CN105913736A - 全地形风机布局模拟装置及全地形风机布局模拟方法 - Google Patents

全地形风机布局模拟装置及全地形风机布局模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种全地形风机布局模拟装置，该装置主要包括可重构地形装置、可调风机系统、地面假体布置装置、上位计算机及数据采集装置和微观选址布局与分析系统；可重构地形装置、可调风机系统、地面假体布置装置、微观选址布局与分析系统及数据采集装置均与上位计算机连接。该装置结构简洁合理，操作方便，对于风电场微观选址人员能够快速地模拟出在不同地形中的风机的布局，并且能真实感受到风电场的地形地貌和风机的布局，比较利于大面积的推广应用。

Description

全地形风机布局模拟装置及全地形风机布局模拟方法
技术领域
本发明涉及风电场微观选址的技术领域，具体地来说是一种全地形风机布局模拟装置。
背景技术
风力发电场微观选址是在宏观选址中选定的小区域中进行的，是为了确定机组的具体位置，使整个风电场具有较好的经理效益。因此，风电场微观选址对于风电场的建设是至关重要的。而微观选址软件具有自动布置风机的功能，即设计人员向计算机内输入地形数据和风数据后，上位机会自动生成布置风机的方案。而设计人员通过这种方式只能虚拟地知道风机的布局，不能真实地感受风电场的地形地貌和风机布局，使设计人员缺少这方面的视觉体验。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种全地形风机布局模拟装置，其目的是解决以下问题：以往风电场微观选址软件只能根据给定的数据进行处理、仿真，虚拟地得出机位布局，而设计人员不能真实地感受风电场的地形地貌和风机布局，使设计人员缺少这方面的直接体验。
技术方案：
一种全地形风机布局模拟装置，其特征在于:该装置主要包括可重构地形装置、可调风机系统、地面假体布置装置、上位计算机及数据采集装置和微观选址布局与分析系统；可重构地形装置、可调风机系统、地面假体布置装置、微观选址布局与分析系统及数据采集装置均与上位计算机连接。
可重构地形单元安装在框架内，可重构地形装置由若干地形驱动装置和可重构地形单元构成，若干个可重构地形单元为相互插接在一起并可以相互之间相对上下错位移动的构件；地形驱动装置安放在框架的底部，地形驱动装置包括三个步进电机、三个滚珠丝杠系统；步进电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，X轴电机和X轴丝杠系统连接，Y轴电机和Y轴丝杠系统连接，Z轴电机和Z轴丝杠系统连接，装配成三个X轴，Y轴，Z轴运动机构；X轴运动机构固定在结构框架底部，X轴运动机构上的滑动组件与Y轴运动机构垂直相连接，Z轴运动机构垂直于XY轴运动机构的平面，并与Y轴滑动机构垂直连接，且XYZ三轴运动机构呈笛卡尔空间坐标结构；当步进电机接收到驱动信号后，该装置就可在任意一个x-y-z坐标下运动，且Z轴运动机构驱使可重构地形单元在高度方向上进行调节，进行地形地貌的重构。
可重构地形单元的一个侧面设置有内凹的T型滑道，在与之相对的面上设置有T形凸台，相邻的两个可重构地形单元之间连接形式为：其中一个可重构地形单元的T形凸台插进另一个可重构地形单元的T型滑道内并能在该T型滑道内上下滑动。
若干个可重构地形单元下端面都与装有液体的软管相连接，软管的两端连接在结构框架的两端，在地形驱动装置的驱动下，可重构地形单元在液体重力的牵引下，形成波谷。
可重构地形单元的上端面为能安装建筑、风机、植被假体的结构，即地面假体布置装置；该装置包括三个步进电机、三个滚珠丝杠系统和模型加持装置；步进电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，X轴电机和X轴丝杠系统连接，Y轴电机和Y轴丝杠系统连接，Z轴电机和Z轴丝杠系统连接，装配成三个X轴，Y轴，Z轴运动机构；X轴运动机构固定在结构框架上端面，X轴运动机构上的滑动组件与Y轴运动机构垂直相连接，Z轴运动机构垂直于XY轴运动机构的平面，并与Y轴滑动机构垂直连接，即XYZ三轴运动机构呈笛卡尔空间坐标结构，该Z轴滑动组件上安装与Z轴运动机构垂直的加持装置，加持装置采用标准的安装接口，用来固定风机、建筑物和植被的模型；当给定步进电机一定的驱动信号时，该装置就可在任意一个x-y-z坐标下安放风机、建筑物和植被。
可调风机系统主要包括变频器、轴流风机、风向调向装置，轴流风机固定安装在出风口后面的平板上，在轴流风机上安装变频器，可以实现风速的调节，为微观布局装置提供可调的风速；风向调向装置由扫风叶片、驱动电机和具有可转动的驱动杆组成，设在可调风机系统的出风口处；出风口壳体的两个端面上设置有工艺孔，每个扫风叶片包括上下两个端部，两个端部刚好安装在工艺孔内，多个扫风叶片沿驱动杆的延伸方向并列地枢接在驱动杆上，由驱动电机带动驱动杆来回往复运动，从而带动扫风叶左，右运动进行扫风，提供风向可调的风源。
数据采集装置主要为热线传感器，用于测量风源的速度和方向，传感器固定安装于框架上端面的四个角上；传感系统与上位计算机通过PLC进行通讯连接，完成上位计算机实时风速和风向数据的集成；随后微观选址布局和分析系统能够进行风电场微观布局，并进行多风机联合仿真，形成风机尾流影响数据，并提供布局方案评价。
本装置需要用到相似换算技术；本装置提供的风电场地形地貌与实际风电场相同，但模型与实际地形的尺度不同，因此模拟风效应与实际情况有差别，需要依据相似性原理，进行数据标定和换算。
优点及效果
本发明是一种全地形风机布局模拟装置，该装置采用地形高度驱动机构和可重构地形单元，能够根据地图信息快速进行地形地貌的重构，模拟出各种不同的地形地貌。采用虚实结合技术，把实际的风机模型、风场模型和风模型和计算机对风数据的采集、处理和仿真相结合起来，动态设置风机的位置、数量等，并对机位布局进行评价。该装置能够让设计人员真实地感受风电场的地形地貌和风机布局。
具体优点如下：
1、本发明是在微观选址过程中确定风机布局的模拟装置。该装置中的可重构地形单元其结构复杂、可拼装、可拆卸，可重构地形单元的一个侧面设置有内凹的T型滑道，在与之相对的面上设置有T形凸台，相邻的两个可重构地形单元之间连接形式为：其中一个可重构地形单元的T形凸台插进另一个可重构地形单元的T型滑道内并能在地形驱动装置的驱动下在T型滑道内上下滑动，从而实现高度上的可调；无论对于平坦地形还是复杂地形，该装置都能根据地图信息快速地重构地形地貌。
2、该装置能够进行风机布局模拟，动态地设置风机机位，并对机位布置进行评价。该装置采用传感技术把采集的风数据传递给上位机算计，然后微观选址布局和分析系统经过分析、处理、仿真，进行风机机位设置。
3、在风电场中，一般风电机组的尾流效应可造成风能5%左右的损失，所以在风场布置时要尽量减少风力发电机组尾流效应的影响。该装置能够进行风机尾流模拟，实现多风机联合仿真，形成风机尾流影响数据，减少风机组的尾流效应的影响，并提供布局方案评价。
4、本装置运用虚实结合的技术，把实际的风机模型、风场模型和风模型和计算机对风数据的采集、处理和仿真结合起来，能够让设计人员真实地感受到风电场的地形地貌和风机的布局；能够让工作人员熟练地模拟风机布局，进行风电场微观布局。
该装置结构简洁合理，操作方便，对于风电场微观选址人员能够快速地模拟出在不同地形中的风机的布局，并且能真实感受到风电场的地形地貌和风机的布局，比较利于大面积的推广应用。
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为本装置的立体结构示意图；
图3为本装置中可重构单元拼装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图所示，本发明提出了一种全地形风机布局模拟装置，如图1和图2所示，该装置主要包括可重构地形装置、可调风机系统2、地面假体布置装置3、上位计算机及数据采集装置和微观选址布局与分析系统；
可重构地形单元安装在框架内，可重构地形装置由若干地形驱动装置4和可重构地形单元1构成，若干个可重构地形单元为相互插接在一起并可以相互之间相对上下错位移动的构件；地形驱动装置安放在框架的底部，地形驱动装置包括三个步进电机、三个滚珠丝杠系统；步进电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，X轴电机和X轴丝杠系统连接，Y轴电机和Y轴丝杠系统连接，Z轴电机和Z轴丝杠系统连接，装配成三个X轴，Y轴，Z轴运动机构；X轴运动机构固定在结构框架底部，X轴运动机构上的滑动组件与Y轴运动机构垂直相连接，Z轴运动机构垂直于XY轴运动机构的平面，并与Y轴滑动机构垂直连接，且XYZ三轴运动机构呈笛卡尔空间坐标结构；当步进电机接收到驱动信号后，该装置就可在任意一个x-y-z坐标下运动，且Z轴运动机构驱使可重构地形单元在高度方向上进行调节，进行地形地貌的重构。
如图3，可重构地形单元的一个侧面设置有内凹的T型滑道12，在与之相对的面上设置有T形凸台13，相邻的两个可重构地形单元之间连接形式为：其中一个可重构地形单元的T形凸台插进另一个可重构地形单元的T型滑道内并能在该T型滑道内上下滑动。
若干个可重构地形单元下端面都与装有液体的软管14相连接，软管的两端连接在结构框架的两端，在地形驱动装置的驱动下，可重构地形单元在液体重力的牵引下，形成波谷。
可重构地形单元的上端面为能安装建筑、风机、植被假体的结构，即地面假体布置装置3，该装置包括三个步进电机、三个滚珠丝杠系统和模型加持装置；步进电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，X轴电机和X轴丝杠系统连接，Y轴电机和Y轴丝杠系统连接，Z轴电机和Z轴丝杠系统连接，装配成三个X轴，Y轴，Z轴运动机构；X轴运动机构固定在结构框架上端面，X轴运动机构上的滑动组件与Y轴运动机构垂直相连接，Z轴运动机构垂直于XY轴运动机构的平面，并与Y轴滑动机构垂直连接，即XYZ三轴运动机构呈笛卡尔空间坐标结构，该Z轴滑动组件上安装与Z轴运动机构垂直的加持装置10，加持装置采用标准的安装接口，用来固定风机、建筑物和植被的模型；当给定步进电机一定的驱动信号时，该装置就可在任意一个x-y-z坐标下安放风机、建筑物和植被。
可调风机系统主要包括变频器8、轴流风机6、风向调向装置7，轴流风机固定安装在出风口后面的平板上，在轴流风机上安装变频器，可以实现风速的调节，为微观布局装置提供可调的风速；风向调向装置由扫风叶片、驱动电机和具有可转动的驱动杆组成，设在可调风机系统的出风口处；出风口壳体的两个端面上设置有工艺孔，每个扫风叶片包括上下两个端部，两个端部刚好安装在工艺孔内，多个扫风叶片沿驱动杆的延伸方向枢接在并列地多个驱动杆上，（类似于百叶窗结构），扫风叶片由驱动电机带动驱动杆来回往复运动，从而带动扫风叶左，右运动进行扫风，提供风向可调的风源。
数据采集装置主要为热线传感器9，用于测量风源的速度和方向，传感器固定安装于框架上端面的四个角上；传感系统与上位计算机通过PLC进行通讯连接，完成上位计算机实时风速和风向数据的集成；随后微观选址布局和分析系统能够进行风电场微观布局，并进行多风机联合仿真，形成风机尾流影响数据，并提供布局方案评价。
该装置的具体操作步骤如下：
a、当进行微观选址工作时，首先微观选址布局和分析系统根据地理信息系统提供的数据或人为设定的地形数据，通过上位机算计发送驱动信号给安装在结构框架底部上的地面驱动装置，驱动装置接收到信号后开始在高度方向上对可重构单元进行调节，同时在液体重力的牵引下，可以形成波谷；同时地面假体布置装置接收到信号后，在可重构地形单元的上端面布置建筑物或植被；快速地实现风电场地形地貌的重构；
b、同时，上位机算计根据原始的风向数据发出驱动信号，变频风机接收到信号后开始工作；动态调整风源调向装置，为微观布局装置提供风速和风向可调的风源；
c、安装于结构框架上的热线传感器实时采集风速和风向数据，将其传递给上位机算计，然后通过微观选址布局和分析系统对数据的处理，仿真，进行风机布局模拟，得到合理的风机布局方案；并对地面假体布局装置发出信号，按照模拟出的风机布局方案动态地设置风机的位置，数量等。
d、当对风电场进行机位布局后，由于多台风机运行过程中，会产生尾流效应，会造成能量的大大损失。随后，微观选址布局和分析系统对多台风机进行联合仿真，形成风机尾流影响数据，进一步对获得的数据进行流场分析、尾流分析，对风机布局进行优化，得到最合理的风电场微观布局。
本装置是针对在模拟微观选址过程中发明的一种全地形风机布局模拟装置，该装置采用地形高度驱动机构和可重构地形单元，能够根据地图信息快速进行地形地貌的重构，模拟出各种不同的地形地貌；采用虚实结合技术，把实际的风机模型、风场模型和风模型和计算机对风数据的采集、处理和仿真相结合起来，动态设置风机的位置、数量等，并对机位布局进行评价。
该装置结构简洁合理，操作方便，对于风电场选址人员能够快速地模拟出在各种地形中的风机布局，并且能够真实感受到风电场的地形地貌和风机的布局，比较利于大面积的推广应用。

Claims (10)

1.一种全地形风机布局模拟装置，其特征在于:该装置主要包括可重构地形装置、可调风机系统(2)、地面假体布置装置(3)、上位计算机及数据采集装置和微观选址布局与分析系统；可重构地形装置、可调风机系统、地面假体布置装置、微观选址布局与分析系统及数据采集装置均与上位计算机连接。
2.根据权利要求1所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于:地形驱动装置安放在框架的底部；可重构地形装置由地形驱动装置(4)和若干个可重构地形单元(1)构成，可重构地形单元安装在框架内，若干个可重构地形单元为相互插接在一起并可以相互之间相对上下错位移动的构件，地形驱动装置包括三个步进电机和三个滚珠丝杠系统；步进电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，X轴电机和X轴丝杠系统连接，Y轴电机和Y轴丝杠系统连接，Z轴电机和Z轴丝杠系统连接，装配成三个X轴，Y轴，Z轴运动机构；X轴运动机构固定在结构框架底部，X轴运动机构上的滑动组件与Y轴运动机构垂直相连接，Z轴运动机构垂直于XY轴运动机构的平面，并与Y轴滑动机构垂直连接，且XYZ三轴运动机构呈笛卡尔空间坐标结构；当步进电机接收到驱动信号后，该装置就可在任意一个x-y-z坐标下运动，且Z轴运动机构驱使可重构地形单元在高度方向上进行调节，进行地形地貌的重构。
3.根据权利要求2所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于: 可重构地形单元(1)的一个侧面设置有内凹的T型滑道，在与之相对的面上设置有T形凸台，相邻的两个可重构地形单元之间连接形式为：其中一个可重构地形单元的T形凸台插进另一个可重构地形单元的T型滑道内并能在该T型滑道内上下滑动。
4.根据权利要求2所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于: 若干个可重构地形单元下端面都与装有液体的软管相连接，软管的两端连接在结构框架的两端，在地形驱动装置的驱动下，可重构地形单元在液体重力的牵引下，形成波谷。
5.根据权利要求2所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于:可重构地形单元的上端面为能安装建筑、风机、植被假体的结构。
6.根据权利要求2所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于: 地面假体布置装置(3)设置在可重构地形单元的上方，该装置包括三个步进电机、三个滚珠丝杠系统和模型加持装置(10)；步进电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，X轴电机和X轴丝杠系统连接，Y轴电机和Y轴丝杠系统连接，Z轴电机和Z轴丝杠系统连接，装配成三个X轴，Y轴，Z轴运动机构；X轴运动机构固定在结构框架上端面，X轴运动机构上的滑动组件与Y轴运动机构垂直相连接，Z轴运动机构垂直于XY轴运动机构的平面，并与Y轴滑动机构垂直连接，即XYZ三轴运动机构呈笛卡尔空间坐标结构，该Z轴滑动组件上安装与Z轴运动机构垂直的加持装置，加持装置采用标准的安装接口，用来固定风机、建筑物和植被的模型；当给定步进电机一定的驱动信号时，该装置就可在任意一个x-y-z坐标下安放风机、建筑物和植被。
7.根据权利要求2所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于: 可调风机系统(2)主要包括变频器(8)、轴流风机(6)、风向调向装置(7)，轴流风机固定安装在整个可调风机系统(2)出风口后面的平板上，在轴流风机上安装变频器，以实现风速的调节，为微观布局装置提供可调的风速；风向调向装置由扫风叶片、驱动电机和具有可转动的驱动杆组成，设在可调风机系统的出风口处；出风口壳体的两个端面上设置有工艺孔，每个扫风叶片包括上下两个端部，两个端部刚好安装在工艺孔内，多个扫风叶片沿驱动杆的延伸方向枢接在并列地多个驱动杆上，由驱动电机带动驱动杆来回往复运动，从而带动扫风叶左，右运动进行扫风，提供风向可调的风源。
8.根据权利要求1所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于:数据采集装置主要为热线传感器，用于测量风源的速度和方向的热线传感器固定安装于框架上端面的四个角上；热线传感器与上位计算机通过PLC进行通讯连接，完成上位计算机实时风速和风向数据的集成；随后微观选址布局和分析系统能够进行风电场微观布局，并进行多风机联合仿真，形成风机尾流影响数据，并提供布局方案评价。
9.根据权利要求1所述的全地形风机布局模拟装置，其特征在于:全地形风机布局模拟装置，需要用到相似换算技术；本装置提供的风电场地形地貌与实际风电场相同，但模型与实际地形的尺度不同，因此模拟风效应与实际情况有差别，需要依据相似性原理，进行数据标定和换算。
10.利用权利要求1所述的全地形风机布局模拟装置所实施的全地形风机布局模拟方法，其特征在于:
步骤如下：
a、当进行微观选址工作时，首先利用微观选址布局和分析系统根据地理信息系统提供的数据或人为设定的地形数据，通过上位机算计发送驱动信号给安装在结构框架底部上的地面驱动装置，驱动装置接收到信号后开始在高度方向上对可重构单元进行调节，同时在液体重力的牵引下，可以形成波谷；同时地面假体布置装置接收到信号后，在可重构地形单元的上端面布置建筑物或植被；快速地实现风电场地形地貌的重构；
b、同时，上位机算计根据原始的风向数据发出驱动信号，变频风机接收到信号后开始工作；动态调整风源调向装置，为微观布局装置提供风速和风向可调的风源；
c、安装于结构框架上的热线传感器实时采集风速和风向数据，将其传递给上位机算计，然后通过微观选址布局和分析系统对数据的处理，仿真，进行风机布局模拟，得到合理的风机布局方案；并对地面假体布局装置发出信号，按照模拟出的风机布局方案动态地设置风机的位置，数量；
d、当对风电场进行机位布局后，由于多台风机运行过程中，会产生尾流效应，会造成能量的大大损失，随后，微观选址布局和分析系统对多台风机进行联合仿真，形成风机尾流影响数据，进一步对获得的数据进行流场分析、尾流分析，对风机布局进行优化，得到最合理的风电场微观布局。
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