CN105068148A - 风电场阵风预测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种风电场阵风预测方法和系统，方法包括如下步骤：1)监测位于风电场外围的测风节点处的阵风信息；2)标记最先监测到阵风的测风节点为当前测风节点，并将当前测风节点以及各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系；3)根据当前测风节点处的阵风信息、当前测风节点、各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离和各风电机组之间的上下游关系，计算在当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。本发明的技术方案实现对风电场中阵风的预测，进而为提高风电机组发电效率以及安全性打好基础。

Description

风电场阵风预测方法和系统

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风电场阵风预测方法和系统。

背景技术

风力发电因其采用了新型、清洁的能源进行发电而在电力领域逐步受到人们的关注。

然而，风力发电采用的风能因其在风速、风向上都具有随机性，因此风力发电会在发电效率以及安全性上存在不稳定因素，特别是由阵风带来的波动尤为明显。现有风力发电技术中也很难对阵风的风能进行有效的捕获利用，并且阵风很容易导致风电机组出现安全性问题。例如，阵风可以引起风力发电机组(简称“风电机组”)转矩出现较大范围的波动，使叶轮的机械应力突然增加，并且此时机组输出的功率波动性明显，甚至在极端阵风状况下，会对机组造成致命性的伤害。因此，如何对风电场中出现的阵风进行有效的预测，是后续采取有效措施，提高风电机组发电效率以及安全性的前提，也是技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种风电场阵风预测方法和系统，以实现对风电场中出现的阵风进行有效的预测，进而为后续采取有效措施，提高风电机组发电效率以及安全性打好基础。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种风电场阵风预测方法，包括：

监测位于风电场外围的至少三个测风节点处的阵风信息，所述阵风信息包括阵风的到达时间、风速和风向；

当监测到所述测风节点处存在一股吹向风电场的阵风时，标记最先监测到该股阵风的所述测风节点为当前测风节点，并将所述当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿所述阵风的风向上进行投影，得到所述当前测风节点以及各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系；

根据所述当前测风节点处的所述阵风信息、所述当前测风节点、各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离和各风电机组之间的上下游关系，计算在所述当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。

本发明的实施例还提供了一种风电场阵风预测系统，包括：位于风电场外围的至少三个测风节点处的气象监测设备、中央控制器，所述中央控制器包括：数据处理模块和阵风信息计算模块；

所述气象监测设备，用于监测位于风电场外围的至少三个测风节点处的阵风信息，所述阵风信息包括阵风的到达时间、风速和风向；

所述数据处理模块，用于当所述气象监测设备监测到所述测风节点处存在一股吹向风电场的阵风时，标记最先监测到该股阵风的所述测风节点为当前测风节点，并将所述当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿所述阵风的风向上进行投影，得到所述当前测风节点以及各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系；

阵风信息计算模块，用于根据所述当前测风节点处的所述阵风信息、所述当前测风节点、各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离和各风电机组之间的上下游关系，计算在所述当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。

本发明实施例提供的风电场阵风预测方法和系统，通过监测位于风电场外围测风节点处到的阵风信息，确定即将吹向风电场的阵风，然后将最先监测到阵风的当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系，从而利用当前测风节点处的阵风信息、各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离和上下游关系，计算在当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息，以对到达每个风电机组的阵风的风速、风向、到达时间等进行准确预测。

附图说明

图1为本发明提供的风电场阵风预测系统拓扑图；

图2为本发明提供的风电场阵风预测方法一个实施例的方法流程图；

图3为本发明提供的测风节点以及风电机组在沿阵风的风向上进行投影的示意图；

图4为本发明提供的风电场阵风预测方法另一个实施例的方法流程图；

图5为本发明提供的测风节点及风电机组对应位置坐标的Oxy平面直角坐标系示意图；

图6为本发明提供的风电场阵风预测方法又一个实施例的方法流程图；

图7为本发明提供的风电场阵风预测系统一个实施例的结构示意图；

图8为本发明提供的风电场阵风预测系统另一个实施例的结构示意图。

附图标号说明

101-北斗卫星、102-中央控制器、103-气象监测设备、104-风电机组、1021-数据处理模块、1022-阵风信息计算模块、1023-坐标系构建模块、1024-坐标系旋转模块、1025-分组模块、1026-上下游关系模块、10221-第一阵风信息计算单元、10222-第二阵风信息计算单元、10223-第三阵风信息计算单元。

具体实施方式

本发明的实施例，通过将监测到阵风的当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，然后利用这些投影距离、各风电机组之间沿阵风的风向上的上下游关系以及在当前测风节点处监测到的阵风信息，计算该阵风到达各个风电机组时的阵风信息。本发明实施例的技术方案可以适用于针对风电场的阵风预测。

图1为本发明提供的风电场阵风预测系统拓扑图。如图1中所示，本发明的所有实施例中采用如北斗卫星101对涉及使用的设备如中央控制器102、气象监测设备103(气象桅杆)等进行同步授时，保障它们使用的时间参量是同步的，从而提高预测当前测风节点处的阵风到达各风电机组104时的阵风信息在时间上的精度。在图1中，每个气象监测设备103所处的位置均为一个测风节点。各气象监测设备103、风电机组104周期性向中央控制器上传监测到的风信息(风电机组104可将偏航信息、风向标的测风信息等作为监测到的风信息)，然后由中央控制器102根据这些风信息，以及气象监测设备103和各风电机组104所处的地理信息对风电场的阵风进行预测。

实施例一

在图1所示风电场阵风预测系统拓扑图的基础上，图2示出本发明提供的风电场阵风预测方法一个实施例的方法流程图。

如图2所示，该风电场阵风预测方法包括：

S201，监测位于风电场外围的至少三个测风节点处的阵风信息，阵风信息包括阵风的到达时间、风速和风向。

通过设置在位于风电场外围的至少三个测风节点处的气象监测设备监测相应测风节点处的阵风信息，并周期性的上传给中央控制器。测风节点的具体位置需满足这样的条件：阵风在到达风电场前应被至少一个测风节点处的气象监测设备监测到；且首次监测到阵风的测风节点与阵风经过的第一个风电机组之间应保持足够远距离，以使得阵风经过该距离所经历的时间大于各气象监测设备、风电机组等上传风信息的周期。

S202，当监测到测风节点处存在一股吹向风电场的阵风时，标记最先监测到该股阵风的测风节点为当前测风节点，并将当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系。

中央控制器根据对接收的各测风节点处监测的阵风信息中的到达时间、风速和风向进行综合判断，从中识别出即将吹向风电场的各股阵风的信息。每当中央控制器识别出某些测风节点处监测到一股新的即将吹向风电场的阵风时，则标记最先监测到该股阵风的测风节点为当前测风节点。

中央控制器根据预先掌握的各测风节点以及各风电机组的地理位置信息，将上述当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，从而得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系。

图3为本发明提供的测风节点以及风电机组在沿阵风的风向上进行投影的示意图。如图3所示，假设风电场的正北方向为0°风向角度的方向，顺时针旋转方向为正角度方向，一股即将吹向风电场的阵风，风向角度为α，那么d即为相应两个风电机组在沿阵风风向α上的投影距离，依此类推，可得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离。通过各风电机组在α风向上的投影，可以确定各风电机组间的在阵风风向的上下游关系。

S203，根据当前测风节点处的阵风信息、当前测风节点、各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离和各风电机组间的上下游关系，计算在当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。

利用阵风在到达当前测风节点处时的阵风信息，以及前测风节点、各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，可以粗略预测阵风到达各个风电机组时的阵风信息，包括：到达时间、风速和风向。例如，将各风电机组与当前测风节点间的投影距离除以阵风的风速得到的时间值作为当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风到达时间，而到达时的风速和风向可以视为阵风在当前测风节点处的风速和风向，当然，这种预测比较粗糙。

本实施例中，还可参考各风电机组间的上下游关系对上述阵风到来时的阵风信息进行修正。例如，结合阵风在当前测风节点处的阵风信息，考虑到上下游相邻的风电机组间的位置关系，可能存在的尾流效应(类似与流体力学中的近场尾流模块、远场尾流模块等)以及各风电机组自身监测的风信息等预测得到阵风到达各机组时的较为精确的阵风信息，具体实现方式不做限定。

可拓展的，在具体应用场景中，还可将上述两种方式得到的阵风信息进行综合考虑，最终得到待预测的阵风信息。

本发明实施例提供的风电场阵风预测方法，通过将监测到阵风的当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，然后利用这些投影距离、各风电机组之间沿阵风的风向上的上下游关系以及在当前测风节点处监测到的阵风信息，计算该阵风到达各个风电机组时的阵风信息，实现对风电场内阵风的有效预测，进而为后续采取有效措施，提高风电机组发电效率以及安全性打好基础。

实施例二

图4为本发明提供的风电场阵风预测方法另一个实施例的方法流程图，可视为图2所示方法实施例的一种具体实现方式。如图4所示，相比较图2所示实施例的方法步骤，图4中具体示出了如何获取当前测风节点以及各风电机组在沿阵风风向上的投影距离的方法；如何确定各风电机组之间在沿阵风风向上的上下游关系的方法；以及如何具体预测当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息的预测方法。如图4所示，该风电场阵风预测方法包括步骤如下：

S401，通过卫星定位系统记录各测风节点及风电场中各风电机组所在位置的位置信息，并依据位置信息构建包含各测风节点及各风电机组所在位置坐标的Oxy平面直角坐标系。

如采用前述的北斗卫星的定位系统对各测风节点及风电场中的各风电机组所在位置的位置信息进行定位形成相应投影坐标(如经、纬度)，并将投影坐标传送至中央控制器。中央控制器对接收的各测风节点及各风电机组的投影坐标进行转换得到新的投影坐标。例如由高斯投影的位置坐标(39°44'42.1100"N，116°33'3.2000"E)到通用横轴墨卡托投影(UniversalTransverseMercatorProjection，UTM)的投影坐标(4724395.75647，16607681.01336)的投影坐标转换。中央控制器根据风电场的布局，依据上述各测风节点及各风电机组转换后得到的投影坐标建立相对欧氏平面直角坐标系Oxy(简称“Oxy平面直角坐标系”)。如图5所示，为针对图3中所示测风节点及风电机组对应位置坐标的Oxy平面直角坐标系示意图。在具体应用场景中，可尽量让所有风电机组的位置坐标落入Oxy平面直角坐标系中的第一象限中，且保证各坐标(x，y)不在x，y坐标轴上。

进一步地，为了保证每次吹向风电场的阵风都可以最先被位于风电场外围的至少一个测风节点监测到，本实施例中，预先将每个测风节点的位置都设置在与其最近的风电机组的距离为风电机组的叶轮直径的2.5～4倍距离的位置，且各测风节点均匀分布在风电场外围。

S402，监测位于风电场外围的至少三个测风节点处的阵风信息，阵风信息包括阵风的到达时间、风速和风向。步骤S402的方法内容与前述步骤S201的方法内容相同。

S403，当监测到测风节点处存在一股吹向风电场的阵风时，标记最先监测到该股阵风的测风节点为当前测风节点，并对Oxy平面直角坐标系以O为中心旋转，旋转后的Oxy平面直角坐标系中y轴的正方向为当前测风节点处监测到的阵风的风向。

在具体应用场景中，可先将原Oxy平面直角坐标系转化为极坐标系，对应位置坐标(x，y)可通过公式(1)转化为极坐标系下的坐标(β，θ)。

$(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=(\sqrt{x^2+y^2},\mathrm{ar}ctan\frac{y}{x})...\left(1\right)$

当监测到当前测风节点处的阵风的风向角度为如图3中的α时，可将如图5所示的坐标系对应的极坐标系以原点为圆心进行旋转，使旋转后的极坐标系的90°角方向对应为当前测风节点处监测到的阵风的风向。对应的原极坐标系中的坐标(β，θ)转化为旋转后的极坐标系中的坐标(β，θ-360°+α)(原极坐标系中的90°角方向为正北方向)。最后将旋转后极坐标系下的坐标通过公式(1)的坐标变换转化为Oxy平面直角坐标系中的坐标，转化后的Oxy平面直角坐标系中y轴的正方向即为当前测风节点处监测到的阵风的风向。

S404，将旋转后的Oxy平面直角坐标系中当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中y轴坐标间的差值的绝对值，确定为相应当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离。步骤S404的方法内容可视为前述步骤S202中，将当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离的具体实现方式。

具体地，由于本实施例中，示出的旋转后的Oxy平面直角坐标系的y轴正方向与当前测风节点处监测的阵风的风向相同，那么，当前测风节点及各风电机组在沿阵风的方向上的投影距离就转化为当前测风节点与风电机组之间，或者两个风电机组之间的位置坐标中的y坐标值间差值的绝对值。

S405，确定各风电机组之间的上下游关系。步骤S405的方法内容与前述步骤S202中，确定各风电机组之间的上下游关系的步骤相似。

具体地，本实施例给出了本步骤的一种具体实现方式，包括如下步骤(a1～a2)。

a1，将旋转后的Oxy平面直角坐标系中当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中x轴坐标值，按其坐标值大小进行连续分组。

通常，只有位于当前风电机组正前方或接近正前方(风的风向)的风电机组才会对吹向当前风电机组的阵风造成如尾流效应等影响。而受其他方向的风电机组的针对风的影响较小。因此，本实施例为了反映上游风电机组对下游风电机组的针对风的影响，对风电场中的所有风电机组先进行分组，以保证同组内的各风电机组间，沿阵风方向的在先风电机组对在后风电机组针对风的影响较大，并确定这样的组内的各风电机组间具有在上下游关系；而不同组内的任意两个风电机组间，沿阵风方向的在先的风电机组对在后的风电机组针对风的影响可忽略，即使沿阵风的方向上具有“在先”与“在后”的位置关系，但该位置关系也不认为是具有上下游关系。

根据风电机组间上下游关系的定义，本实施例将旋转后的Oxy平面直角坐标系中当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中x轴坐标值，按其坐标值大小进行连续分组。每个组内的x轴坐标值的宽度可相同。如此，各组内对应包含的风电机组中沿阵风方向上在前的风电机组基本位于在后的风电机组的正前方或接近正前方。

a2，针对分组后各组内包含的各个风电机组，按各个风电机组的位置坐标中y轴坐标值的大小确定各个风电机组之间的上下游关系；其中，y轴坐标值大的风电机组为y轴坐标值小的风电机组的上游风电机组。

这里说明，各组间的风电机组之间不具有上下游关系。

在此之后，可继续执行步骤S103，根据当前测风节点处的阵风信息、当前测风节点、各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离和各风电机组间的上下游关系，计算在当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。

具体地，本实施例示出了计算当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息的两种情况，即针对当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息，以及到达第二风电机组时的阵风信息分别计算。其中，第一风电机组为具有前文所述的上下游关系的风电机组中与当前测风节点的投影距离最近的风电机组，第二风电机组为具有前文所述的上下游关系的风电机组中与当前测风节点的投影距离非最近的风电机组。由此可见，第一风电机组和第二风电机组均可以为多个。以下是对阵风到达第一风电机组和第二风电机组时的阵风信息的计算步骤。

若待计算的阵风信息为当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息，则通过执行步骤S406～407完成相应阵风信息的计算。

S406，将当前测风节点处的阵风的风速和风向对应确定为当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的风速和风向。其原因为到达第一风电机组时的阵风信息中的风速和风向并未受到其他机组的干扰。

S407，将第一风电机组到当前测风节点的投影距离除以当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值与阵风到达当前测风节点时的到达时间的和值确定为当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的到达时间。

由于到达第一风电机组时的阵风信息中的风速和风向并未受到其他机组的干扰，则可将阵风到达当前测风节点时的到达时间与阵风从当前测风节点到第一风电机组所需的时间进行叠加，其和值对应的时间作为当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的到达时间。

若待计算的阵风信息为当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的阵风信息，则通过执行步骤S408～409完成相应阵风信息的计算。

S408，根据计算得到的当前测风节点处的阵风到达第二风电机组的相邻上游风电机组的到达时间，获取该到达时间所对应时刻下相邻上游发电机组处的实测阵风信息。

由于当前测风节点处的阵风在到达第二风电机组的过程中，必然会受到与之具有上下游关系的第一风电机组和/或位于其上游位置的其它第二风电机组的如尾流效应的影响。因此不能单纯依靠当前测风节点处的阵风的阵风信息来计算到达第二风电机组时阵风的阵风信息，必须依靠当前第二风电机组的相邻上游风电机组所在位置的实测阵风信息来计算。该实测阵风信息是与当前测风节点处的阵风的阵风信息相关联的。

因此，本实施例中采用已经预测得到的当前测风节点处的阵风到达第二风电机组的相邻上游风电机组的到达时间对应的实际时刻下对应的该相邻上游风电机组处的实测阵风信息作为后续计算到达第二风电机组时的阵风信息的基础。例如，当预测得到的当前测风节点处的阵风到达第一风电机组的到达时间为13:00时，那么在13:00时刻下，采集获取该第一风电机组所处位置的实测阵风信息，并作为计算该阵风到达第一风电机组相邻下游的第二风电机组的阵风信息的基础。

具体地，获取风电机组所处位置的实测阵风信息的方法可以是，通过风电机组的当前偏航位置，以及如风向标检测的偏航角度来确定风电机组所处位置的实测阵风信息中的风向；或者，通过前述的北斗卫星的定位系统定位风电机组的机舱的前后位置，从而定位当前机舱的角度位置，然后结合如风向标检测的偏航角度来确定风电机组所处位置的实测阵风信息中的风向。而实测阵风信息中的风速可通过风速检测设备获得。

S409，根据相邻上游风电机组处的实测阵风信息以及第二风电机组到相邻上游风电机组的投影距离，计算在相邻上游风电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风信息，并将其作为当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的阵风信息。

具体地，可利用阵风经过相邻上游风电机组处时产生的尾流效应，如根据公式(2)计算该相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风信息中的速度的信息。

$\left\{\begin{array}{cc}v=v_0\[1-a(1+\frac{l}{D\sqrt{{\left(\frac{l}{D}\right)}^2+0.25}})\]& l\≤5D\\ v=v_0(1-e^{-\mathrm{\β}\frac{l}{D}})\[1-\frac{2}{3}{\left(\frac{r_0}{r_0+\mathrm{\η}l}\right)}^2\]& l>5D\end{array}\right....\left(2\right)$

其中，v为在相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风信息中的速度；v₀为相邻上游发电机组处的实测阵风的风速，D为风电机组的叶轮直径，a为风电机组轴向诱导因子，l为第二风电机组到相邻上游风电机组的投影距离，β为修正系数，η为尾流下降系数，r₀为风电机组的叶轮半径。

优选地，上述β取值为0.6、η取值为0.07。

在此基础上，相对应的，可将相邻上游发电机组处的实测阵风信息中的风向确定为相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风的风向。将第二风电机组到相邻上游发电机组的投影距离除以相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风信息中的速度v得到的时间值与相邻上游发电机组处的实测阵风的到达时间的和值，确定为相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的到达时间。

优选地，在图4所示实施例的基础上，图6还进一步示出了风电场阵风预测方法的又一个实施例的方法流程图。图6所示方法实施例中，继承利用了图4实施例中，计算得到的相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组的阵风信息。如图6所示，该风电场阵风预测方法包括如下步骤：

S601，计算各第二风电机组到当前测风节点的投影距离除以当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值，并将该时间值与阵风在当前测风节点时的到达时间的和值标记为修正时间。

即分别计算当前测风节点处的阵风在无障碍和尾流效应的情况下，直接吹到各第二风电机组时所对应的到达时间，并将该时间标记为修正时间。

S602，将计算得到的相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组的到达时间与相应第二风电机组对应的修正时间进行加权计算，得到当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的到达时间。

例如，针对同一第二风电机组，分别对前述图4实施例中，得到的其相邻上游发电机组处的实测阵风到达该第二风电机组的阵风信息中的到达时间以及该第二风电机组对应的修正时间设置权重系数；然后将两个时间量分别乘以相应的权重系数后在相加，得到的和值作为当前测风节点处的阵风到达该第二风电机组时的到达时间。

S603，将计算得到的相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的风向与当前测风节点处的阵风的风向进行加权计算，得到当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的风向；

例如，针对同一第二风电机组，分别对前述图4实施例中，得到的其相邻上游发电机组处的实测阵风到达该第二风电机组的阵风的风向以及当前测风节点处的阵风的风向设置权重系数；然后将两个风向角度量分别乘以相应的权重系数后再相加，得到的和值的角度作为当前测风节点处的阵风到达该第二风电机组时的风向的角度。

S604，将计算得到的相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的风速与当前测风节点处的阵风的风速进行加权计算，得到当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的风速。

例如，针对同一第二风电机组，分别对前述图4实施例中，得到的其相邻上游发电机组处的实测阵风到达该第二风电机组的阵风的风速以及当前测风节点处的阵风的风速设置权重系数；然后将两个风速量分别乘以相应的权重系数后在相加，得到的和值的风速作为当前测风节点处的阵风到达该第二风电机组时的风速。

上述针对阵风信息中同一类型参量的权重系数的和值为1。

本发明实施例提供的发电机场阵风预测方法，在图2所示方法实施例的基础上，进一步示出了通过引入Oxy直角坐标系来求取当前测风节点以及各风电机组在沿阵风风向上的投影距离；通过各风电机组在沿阵风风向上的横坐标值，对风电机组进行分组，并根据分组情况确定各风电机组之间的上下游关系；以及通过引入尾流效应模型计算得到当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。这些内容的增加，提高了针对风电场中阵风预测的准确性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

实施例三

图7为本发明提供的风电场阵风预测系统一个实施例的结构示意图，可用于执行图1所示实施例的方法步骤，如图7所示，该风电场阵风预测系统包括：位于风电场外围的至少三个测风节点处的气象监测设备103、中央控制器102，中央控制器102包括：数据处理模块1021和阵风信息计算模块1022；其中，

气象监测设备103，用于监测位于风电场外围的至少三个测风节点处的阵风信息，阵风信息包括阵风的到达时间、风速和风向；

数据处理模块1021，用于当气象监测设备103监测到测风节点处存在一股吹向风电场的阵风时，标记最先监测到该股阵风的测风节点为当前测风节点，并将当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系；

阵风信息计算模块1022，用于根据当前测风节点处的阵风信息、当前测风节点、各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离和各风电机组之间的上下游关系，计算在当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。

本发明实施例提供的风电场阵风预测系统，通过将监测到阵风的当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿阵风的风向上进行投影，得到当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离，然后利用这些投影距离、各风电机组之间沿阵风的风向上的上下游关系以及在当前测风节点处监测到的阵风信息，计算该阵风到达各个风电机组时的阵风信息，实现对风电场内阵风的有效预测，进而为后续采取有效措施，提高风电机组发电效率以及安全性打好基础。

实施例四

图8为本发明提供的风电场阵风预测系统另一个实施例的结构示意图，可用于执行图4和图6所示实施例的方法步骤，如图8所示，该风电场阵风预测系统包括：位于风电场外围的至少三个测风节点处的气象监测设备103、中央控制器102，中央控制器102包括：数据处理模块1021和阵风信息计算模块1022，且与前述实施例中的相应功能模块相似。

在此基础上，上述位于风电场外围的至少三个测风节点中，每个测风节点与其最近的风电机组的距离为风电机组的叶轮直径的2.5～4倍，且各测风节点均匀分布在风电场外围。

进一步地，图8所示系统实施例中，中央控制器102还可包括：坐标系构建模块1023和坐标系旋转模块1024；坐标系构建模块1023用于通过卫星定位系统记录各测风节点及风电场中各风电机组所在位置的位置信息，并依据位置信息构建包含各测风节点及各风电机组所在位置坐标的Oxy平面直角坐标系；坐标系旋转模块1024用于当确定当前测风节点后，对Oxy平面直角坐标系以O为中心旋转，旋转后的Oxy平面直角坐标系中y轴的正方向为当前测风节点处监测到的阵风的风向；数据处理模块1021用于将旋转后的Oxy平面直角坐标系中当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中y轴坐标间的差值的绝对值，确定为相应当前测风节点以及各个风电机组之间沿阵风的风向上的投影距离。

进一步的，上述中央控制器102还可包括：分组模块1025用于将旋转后的Oxy平面直角坐标系中当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中x轴坐标值，按其坐标值大小进行连续分组；上下游关系模块1026用于针对分组后各组内包含的各个风电机组，按各个风电机组的位置坐标中y轴坐标值的大小确定各个风电机组之间的上下游关系；其中，y轴坐标值大的风电机组为y轴坐标值小的风电机组的上游风电机组。

进一步地，上述阵风信息计算模块1022包括第一阵风信息计算单元10221，用于：

若待计算的阵风信息为当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息，第一风电机组为具有上下游关系的风电机组中与当前测风节点的投影距离最近的风电机组，则

将当前测风节点处的阵风的风速和风向对应确定为当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的风速和风向；将第一风电机组到当前测风节点的投影距离除以当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值确定为当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的到达时间。

进一步地，上述阵风信息计算模块1022还包括第二阵风信息计算单元10222，用于：

若待计算的阵风信息为当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的阵风信息，第二风电机组为具有上下游关系的风电机组中与当前测风节点的投影距离非最近的风电机组，则根据计算得到的当前测风节点处的阵风到达第二风电机组的相邻上游风电机组的到达时间，获取该到达时间所对应时刻下相邻上游发电机组处的实测阵风信息；根据相邻上游发电机组处的实测阵风信息以及第二风电机组到相邻上游风电机组的投影距离，计算在相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风信息，并将其作为当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的阵风信息。

进一步地，上述第二阵风信息计算单元10222还用于：

根据： $\left\{\begin{array}{cc}v=v_0\[1-a(a+\frac{l}{D\sqrt{{\left(\frac{l}{D}\right)}^2+0.25}})\]& l\≤5D\\ v=v_0\left(1-e^{-\mathrm{\β}\frac{1}{D}}\right)\[1-\frac{2}{3}{\left(\frac{r_0}{r_0+\mathrm{\η}l}\right)}^2\]& l>5D\end{array}\right.$

计算在相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风信息中的速度v；其中，v₀为相邻上游发电机组处的实测阵风的风速，D为风电机组的叶轮直径，a为风电机组轴向诱导因子，l为第二风电机组到相邻上游风电机组的投影距离，β为修正系数，η为尾流下降系数，r₀为风电机组的叶轮半径。

进一步地，上述第二阵风信息计算单元还用于：将相邻上游发电机组处的实测阵风信息中的风向确定为相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风的风向；将第二风电机组到相邻上游发电机组的投影距离除以相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的阵风信息中的速度v得到的时间值与相邻上游发电机组处的实测阵风的到达时间的和值，确定为相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的到达时间。

进一步地，上述阵风信息计算模块1022还包括第三阵风信息计算单元10223，用于：

计算各第二风电机组到当前测风节点的投影距离除以当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值，并将该时间值与阵风在当前测风节点时的到达时间的和值标记为修正时间；将计算得到的相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组的到达时间与相应第二风电机组对应的修正时间进行加权计算，得到当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的到达时间。

进一步地，上述第三阵风信息计算单元10223还用于：

将计算得到的相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的风向与当前测风节点处的阵风的风向进行加权计算，得到当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的风向；将计算得到的相邻上游发电机组处的实测阵风到达第二风电机组时的风速与当前测风节点处的阵风的风速进行加权计算，得到当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的风速。

本发明实施例提供的发电机场阵风预测系统，在图7所示系统实施例的基础上，进一步示出了通过引入Oxy直角坐标系来求取当前测风节点以及各风电机组在沿阵风风向上的投影距离；通过各风电机组在沿阵风风向上的横坐标值，对风电机组进行分组，并根据分组情况确定各风电机组之间的上下游关系；以及通过引入尾流效应模型计算得到当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。这些功能的增加，提高了针对风电场中阵风预测的准确性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (20)

1.一种风电场阵风预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)监测位于风电场外围的至少三个测风节点处的阵风信息，所述阵风信息包括阵风的到达时间、风速和风向；

2)当监测到所述测风节点处存在一股吹向风电场的阵风时，标记最先监测到该股阵风的所述测风节点为当前测风节点，并将所述当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿所述阵风的风向上进行投影，得到所述当前测风节点以及各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系；

3)根据所述当前测风节点处的所述阵风信息、所述当前测风节点、各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离和各风电机组之间的上下游关系，计算在所述当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位于风电场外围的至少三个测风节点中，每个所述测风节点与其最近的风电机组的距离为风电机组的叶轮直径的2.5～4倍，且各测风节点均匀分布在所述风电场的外围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过卫星定位系统记录各所述测风节点及风电场中各风电机组所在位置的位置信息，并依据所述位置信息构建包含各所述测风节点及各风电机组所在位置坐标的Oxy平面直角坐标系；

当确定所述当前测风节点后，对所述Oxy平面直角坐标系以O为中心旋转，旋转后的所述Oxy平面直角坐标系中y轴的正方向为所述当前测风节点处监测到的所述阵风的风向；

将旋转后的所述Oxy平面直角坐标系中所述当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中y轴坐标间的差值的绝对值，确定为相应所述当前测风节点以及各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定各风电机组之间的上下游关系包括：

将旋转后的所述Oxy平面直角坐标系中所述当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中x轴坐标值，按其坐标值大小进行连续分组；

针对分组后各组内包含的各个风电机组，按各个风电机组的位置坐标中y轴坐标值的大小确定各个风电机组之间的上下游关系；其中，y轴坐标值大的风电机组为y轴坐标值小的风电机组的上游风电机组。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

若待计算的所述阵风信息为所述当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息，所述第一风电机组为具有所述上下游关系的风电机组中与所述当前测风节点的所述投影距离最近的风电机组，则

将所述当前测风节点处的阵风的风速和风向对应确定为所述当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的风速和风向；

将所述第一风电机组到所述当前测风节点的所述投影距离除以所述当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值与阵风到达所述当前测风节点时的到达时间的和值确定为所述当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的到达时间。

6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

若待计算的所述阵风信息为所述当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的阵风信息，所述第二风电机组为具有所述上下游关系的风电机组中与所述当前测风节点的所述投影距离非最近的风电机组，则

根据计算得到的所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组的相邻上游风电机组的到达时间，获取该到达时间所对应时刻下所述相邻上游发电机组处的实测阵风信息；

根据所述相邻上游发电机组处的实测阵风信息以及所述第二风电机组到所述相邻上游风电机组的所述投影距离，计算在所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息，并将其作为所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述相邻上游风电机组处的实测阵风信息以及所述第二风电机组到所述相邻上游风电机组的所述投影距离，计算在所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息包括：

根据：

计算在所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息中的速度v；其中，v₀为所述相邻上游发电机组处的实测阵风的风速，D为风电机组的叶轮直径，a为风电机组轴向诱导因子，l为所述第二风电机组到所述相邻上游风电机组的所述投影距离，β为修正系数，η为尾流下降系数，r₀为风电机组的叶轮半径。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述相邻上游发电机组处的实测阵风信息以及所述第二风电机组到所述相邻上游风电机组的所述投影距离，计算在所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息包括：

将所述相邻上游发电机组处的实测阵风信息中的风向确定为所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风的风向；

将所述第二风电机组到所述相邻上游发电机组的所述投影距离除以所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息中的速度v得到的时间值与所述相邻上游发电机组处的实测阵风的到达时间的和值，确定为所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的到达时间。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算各所述第二风电机组到所述当前测风节点的所述投影距离除以所述当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值，并将该时间值与阵风在所述当前测风节点时的到达时间的和值标记为修正时间；

将计算得到的所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组的到达时间与相应所述第二风电机组对应的所述修正时间进行加权计算，得到所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的到达时间。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将计算得到的所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的风向与所述当前测风节点处的阵风的风向进行加权计算，得到所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的风向；

将计算得到的所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的风速与所述当前测风节点处的阵风的风速进行加权计算，得到所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的风速。

11.一种风电场阵风预测系统，其特征在于，包括：位于风电场外围的至少三个测风节点处的气象监测设备、中央控制器，所述中央控制器包括：数据处理模块和阵风信息计算模块；

所述气象监测设备，用于监测位于风电场外围的至少三个测风节点处的阵风信息，所述阵风信息包括阵风的到达时间、风速和风向；

所述数据处理模块，用于当所述气象监测设备监测到所述测风节点处存在一股吹向风电场的阵风时，标记最先监测到该股阵风的所述测风节点为当前测风节点，并将所述当前测风节点以及风电场中的各个风电机组在沿所述阵风的风向上进行投影，得到所述当前测风节点以及各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离，并确定各风电机组之间的上下游关系；

阵风信息计算模块，用于根据所述当前测风节点处的所述阵风信息、所述当前测风节点、各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离和各风电机组之间的上下游关系，计算在所述当前测风节点处的阵风到达各风电机组时的阵风信息。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述位于风电场外围的至少三个测风节点中，每个所述测风节点与其最近的风电机组的距离为风电机组的叶轮直径的2.5～4倍，且各测风节点均匀分布在所述风电场的外围。

13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述中央控制器还包括：坐标系构建模块和坐标系旋转模块；

所述坐标系构建模块，用于通过卫星定位系统记录各所述测风节点及风电场中各风电机组所在位置的位置信息，并依据所述位置信息构建包含各所述测风节点及各风电机组所在位置坐标的Oxy平面直角坐标系；

所述坐标系旋转模块，用于当确定所述当前测风节点后，对所述Oxy平面直角坐标系以O为中心旋转，旋转后的所述Oxy平面直角坐标系中y轴的正方向为所述当前测风节点处监测到的所述阵风的风向；

所述数据处理模块，用于将旋转后的所述Oxy平面直角坐标系中所述当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中y轴坐标间的差值的绝对值，确定为相应所述当前测风节点以及各个风电机组之间沿所述阵风的风向上的投影距离。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述中央控制器还包括：

分组模块，用于将旋转后的所述Oxy平面直角坐标系中所述当前测风节点以及各个风电机组的位置坐标中x轴坐标值，按其坐标值大小进行连续分组；

上下游关系模块，用于针对分组后各组内包含的各个风电机组，按各个风电机组的位置坐标中y轴坐标值的大小确定各个风电机组之间的上下游关系；其中，y轴坐标值大的风电机组为y轴坐标值小的风电机组的上游风电机组。

15.根据权利要求11-14任一项所述的系统，其特征在于，所述阵风信息计算模块包括第一阵风信息计算单元，用于：

若待计算的所述阵风信息为所述当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息，所述第一风电机组为具有所述上下游关系的风电机组中与所述当前测风节点的所述投影距离最近的风电机组，则

将所述当前测风节点处的阵风的风速和风向对应确定为所述当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的风速和风向；

将所述第一风电机组到所述当前测风节点的所述投影距离除以所述当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值确定为所述当前测风节点处的阵风到达第一风电机组时的阵风信息中的到达时间。

16.根据权利要求11-14任一项所述的系统，其特征在于，所述阵风信息计算模块包括第二阵风信息计算单元，用于：

若待计算的所述阵风信息为所述当前测风节点处的阵风到达第二风电机组时的阵风信息，所述第二风电机组为具有所述上下游关系的风电机组中与所述当前测风节点的所述投影距离非最近的风电机组，则

根据计算得到的所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组的相邻上游风电机组的到达时间，获取该到达时间所对应时刻下所述相邻上游发电机组处的实测阵风信息；

根据所述相邻上游发电机组处的实测阵风信息以及所述第二风电机组到所述相邻上游风电机组的所述投影距离，计算在所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息，并将其作为所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述第二阵风信息计算单元还用于：

根据：

计算在所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息中的速度v；其中，v₀为所述相邻上游发电机组处的实测阵风的风速，D为风电机组的叶轮直径，a为风电机组轴向诱导因子，l为所述第二风电机组到所述相邻上游风电机组的所述投影距离，β为修正系数，η为尾流下降系数，r₀为风电机组的叶轮半径。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第二阵风信息计算单元还用于：

将所述相邻上游发电机组处的实测阵风信息中的风向确定为所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风的风向；

将所述第二风电机组到所述相邻上游发电机组的所述投影距离除以所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的阵风信息中的速度v得到的时间值与所述相邻上游发电机组处的实测阵风的到达时间的和值，确定为所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的到达时间。

19.根据权利要求17或18所述的系统，其特征在于，所述阵风信息计算模块还包括第三阵风信息计算单元，用于：

计算各所述第二风电机组到所述当前测风节点的所述投影距离除以所述当前测风节点处的阵风的风速得到的时间值，并将该时间值与阵风在所述当前测风节点时的到达时间的和值标记为修正时间；

将计算得到的所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组的到达时间与相应所述第二风电机组对应的所述修正时间进行加权计算，得到所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的到达时间。

20.根据权利要求17或18所述的系统，其特征在于，所述第三阵风信息计算单元，还用于：

将计算得到的所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的风向与所述当前测风节点处的阵风的风向进行加权计算，得到所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的风向；

将计算得到的所述相邻上游发电机组处的实测阵风到达所述第二风电机组时的风速与所述当前测风节点处的阵风的风速进行加权计算，得到所述当前测风节点处的阵风到达所述第二风电机组时的风速。