br />
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169<br />
9 Lidars and wind turbine control –<br />
Part 1 171<br />
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171<br />
9.2 Model Based Wind Field Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171<br />
9.2.1 Ambiguity in Wind Field Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . 172<br />
9.2.2 Lidar Model for Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172<br />
9.2.3 Wind Model for Collective Pitch Control . . . . . . . . . . . . . . . . 173<br />
9.2.4 Wind Model for Cyclic Pitch Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173<br />
9.2.5 Wind Model for Yaw Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173<br />
9.2.6 Wind Model for Complex Terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173<br />
9.3 Modeling of the Wind Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174<br />
9.3.1 Reduced Nonlinear Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174<br />
9.3.2 Estimation of the Rotor Effective Wind Speed from Turbine Data . . 175<br />
9.3.3 Linear Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175<br />
9.4 Correlation of a Lidar System and a Wind Turbine . . . . . . . . . . . . . . . 176<br />
9.4.1 Simulated Lidar Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176<br />
9.4.2 Reconstruction of Rotor Effective Wind Speed . . . . . . . . . . . . . 176<br />
9.4.3 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177<br />
9.5 Lidar Assisted Collective Pitch Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178<br />
9.5.1 Controller and Adaptive Filter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . 178<br />
9.5.2 Field Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179<br />
9.6 Lidar Assisted Speed Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180<br />
9.6.1 Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180<br />
9.6.2 Simulation Using Real Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181<br />
9.6.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181<br />
9.7 Nonlinear Model Predictive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182<br />
9.7.1 Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182<br />
9.7.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183<br />
9.8 Lidar Assisted Cyclic Pitch Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184<br />
9.9 Lidar Assisted Yaw Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186<br />
9.9.1 Simulation Using Generic Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186<br />
9.9.2 Simulation Using Real Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187<br />
<strong>DTU</strong> Wind Energy-E-Report-0029(EN) 7