一种复杂地形下风流场反演方法与流程

1.本发明涉及风力发电设备技术领域，具体为一种复杂地形下风流场反演方法。


背景技术：

2.在地形复杂的风电场中，风况受微地形、地表植被的影响较大，风速呈现随机性、突变性等特点。当前风机的测风仪器主要为安装在机舱顶部的风速计和风向标，在风机正常运行时，测风仪器测得的风速并非到达叶轮处的风速，不具有实时性，且风流受到叶片和机舱的扰动导致测得的风速与叶轮处风速不一致。因此该风速无法应用于风机的控制系统中。
3.风力发电机的传统控制技术为反馈控制，包括额定转速下的转矩控制器和用于额定风速以上的桨距角控制器。在额定风速以下的情况，输入到风机的转矩信号用于保证最大能量系数跟踪从而能够使风机从风场中获得最大能量。在额定风速以上的情况，桨距角信号用于保证风机的功率不超过额定值。传统的反馈控制如图1所示。
4.由于机舱风速计的测量结果无法应用于控制系统中，且叶轮具有很大的转动惯量，从阵风到达叶轮到引起转速上升这一过程存在较大延迟，而转速上升再反馈到控制器输出，控制转矩或变桨，又具有一定延迟，容易造成超速停机。特别是在复杂地形风场，风速湍流大，风向变化快，风机频繁发生超速、振动故障，机组载荷增大，风能捕获效率下降。近年来由于风机超速导致风场运营效率低下的现象日益突出。
5.如果可以提前获取风机叶轮处的风速，则可将风速应用于风机的控制系统中，可以获得更高的风能捕获效率，这种控制策略为前馈控制，如图2所示，前馈控制有助于降低转速波动，降低机组载荷，提升发电量。所以就需要一种复杂地形下风流场反演方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种复杂地形下风流场反演方法，
7.本发明是这样实现的：
8.一种复杂地形下风流场反演方法，具体按以下步骤：
9.s1:具体通过采用采用et2000型激光雷达，将激光雷达安装在风机叶轮上游的位置，获取风机叶轮上游某一确定位置的风速；
10.s2:经过流场反演，获得叶轮处的风速；
11.s
2.1
:完美对风且切变为0的情况下，动态非均匀风流模型如式(1)和式(2)所示：
12.ui＝v0(t
r,i
)
ꢀꢀ
式(1)
[0013][0014]
其中，ui：时间为ti时点i处的水平方向风速，m/s；v0(t
r,i
)：叶轮等效风速，m/s；t
r,i
：风流到达叶轮处的时间，s；xi：水平位置，即测点i到叶轮的水平距离，m；平均风速，m/s；
[0015]s2.2
:风机叶轮的等效风速根据激光雷达测得的视线风速推算得出，具体如式(3)：
[0016][0017]
其中，v
0l
(ti)：根据激光雷达转化的叶轮等效风速，m/s；v
los,i
：测点i处激光雷达测得的视线风速，m/s；x
n,i
：x方向单元坐标值。
[0018]
s3:将叶轮处的风速应用于风机前馈控制模块中。
[0019]
进一步，对于具有nd个测量距离和n
p
个测点的脉冲激光雷达系统，每个位置j处的信号v
0l,j
通过汇总最后一次全扫描的所有n
p
点生成，具体如式(4)所示：
[0020][0021]v0l,j
(ti)：根据激光雷达转化的位置j叶轮等效风速，m/s；n
p
：位置j处的测点数量；v
los,ij
：位置j测点i处激光雷达测得的视线风速，m/s；x
n,i
：测点i处x方向单元坐标值；
[0022]
再根据泰勒冻结湍流假设，对获得的时间序列v
0l,j
进行时移，获得叶轮处的风流信息，作为前馈控制器的输入信号，假设湍流风场平均风速为到达第一个焦距的时间假设为叶轮有效风速v
0l
的激光雷达估计值通过式(5)计算：
[0023][0024]
其中：v
0l
(ti)：nd个测量距离和n
p
个测点的脉冲激光雷达系统的叶轮等效风速，m/s；nd：测量距离数量；v
0l,j
：根据激光雷达转化的位置j叶轮等效风速，m/s；xj：水平位置，即测点i到叶轮的水平距离，m；x1为第一个测量距离处的水平距离；平均风速，m/s。
[0025]
进一步，一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括微处理器和存储器，所述存储器存储有程序代码指令，由微处理器嵌入的计算机执行该程序代码时，所述程序代码用于执行上述的方法步骤。所述微控制处理器还分别连接有输入单元、输出单元、外设接口和i/o扩展接口，所述存储器包括eprom模块和ram模块。所述输入单元用于连接用户输入设备，所述输出单元用于连接用户输出设备。所述外设接口用于分别连接编程器、盒式磁带机、打印机、eprom写入器、图形监控系统、plc或上位计算机，所述i/o扩展接口用于连接功能模块接口。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0027]
1、根据激光雷达测量获得的叶轮上游风场数据，经过流场反演获得叶轮处的风流信息，作为前馈控制器的输入信号。
[0028]
2、获得叶轮处的风速，并应用于前馈控制模块中，降低转速波动及机组载荷，有效提升风机发电量
[0029]
3、可以提高风机的启动性能，减少因低风速启动困难造成的能量损失，同时还可以降低风机启动的能量消耗；
[0030]
4、优化风机的运行曲线，使风机在低风速的风能利用系数得到有效的提高，即在低风速段的发电量得到提高；
[0031]
5、提高风机的风能利用效率，同时降低风机的载荷。机舱激光雷达将使风机从当前被动式反馈控制(风机对风能的追踪滞后于风速的变化过程)转变为前馈控制和反馈控
制相结合的控制模式，控制方式的转变在提高风机在低风速段风能利用效率的同时还可以降低风机在高风速段的载荷；
[0032]
6、减少风机在过渡段运行时因风速变化(阵风)引起的停机，从而起到提高发电量，延长电气系统尤其是关键零部件并网开关的寿命；
[0033]
7、校正偏航对风，减小偏航误差，提升发电量。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0035]
图1是本发明一种复杂地形下风流场反演方法的传统控制的结构示意图；
[0036]
图2是本发明的前馈控制的电路图；
[0037]
图3是本发明的泰勒冻结湍流示意图；
[0038]
图4是本发明的计算机存储介质结构图；
[0039]
图5是本发明的13m/s阵风情况下不同变量随时间变化曲线；
[0040]
图6是本发明的连续运行情况下不同变量随时间变化曲线。
具体实施方式
[0041]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0042]
请参阅图1-6，一种复杂地形下风流场反演方法，具体按以下步骤：
[0043]
s1:具体通过采用采用et2000型激光雷达，将激光雷达安装在风机叶轮上游的位置，获取风机叶轮上游某一确定位置的风速；
[0044]
s2:经过流场反演，获得叶轮处的风速；
[0045]s2.1
:完美对风且切变为0的情况下，动态非均匀风流模型如式(1)和式(2)所示：
[0046]
ui＝v0(t
r,i
)
ꢀꢀ
式(1)
[0047][0048]
其中，ui：时间为ti时点i处的水平方向风速，m/s；v0(t
r,i
)：叶轮等效风速，m/s；t
r,i
：风流到达叶轮处的时间，s；xi：水平位置，即测点i到叶轮的水平距离，m；平均风速，m/s；
[0049]s2.2
:风机叶轮的等效风速根据激光雷达测得的视线风速推算得出，具体如式(3)：
[0050][0051]
其中，v
0l
(ti)：根据激光雷达转化的叶轮等效风速，m/s；v
los,i
：测点i处激光雷达测得的视线风速，m/s；x
n,i
：x方向单元坐标值。
[0052]
s3:将叶轮处的风速应用于风机前馈控制模块中。
[0053]
本实施例中，对于具有nd个测量距离和n
p
个测点的脉冲激光雷达系统，每个位置j处的信号v
0l,j
通过汇总最后一次全扫描的所有n
p
点生成，具体如式(4)所示：
[0054][0055]v0l,j
(ti)：根据激光雷达转化的位置j叶轮等效风速，m/s；n
p
：位置j处的测点数量；v
los,ij
：位置j测点i处激光雷达测得的视线风速，m/s；x
n,i
：测点i处x方向单元坐标值；
[0056]
再根据泰勒冻结湍流假设，对获得的时间序列v
0l,j
进行时移，获得叶轮处的风流信息，作为前馈控制器的输入信号，假设湍流风场平均风速为到达第一个焦距的时间假设为叶轮有效风速v
0l
的激光雷达估计值通过式(5)计算：
[0057][0058]
其中：v
0l
(ti)：nd个测量距离和n
p
个测点的脉冲激光雷达系统的叶轮等效风速，m/s；nd：测量距离数量；v
0l,j
：根据激光雷达转化的位置j叶轮等效风速，m/s；xj：水平位置，即测点i到叶轮的水平距离，m；x1为第一个测量距离处的水平距离；平均风速，m/s。
[0059]
本实施例中，以一台单机容量5mw的风机为例，对于一个平均风速为13m/s的阵风，风速、桨角、发电机扭矩、叶轮转速、振幅、塔架弯矩等变量随时间的变化如图5：
[0060]
其中，图5中黑色曲线为传统反馈控制系统，浅色曲线为激光雷达前馈控制系统。
[0061]
其中v0：风速、θ：桨角、mg：发电机、ω：叶轮转速、x
t
：振幅、m
yt
：塔架弯矩
[0062]
从图5中看出，转速波动减小了97％，最大的塔底前后弯曲力矩myt降低了47.1％。
[0063]
对于连续运行的情况，上述变量随时间的变化曲线间如图6：从图6中看出，转速波动减小了67.3％，最大的塔底前后弯曲力矩myt降低了31.6％。
[0064]
本实施例中，一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括微处理器和存储器，所述存储器存储有程序代码指令，由微处理器嵌入的计算机执行该程序代码时，所述程序代码用于执行上述的方法步骤。所述微控制处理器还分别连接有输入单元、输出单元、外设接口和i/o扩展接口，所述存储器包括eprom模块和ram模块。所述输入单元用于连接用户输入设备，所述输出单元用于连接用户输出设备。所述外设接口用于分别连接编程器、盒式磁带机、打印机、eprom写入器、图形监控系统、plc或上位计算机，所述i/o扩展接口用于连接功能模块接口。
[0065]
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。