CN112883543A - 适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，包括步骤1：将风电场集群风机的风机经纬度坐标转换为笛卡尔坐标系下的坐标，然后在笛卡尔坐标系下确定风电场外围矩形边界坐标；风电场外围矩形边界坐标位置对应的区域内利用Voronoi图法对电场集群风机位置进行空间划分，确定每台风机对应的Voronoi凸多边形区域；步骤2：对每台风机，以风机高度和叶片长度之和的3倍为半径，以风机所在位置为圆心画圆，确定每台风机对应的圆形区域；步骤3：对每台风机，求取步骤1的Voronoi凸多边形区域和步骤2的圆形区域的交集，获得最终的空间划分。本发明能得到更有针对性的雷电活动参数分析区域划分。

Description

适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法
技术领域
本发明涉及雷击风险评估技术领域，具体地指一种适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法。
背景技术
风机高耸的特性以及一般坐落于空旷平原或山脊，导致风机容易遭受雷击。目前世界上已投运的最大单台装机容量的风力发电机高度接近200m。根据IEC 61400-24”Windenergy generation systems–Part 24:Lightning protection”，在北欧国家，每100台风力发电机组，一年有4至8次雷击故障。在德国，安装在低山地区的风力发电机组，每100台风力发电机组，一年雷击故障高达14次。根据我国某能源公司统计，2016年共发现风电场风机叶片故障120次，其中雷击故障占50％以上。
对风机进行雷电防护前需开展雷击风险评估。目前IEC 61400-24和对应中国国家标准GB/Z 25427《风力发电机组雷电防护(GB/Z25427-2010)》推荐评估单台风机雷击暴露风险时，以风机本体高度和叶片竖起高度之和的3倍为半径画圆确定雷电截收区域。这种方式对孤立的单台风机是可行的，但对于如海上或平原风电场的风机集群，尚存在一定问题，主要是未考虑相邻风机之间雷电截收区域的重叠。另外，中国专利CN100578488C“电网雷害分布确定方法”提出了一种利用网格法统计分析雷害分布的方法。该方法将分析区域划分为等间距网格，未考虑目标对象所处位置，尤其对于排布较为紧密的集群风机，存在多台风机同处一个网格的可能，不利于精细化、差异化评估风机雷击风险。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，本发明能得到更有针对性的雷电活动参数分析区域划分。
为实现此目的，本发明所设计的一种适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将风电场集群风机的风机经纬度坐标转换为笛卡尔坐标系下的坐标，然后在笛卡尔坐标系下确定风电场外围矩形边界坐标，要求风电场外围矩形边界包含风电场所有风机；
风电场外围矩形边界坐标位置对应的区域内利用Voronoi图法对风电场集群风机位置进行空间划分，确定每台风机对应的Voronoi凸多边形区域；
步骤2：对每台风机，以风机高度和叶片长度之和的3倍为半径，以风机所在位置为圆心画圆，确定每台风机对应的圆形区域；
步骤3：对每台风机，求取步骤1的Voronoi凸多边形区域和步骤2的圆形区域的交集，获得最终的空间划分。
本发明的有益效果：
本发明提出的风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，与传统网格法相比，是面向风机本身的区域划分方法。对每台风机，都有与之对应的唯一的雷电截收区域，因为Voronoi凸多边形是不存在重合的，和风机位置是一一对应的，即一个风机只对应一个voronoi凸多边形。利用本发明的方法把风机对应圆形区域进行了截分，取了圆形区域和voronoi凸多边形的交集，从而保证了新获得的区域也是和风机位置一一对应的，解决了现有技术存在的雷电截收区域重叠问题(把密集排布的风机的雷电活动参数区别开来，常规方案因为分析区域重叠严重，导致相邻风机之间分析结果差异不大，不利于差异化雷电防护方案的提出)。按此方法分析得到的雷电活动参数更具针对性。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为利用Voronoi图法对某风电场风机集群进行的初步空间划分结果图。
图3为按照风机高度和叶片长度之和的3倍确定的每台风机对应的圆形区域。
图4为按照本发明对某风电场风机集群进行的雷电活动参数分析区域划分结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将风电场集群风机的风机经纬度坐标转换为笛卡尔坐标系下的坐标，然后在笛卡尔坐标系下确定风电场外围矩形边界坐标，要求风电场外围矩形边界包含风电场所有风机(保证风电场外围风机对应的Voronoi分区是封闭的，保证外围风机和其圆形区域能求交集)；
风电场外围矩形边界坐标位置对应的区域内利用Voronoi图法对风电场集群风机位置进行空间划分，确定每台风机对应的Voronoi凸多边形区域，图2示出了对某风电场利用Voronoi图法得到初步空间划分，图中黑色圆点表示风机，黑色实线表示Voronoi凸多边形；
步骤2：对每台风机，以风机高度和叶片长度之和的3倍为半径，以风机所在位置为圆心画圆，确定每台风机对应的圆形区域，该圆形区域为IEC标准给出的用来分析雷电活动参数的区域，具体的，以某风机机型为例，风机本体高度80m，叶片长度44m，因而圆形半径为372m，图3示出了风机位置及对应的圆形区域，从图3可以看出，风机之间圆形区域存在较大范围重叠；
步骤3：对每台风机，求取步骤1的Voronoi凸多边形区域和步骤2的圆形区域的交集，获得最终的空间划分(每台风机对应一个唯一的雷电参数分析区域，这个区域内发生的雷电是最影响风机运行安全的，需要对其参数进行分析，为针对性雷电防护方案的提出提供参考)。具体的，对每台风机，如果其Voronoi凸多边形区域完全处在圆形区域内部，则取Voronoi凸多边形区域为最终区域划分；如果圆形区域完全处在Voronoi凸多边形区域内部，则取圆形区域为最终区域划分；如果Voronoi凸多边形的边和圆弧存在交点，则计算Voronoi凸多边形的边与圆弧的交点，按顺序(顺时针或逆时针)连接圆形区域内的Voronoi凸多边形的顶点、Voronoi凸多边形的边与圆弧的交点、Voronoi凸多边形区域内的圆弧，得到最终区域划分，图4示出了按照本发明提出的方法确定的某风电场风机集群雷电活动参数分析区域划分。
上述技术方案中，按照如下方法确定风电场集群风机分布图中每台风机对应的Voronoi凸多边形区域：以每台风机为点状生长元集合P{p1，p2，p3…，pn}，p1，p2，p3…，pn分别表示各个风机对应的位置，对二维空间(欧式空间)任一点q，满足关系d(pi，q)≤d(pj，q)，i≠j的区域即为Voronoi凸多边形区域，其中，d(pi，q)表示q点和pi点之间的欧式距离，d(pj，q)表示q点和pi点之间的欧式距离，pi和pj分别表示对应的某个风机位置。
上述技术方案中，按照如下方法求取步骤1的凸多边形区域和步骤2的圆形区域的交集：
步骤301：确定每台风机对应的圆形区域内的Voronoi凸多边形的边；
步骤302：确定每台风机对应的Voronoi凸多边形区域内圆形区域的圆弧(用面积判别法可以判断，圆弧上任意点和Voronoi凸多边形的顶点连线，如果围成的三角形的面积和不等于Voronoi凸多边形的面积，则该点不在Voronoi凸多边形内部)；
步骤303：将每台风机的圆形区域内的Voronoi凸多边形的边与对应风机的Voronoi凸多边形区域内的圆弧进行首尾相连拼接，获得每台风机对应的最终空间划分。
上述技术方案的步骤1中将风电场集群风机分布图中的风机经纬度坐标转换为笛卡尔坐标系下的坐标的具体方法为：
设第i台风机的经度、纬度坐标为(pi，lon，pi，lat)，选取笛卡尔坐标系的参考点经度、纬度坐标为(Olon，Olat)，地球平均半径为R，则第i台风机在笛卡尔坐标系下的位置可表示为(pi，x，pi，y)，其中pi，x和pi，y分别按公式(1)和公式(2)计算；
Figure BDA0002896095860000051
Figure BDA0002896095860000052
上述技术方案中，在求取Voronoi凸多边形区域和圆形区域的交集时，先计算Voronoi凸多边形的边与圆形区域的圆弧的交点，按顺时针或逆时针连接圆形区域内的Voronoi凸多边形的顶点、Voronoi凸多边形的边与圆弧的交点、Voronoi凸多边形内的圆弧(交点与交点之间相连成为线段，圆弧一端和上一个线段的端点相连，圆弧的另一端和下一个线段的端点相连)，即获得封闭的交集区域。
上述技术方案的步骤301中，根据d(pi，q)≤d(pj，q)，i≠j确定每台风机对应的圆形区域内的Voronoi凸多边形的边。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将风电场集群风机的风机经纬度坐标转换为笛卡尔坐标系下的坐标，然后在笛卡尔坐标系下确定风电场外围矩形边界坐标，要求风电场外围矩形边界包含风电场所有风机；
风电场外围矩形边界坐标位置对应的区域内利用Voronoi图法对风电场集群风机位置进行空间划分，确定每台风机对应的Voronoi凸多边形区域；
步骤2：对每台风机，以风机高度和叶片长度之和的3倍为半径，以风机所在位置为圆心画圆，确定每台风机对应的圆形区域；
步骤3：对每台风机，求取步骤1的Voronoi凸多边形区域和步骤2的圆形区域的交集，获得最终的空间划分。
2.根据权利要求1所述的适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于：按照如下方法确定风电场集群风机分布图中每台风机对应的Voronoi凸多边形区域：以每台风机为点状生长元集合P{p1，p2，p3…，pn}，p1，p2，p3…，pn分别表示各个风机对应的位置，对二维空间任一点q，满足关系d(pi，q)≤d(pj，q)，i≠j的区域即为Voronoi凸多边形区域，其中，d(pi，q)表示q点和pi点之间的欧式距离，d(pj，q)表示q点和pi点之间的欧式距离，pi和pj分别表示对应的某个风机位置。
3.根据权利要求1所述的适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于：按照如下方法求取步骤1的凸多边形区域和步骤2的圆形区域的交集：
步骤301：确定每台风机对应的圆形区域内的Voronoi凸多边形的边；
步骤302：确定每台风机对应的Voronoi凸多边形区域内圆形区域的圆弧；
步骤303：将每台风机的圆形区域内的Voronoi凸多边形的边与对应风机的Voronoi凸多边形区域内的圆弧进行拼接，获得每台风机对应的最终空间划分。
4.根据权利要求1所述的适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于：步骤1中将风电场集群风机分布图中的风机经纬度坐标转换为笛卡尔坐标系下的坐标的具体方法为：
设第i台风机的经度、纬度坐标为(pi，lon，pi，lat)，选取笛卡尔坐标系的参考点经度、纬度坐标为(Olon，Olat)，地球平均半径为R，则第i台风机在笛卡尔坐标系下的位置可表示为(pi，x，pi，y)，其中pi，x和pi，y分别按公式(1)和公式(2)计算；
Figure FDA0002896095850000021
Figure FDA0002896095850000022
5.根据权利要求1所述的适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于：在求取Voronoi凸多边形区域和圆形区域的交集时，先计算Voronoi凸多边形的边与圆形区域的圆弧的交点，按顺时针或逆时针连接圆形区域内的Voronoi凸多边形的顶点、Voronoi凸多边形的边与圆弧的交点、Voronoi凸多边形内的圆弧，即获得封闭的交集区域。
6.根据权利要求3所述的适用于风电场风机集群的雷电活动参数分析区域划分方法，其特征在于：所述步骤301中，根据d(pi，q)≤d(pj，q)，i≠j确定每台风机对应的圆形区域内的Voronoi凸多边形的边。
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