CN109973330B - 一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达测风仪，判断上游风机尾流对下游风机影响扇区和影响程度的检测方法，用激光雷达测风仪实时检测下游风机前方预设位置处的风向，用机械式或超声波式测风仪检测自身所在位置的本地风向；计算两个风向检测结果之间的偏差；以下游风机自身所在位置的本地风向为横坐标，以风向测量偏差为纵坐标，绘制风向测量偏差统计结果示意图；如果上游风机的尾流在某段风向区间对本地风机影响明显，统计图中的偏差会表现为一个正负交变波形，获取该波形的幅值和起止区间，进而判断下游风机受上游风机尾流影响程度和扇区区间。本发明能够分析判断上游风机尾流对下游风机造成的影响程度和受影响的扇区区间，精确度高，环境适应性好。

Description

一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组尾流控制技术领域，特别是涉及一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法。

背景技术

目前，为了实现风力风电，通常需要在一个区域内，同时安装多个风力发电机组(即风机)。这时候，随着风的吹动，上游风机的尾流会引起下游风机的风速降低，湍流强度增大，从而引起下游风机的发电量降低，疲劳载荷增加。

因此，为了降低上游风机尾流对下游风机的影响，需要知道上游风机的尾流分布对下游风机的影响情况，以便进一步控制上游风机的尾流。目前，业内通常的做法是：基于各种尾流模型进行分析、计算推导出上游风机的尾流分布对下游风机的影响情况(例如对下游风机所在位置的本地风向的影响情况)。

但是，由于每种尾流模型适用的情况有所不同，在推导中都做了不同的假设，针对具体的地理环境，和具体的风速区间可能精确度比较高，但是外部条件的变化，会影响其计算精度。所以基于模型的各种计算方法都存在对外部条件依赖性强，计算结果精度低、准确性不高等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法，其能够方便、可靠地分析判断上游风机尾流对下游风机造成的影响程度，精确度高，环境适应性好，具有重大的实践意义。

为此，本发明提供了一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、对于下游风机，在预设采样周期内，实时测量其前方预设位置处的风向，以及测量其自身所在位置的本地风向；

第二步、在预设采样周期内，实时计算下游风机前方预设位置处的风向以及自身所在位置的本地风向之间的偏差，获得风向测量偏差；

第三步、以在预设采样周期内下游风机自身所在位置的本地风向为横坐标，以对应的风向测量偏差为纵坐标，绘制获得下游风机的风向测量偏差统计结果示意图；

第四步、对于下游风机的风向测量偏差统计结果示意图中出现的正负交变波形，测量获取该波形的幅值和起止区间，然后根据该幅值的大小，判断下游风机受上游风机尾流的影响程度，其中，幅值的大小与下游风机受上游风机尾流的影响程度呈正比关系。

其中，在第四步之后，还包括步骤：

第五步、将正负交变波形的幅值与预设的波形幅值最大阈值相比较，当大于或者等于预设的波形幅值最大阈值时，则判断下游风机受上游风机尾流的影响过大。

其中，在第一步中，所述下游风机的机舱正面安装有测风激光雷达，用于测量下游风机前方预设位置处的风向。

其中，在第一步中，所述下游风机的机舱尾部，安装有本地测风仪，用于测量下游风机自身所在位置的本地风向；

所述本地测风仪为机械式或者超声波式测风仪。

其中，在第二步中、在预设采样周期内，首先对测风激光雷达和本地测风仪的风向测量值分别进行滤波，然后实时计算两者所测风向之间的偏差，获得风向测量偏差并送至数据存储服务器进行存储。

其中，在第四步中，所述正负交变波形的起止区间为下游风机受上游风机尾流影响的扇区区间；

受上游风机尾流影响的扇区区间即为受上游风机尾流影响的下游风机本地风向区间。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法，其能够方便、可靠地分析判断上游风机尾流对下游风机造成的影响程度，精确度高，环境适应性好，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提高的一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法的流程图；

图2为上游风机的尾流区域与下游风机上安装的测风激光雷达的检测光束之间的位置关系示意图一；

图3为上游风机的尾流区域与下游风机上安装的测风激光雷达的检测光束之间的位置关系示意图二；

图4为对于本发明提供的种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法中，在一种实施例中所绘制的一个下游风机的风向测量偏差统计结果示意图；

图5为两目激光雷达测风仪的测量原理示意图；

图6为两目激光雷达测风仪的两个光束方向上风速差异与偏航误差的对应关系示意图；

图7为在本发明中，根据中央监控系统的数据拟合的曲线的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图4，本发明提供了一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法，包括以下步骤：

第一步、对于下游风机，在预设采样周期内，实时测量其前方预设位置处的风向(即风吹来的方向)，以及测量其自身所在位置的本地风向；

需要说明的是，下游风机的前方预设距离处，即位于下游风机的前方且间隔预设距离的位置(例如距离3米的位置，当然，还可以是测风激光雷达能够测量的其他距离的位置)。

在本发明中，需要说明的是，气象上把风吹来的方向确定为风的方向(即风向)。因此，风来自北方叫做北风，风来自南方叫做南风。具体实现上，在高空，可以用角度表示风向，具体可以把圆周分成360度，其中，北风(N)是0度(即360度)，东风(E)是90度，南风(S)是180度，西风(W)是270度。

在第一步中，具体实现上，所述下游风机的机舱正面安装有测风激光雷达，该测风激光雷达为两目或者两目以上测风激光雷达(即具有两个或者两个以上的激光头)，能够发出两个或者两个以上的测量光束，用于测量下游风机前方预设位置处的风向(即风吹来的方向)；

对于本发明，激光测风仪(即测风激光雷达)测到风电机组前方，一般是60～100米远处的风速和风向，称为前方风况。

需要说明的是，目前，基于风电机组(即风机)安装的两目测风激光雷达的成本，已降低至10万人民币以内，可以检测到风电机组前方100米左右的风速和风向。从综合效益上来看，已经具备每台机组都可以搭载安装的经济价值。

需要说明的是，所述下游风机的机舱正面(即迎风面)安装有风轮(即叶轮)，风轮(即叶轮)是风力发电的关键部件，用于在风的吹动下，带动风机内的发电机组进行发电。

在第一步中，具体实现上，所述下游风机的机舱尾部，安装有本地测风仪，用于测量下游风机自身所在位置的本地风向；

需要说明的是，对于本发明，安装在机舱上的本地测风仪测到的风速和风向，称为本地风况。

所述本地测风仪优选为机械式或者超声波式测风仪(如风向标)。

需要说明的是，对于本发明，具体实现上，对于测风激光雷达，在具体安装时，要求测风激光雷达的左右两侧光束对称轴，要与下游风机机舱的中轴线重合，即将测风激光雷达安装在下游风机机舱正中心，这样才能测准下游风机的对风偏差，并且要求两个激光束所在平面与水平面严格平行，否则会引入测量偏差。

需要说明的是，对于本发明，具体实现上，本地测风仪可以是超声波式也可以是机械式，其具体的安装位置应靠近下游风机机舱的尾部，并且零点标记。

需要说明的是，在本发明中，两种传感器(即激光雷达测风仪，或者用机械式、超声波式测风仪)的风向测量偏差不是真实的两个地方的风向有偏差，主要是因为激光雷达测风仪的测量方式引入的偏差。

下面结合图5、图6，说明两目测风激光雷达(即两目激光雷达测风仪)的测量原理。

激光雷达测风仪根据大气中散射粒子的多普勒频移效应，可以直接测得沿光束方向大气散射粒子的移动速度，如图5所示，对于下游风机2，即可以直接测得Vlos1(激光头1形成的激光光束1方向气流速度)和Vlos2(激光头2形成的激光光束2方向气流速度)。假设当前来流的风速、风向如矢量V所示，V可以分解为与叶轮旋转平面平行的矢量U和与叶轮旋转平面垂直的矢量W，则有：

V_los1＝Wcosα-Usinα， 公式(1)；

V_los2＝Wcosα-Usinα， 公式(2)；

其中α是激光束与机组机舱中轴线的夹角，根据以上两式可以推导出：

则风速为：

设风向与机舱轴线的夹角为Φ，则Φ可由下式求得：

激光测风仪根据公式(5)、(6)便可以测出机舱前方设定距离的自由流的风速和风向。

叶轮没对正风向，两个光束测试点的实际风速有差异这两个因素都会导致Vlos1和Vlos2的速度差异。因为本发明是基于对两个测风传感器所测风向差异的比较，相当于滤除了由于叶轮实际没和风向对正引起的Vlos1和Vlos2的差异。只剩下两个点的实际风速不一致引起的差异。

假设两光束测到的气溶胶粒子速度差异为x，表示为x＝(V_los1-V_los2)/V_los1，则

以x为横轴，Φ角为纵轴，在α＝30°时，得到的曲线如图6所示。

需要说明的是，对于本发明，上游风机的尾流区内风速明显降低，湍流强度增加，并且越靠近产生尾流的风机，影响越大。所以，处于上游风机尾流区内的风机发电量明显降低。

在自然风中，激光测风仪(即测风激光雷达)的两个光速测到的大气粒子的速度基本相等。如果两个光束测到的原始大气粒子速度出现差异，最后会反应为偏航误差(叶轮的朝向与实际风向的夹角称为偏航误差)的增大，参考公式(6)。但是，下游风机机舱上的风向是根据安装处单点风况测出的，对其他因素不敏感，所以当下游风机机舱上安装的激光测风仪的测试点的风速受到上游风机尾流的影响时，会表现为测风激光雷达和本地测风仪这两种风传感器测到的风向误差增大。

还需要说明的是，如果下游风机处于上游风机尾流的中心，激光测风仪(即测风激光雷达)的两个光束测试点的风速相同，理论上没有误差，这就是正负偏差交变的过零点。因为上游风机的尾流区内的风速也不是均匀的，越靠近尾流中心，风速降低越明显，单个光束如果处于该区间，两个传感器测到的风向差异就比较大。所以误差的统计结果就表现为类似正弦波的波形。如图4所示。峰值点是一束光的测试点处于尾流中心区，另一束光的测试点在尾流区边缘，或在尾流区以外。如果两个光束都不在尾流区，在理论上也没有误差。

对于下游风机，激光测风仪(即测风激光雷达)测量结果最大的价值在于准确的测量、统计出了本地风机在哪个风向下受上游风机的尾流影响最严重。有这个结果后，当风向处于这个扇区时，可以对上游风机采取稍微偏航、或稍微调整叶片的迎风角度(变桨)等措施，以减弱其尾流，降低对下游风机的影响。这样可以提高下游风机的发电量，降低因为湍流强度增加引起的附加载荷。但代价时上游风机的发电量损失，所以上游风机的调整幅度需要进行寻优控制。

第二步、在预设采样周期内，实时计算下游风机前方预设位置处的风向以及自身所在位置的本地风向之间的偏差，获得风向测量偏差；

具体实现上，具体为：在第二步中、在预设采样周期内，首先对两个传感器的风向测量值分别进行滤波，然后实时计算测风激光雷达和本地测风仪(即两种测风传感器)所测风向之间的偏差(即进行求差操作，获得的是角度的差值)，获得风向测量偏差并送至数据存储服务器进行存储；

在第二步中，例如，某个采样时刻，下游风机前方预设位置处的风向为240°，下游风机自身所在位置的本地风向为230°，那么求差后，获得风向测量偏差为10°。

在第二步中，具体实现上，可以将测风激光雷达和本地测风仪(即两种测风传感器)检测结果直接送给风电机组的控制器，由该控制器完成计算偏航误差的操作，并将该结果及其对应的风向上传给中央监控系统的数据存储服务器。

第三步、以在预设采样周期内下游风机自身所在位置的本地风向为横坐标，以对应的风向测量偏差为纵坐标，绘制获得下游风机的风向测量偏差统计结果示意图，例如如图4所示；

在第三步中，具体实现上，可以设置一个风场中央监控系统，通过风场中央监控系统，来以在预设采样周期内下游风机自身所在位置的本地风向为横坐标，以对应的风向测量偏差为纵坐标，绘制获得下游风机的风向测量偏差统计结果示意图。

需要说明的是，对于下游风机的风向测量偏差统计结果示意图，风向偏差统计结果越完整，每一个风向都有采样点，并且采样点数越多，统计结果越准确。

第四步、对于下游风机的风向测量偏差统计结果示意图中出现的正负交变波形，测量获取该波形的幅值和起止区间，然后根据该幅值的大小，判断下游风机受上游风机尾流的影响程度，其中，幅值的大小与下游风机受上游风机尾流的影响程度呈正比关系。

需要说明的是，如果上游风机的尾流在某段风向区间对本地风机影响明显，统计图中的偏差会表现为一个正负交变波形，测量获取该波形的幅值和起止区间，根据该幅值大小和区间范围，判断下游风机受上游风机尾流影响程度和扇区区间。

对于本发明，在第四步之后，还包括步骤：

第五步、将正负交变波形的幅值与预设的波形幅值最大阈值相比较，当大于或者等于预设的波形幅值最大阈值时，则判断下游风机受上游风机尾流的影响过大(例如对下游风机自身所在位置的本地风向的影响大)。

需要说明的是，对于本发明，其意义在于对于已经建成风电场，其机组的布局不是很合理，而造成因为尾流损失带来的发电量损失过大，可以通过控制上游风机的尾流，来提升整个风场的发电量。并不改变机组的安装位置，因为改变机组的安装位置的成本非常高。

需要说明的是，对于下游风机，其受上游风机的尾流影响的区域，通常为某一个风向扇区(如图2、图3中的尾流区域B，为扇形的区域)。在受上游风机的尾流影响的扇区内，在一个预设的采样周期内，在下游风机的风向测量偏差统计结果示意图中，会随着风向的变化，而出现一个类似正弦波的正负交变波形，如图4所示，这个正负交变波形的起止区间即为下游风机受上游风机尾流影响的扇区区间(即受上游风机尾流影响的风向区间)；

同时，这个正负交变波形的中心，即正负偏差交替区对应的风向位置，也即为受上游风机尾流影响的扇区区间(即尾流影响风向区间)的中心区域。

还需要说明的是，对于下游风机，受上游风机的尾流的影响越大，那么测风激光雷达和本地测风仪(即两种测风传感器)的风向测量误差就越大，导致类似正弦波的正负交变波形的幅值就越高，而如果尾流弱，则正负交变波形的幅值会相对较低，也就是说，正负交变波形的幅值大小与上游风机尾流对下游风机的影响强弱程度，呈正相关关系。

在本发明中，在第五步中，可由风场中央监控系统自动判断出扇区区间，判断上游风机尾流对下游风机影响的强弱程度，也可以人工进行判断。

在本发明中，需要说明的是，关于预设的波形幅值最大阈值，具体实现上，可以首先对中央监控系统里统计到的如图4所示的结果进行处理。第一步去除无效点，第二步求取每个风速方位角对应的误差平均值，第三步拟合成一条曲线，如图7所示。根据图7得到的结果，结合上面的公式(7)或图6，就可以得到两个点的风速差异x，x的大小可以部分的说明风速由于尾流的影响而降低的幅度。

对于本发明，具体实现上，在具体应用中可以设置一个阈值，当达到这个值就启动对上游风机的尾流控制，降低对下游风机的影响，提高风场的综合发电量。

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合具体的实施例，来进行详细说明。

参见图2、图3所示，当下游风机2处于上游风机1的尾流影响区域B时，尾流影响区域B的风速会有所降低。这时候，下游风机2上的测风激光雷达发出的上下两个检测光束所测到的风速差异，会反映为偏航误差(风机的机舱的实际轴向与风向之间的夹角称为偏航误差)，这时候，可以认为风轮(即叶轮)没有对正风向，没有处于迎风状态。

随着风向A的变化，上游风机1对下游风机2的测风激光雷达(即激光测风仪)的影响有四种情况，第一种情况，上游风机的尾流没有对被测的下游风机产生影响，如图2所示；第二种情况，位于测风激光雷达上侧的检测光束处于上游风机的尾流区域B内，如图3所示；第三种情况，测风激光雷达上下两侧的两束检测光束全处于上游风机的尾流影响区域B内，第四种情况，测风激光雷达下侧的检测光束处于上游风机的尾流影响区域B内。

因此，根据测风激光雷达(即激光测风仪)的测量原理，这四种情况分别会对应引起激光测风的风向测量结果出现零偏差、正(负)偏差、零偏差和负(正)偏差。偏差的大小，随着尾流影响的强弱变化。

需要说明的是，当测风激光雷达(即激光测风仪)的风向测量结果不是零偏差时，风向测量结果的绝对值大小与上游风机尾流对下游风机影响的强弱程度，呈正比关系。当风向测量结果是零偏差时，则说明上游风机尾流对下游风机没有任何影响，或者下游风机完全位于上游风机的尾流影响区域。

在本发明中，通过对安装在下游风机上的测风激光雷达(即激光测风仪)所测得的偏航误差，在下游风机的0°～360°区间进行全方位的数据统计分析，就可以得出下游风机受上游风机尾流影响的扇区区间。

如图4所示，是一台下游风机的激光测风仪所测的风向(即前方的风向)与安装在下游风机机舱上的机械式风向标所测风向(即本地风向)的测量误差统计结果。从图4中可以看出，上游风机对下游风机影响的尾流区域(即受上游风机尾流影响的下游风机本地风向区间)中心在195°方向，受上游尾流影响的风向扇区(即受上游风机尾流影响的下游风机本地风向区间)是170°～215°之间。

因此，基于以上技术方案可知，本发明通过对检测到的数据分析，可以直接得到每一台下游风机受上游风机尾流影响的扇区区间，以及尾流影响的强弱程度，对风速、地表粗糙度等环境因素敏感度低。对于本发明，其不仅比基于模型推导计算尾流的方法精度高，而且环境适应性强。检测结果可用于指导上游风机实施尾流控制的风向扇区区间，避免该扇区设置的过大或过小带来的发电量损失。还可以根据尾流的强弱实施不同的尾流控制模式。

总之，本发明作为一种直接来源于传感器(如测风仪)统计结果的尾流检测方法，可以使风电场通过尾流控制，来提高发电量的控制更精确，更简单易行，可单机控制，也可以整个发电场控制。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法，其能够方便、可靠地分析判断上游风机尾流对下游风机造成的影响程度，精确度高，适应性好，具有重大的实践意义。

此外，本发明还可以分析获得下游风机受上游风机尾流影响的扇区区间(即受上游风机尾流影响的下游风机本地风向区间)，更加准确地了解便对尾流影响情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、对于下游风机，在预设采样周期内，实时测量其前方预设位置处的风向，以及测量其自身所在位置的本地风向；

第二步、在预设采样周期内，实时计算下游风机前方预设位置处的风向以及自身所在位置的本地风向之间的偏差，获得风向测量偏差；

第三步、以在预设采样周期内下游风机自身所在位置的本地风向为横坐标，以对应的风向测量偏差为纵坐标，绘制获得下游风机的风向测量偏差统计结果示意图；

第四步、对于下游风机的风向测量偏差统计结果示意图中出现的正负交变波形，测量获取该波形的幅值和起止区间，然后根据该幅值的大小，判断下游风机受上游风机尾流的影响程度，其中，幅值的大小与下游风机受上游风机尾流的影响程度呈正比关系。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在第四步之后，还包括步骤：

第五步、将正负交变波形的幅值与预设的波形幅值最大阈值相比较，当大于或者等于预设的波形幅值最大阈值时，则判断下游风机受上游风机尾流的影响过大。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在第一步中，所述下游风机的机舱正面安装有测风激光雷达，用于测量下游风机前方预设位置处的风向。

4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，在第一步中，所述下游风机的机舱尾部，安装有本地测风仪，用于测量下游风机自身所在位置的本地风向；

所述本地测风仪为机械式或者超声波式测风仪。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，在第二步中、在预设采样周期内，首先对测风激光雷达和本地测风仪的风向测量值分别进行滤波，然后实时计算两者所测风向之间的偏差，获得风向测量偏差并送至数据存储服务器进行存储。

6.如权利要求1至5中任一项所述的检测方法，其特征在于，在第四步中，所述正负交变波形的起止区间为下游风机受上游风机尾流影响的扇区区间；

受上游风机尾流影响的扇区区间即为受上游风机尾流影响的下游风机本地风向区间。

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