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CN112576453B - 一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法及系统 - Google Patents

一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法及系统 Download PDF

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CN112576453B CN202011261401.4A CN202011261401A CN112576453B CN 112576453 B CN112576453 B CN 112576453B CN 202011261401 A CN202011261401 A CN 202011261401A CN 112576453 B CN112576453 B CN 112576453B
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Abstract

本发明提出了一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法及系统，所述方法包括第一阶段、第二阶段、第三阶段：第一阶段，建立风力发电机几何模型，确定风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；第二阶段，将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0‑50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；第三阶段,针对第二阶段数据偏差超过筛查偏差限值的风力发电机进行停机测试；当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，认定被测风力发电机风向仪存在故障，需要维修或更换。

Description

一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态 评估方法及系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电机风速风向仪状态评估方法，尤其涉及一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法及系统。
背景技术
风力发电机风向仪是整个发电系统中十分重要的传感器，不精确或不正确的传感器信号不仅仅会使风机效率低下而且会影响风机安全运行及其它部件的寿命。
现有的风向仪校准方式面临主要问题包括：无法判断实际运行状态、拆卸及安装过程麻烦、校准运输过程周期长，信号传输及分析系统无法校准等。此外，由于风向仪安装于叶轮后方，其受叶轮干扰引起的数据偏差无法通过现有校准方式评估，而这一部分偏差对风机效率、风机安全会产生重大影响。
发明内容
发明目的：一个目的是提出一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法，以解决现有技术存在的上述问题。进一步目的是提出一种实现上述方法的系统。
技术方案：一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法，包括以下阶段：
第一阶段、建立风力发电机几何模型；
第二阶段、利用多普勒激光雷测量风力发电机风速风向仪安装高度位置的风速数据；
第三阶段、针对第二阶段数据偏差超过筛查偏差限值的风力发电机进行停机测试。
在进一步的实施例中，第一阶段中所述的风力发电机几何模型输入初始数据包括风力发电机叶片、机舱、塔筒、风向仪安装位置几何尺寸、风向仪安装位置；利用所述的风力发电机几何模型进行数值模拟计算，输入条件为风速；输出内容为风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；包括：不停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；叶片Y型停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数。
在进一步的实施例中，所述第二阶段进一步包括：将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用不停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，进入第三阶段；当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差不超过筛查偏差限值时，记录数据偏差，用于风向仪系统初始修正设置。
在进一步的实施例中，所述第三阶段进一步包括：将风机叶片呈Y型停机；将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，认定被测风力发电机风向仪存在故障，需要维修或更换。
在进一步的实施例中，第二阶段中所述筛查偏差限值=风向仪准确度等级%×修正后的风速数据。
一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估系统，其特征是包括如下模块：
用于建立风力发电机几何模型的第一模块；
利用多普勒激光雷测量风力发电机风速风向仪安装高度位置的风速数据的第二模块；
针对第二阶段数据偏差超过筛查偏差限值的风力发电机进行停机测试的第三模块。
在进一步的实施例中，所述第一模块建立的风力发电机几何模型输入初始数据包括风力发电机叶片、机舱、塔筒、风向仪安装位置几何尺寸、风向仪安装位置；利用所述的风力发电机几何模型进行数值模拟计算，输入条件为风速；输出内容为风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；包括：不停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；叶片Y型停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；
所述第二模块进一步用于将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用不停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，进入第三阶段；当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差不超过筛查偏差限值时，记录数据偏差，用于风向仪系统初始修正设置。
在进一步的实施例中，所述第三模块进一步用于将风机叶片呈Y型停机；将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，认定被测风力发电机风向仪存在故障，需要维修或更换。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、高效评估状态。通过使用激光多普勒雷达技术，可大大节省工成本，省去人工攀爬、拆卸、运输、安装等环节，便可评估风向仪实际工作状态，而非送检阶段部分状态，测试精度及测试效率大大提高。
2.深度结果分析。将直接测量与数值模拟结合，除判断机组风向仪状态外，可检测因安装误差、机械磨损以及叶片尾流对风向仪的影响，并给出改造方案，提高机组发电效率。
3.减少机组停机。采用分阶段筛选问题设备方式，第一阶段无需风电机组停机，完成问题机组的初筛；第二阶段针对问题机组停机进行高精度检测，锁定问题机组设备。可避免现有技术中长时间停机引起的发电损失。
4.本技术能够高效的完成整个风场风向仪状态评估，并提供机组运行指导，提高机组运行效率。且评估的是风向仪实时运行状态，而非实验室条件的结论，更具备现场指导意义。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明为观察目前风向仪和风速仪的位置上的流动变化设置观测点的示意图。
图3为4m/s风速下风向变化情况图。
图4为6m/s风速下风向变化情况图。
图5为8m/s风速下风向变化情况图。
图6为10m/s风速下风向变化情况图。
图7为12m/s风速下风向变化情况图。
图8为4m/s风速下风速变化情况图。
图9为6m/s风速下风速变化情况图。
图10为8m/s风速下风速变化情况图。
图11为10m/s风速下风速变化情况图。
图12为12m/s风速下风速变化情况图。
图中，F5表示观测点5，F6表示观测点6，F7表示观测点7，F8表示观测点8。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
申请人认为，现有的风向仪校准方式面临主要问题包括：无法判断实际运行状态、拆卸及安装过程麻烦、校准运输过程周期长，信号传输及分析系统无法校准等。此外，由于风向仪安装于叶轮后方，其受叶轮干扰引起的数据偏差无法通过现有校准方式评估，而这一部分偏差对风机效率、风机安全会产生重大影响。
多普勒激光雷达通过检测气溶胶粒子的后向散射信号和系统本振光的多普勒频移来反演径向风向，具有高时空分辨率、高测量精度的特点。为此，本发明利用这一技术效果，提出一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法，包括第一阶段、第二阶段、第三阶段：
第一阶段，建立风力发电机几何模型，所述的风力发电机几何模型输入初始数据包括风力发电机叶片、机舱、塔筒、风向仪安装位置几何尺寸、风向仪安装位置；利用所述的风力发电机几何模型进行数值模拟计算，输入条件为风速；输出内容为风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；包括：不停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；叶片Y型停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；
第二阶段，将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用不停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，进入第三阶段；当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差不超过筛查偏差限值时，记录数据偏差，用于风向仪系统初始修正设置；
第三阶段，针对第二阶段数据偏差超过筛查偏差限值的风力发电机进行停机测试；将风机叶片呈Y型停机；将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，认定被测风力发电机风向仪存在故障，需要维修或更换。
其中筛查偏差限值=风向仪准确度等级%×修正后的风速数据。
基于上述风速风向仪状态评估方法，本发明提出一种风速风向仪状态评估系统，所述第一模块建立的风力发电机几何模型输入初始数据包括风力发电机叶片、机舱、塔筒、风向仪安装位置几何尺寸、风向仪安装位置；利用所述的风力发电机几何模型进行数值模拟计算，输入条件为风速；输出内容为风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；包括：不停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；叶片Y型停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数。
所述第二模块进一步用于将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用不停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，进入第三阶段；当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差不超过筛查偏差限值时，记录数据偏差，用于风向仪系统初始修正设置。
所述第三模块进一步用于将风机叶片呈Y型停机；将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，认定被测风力发电机风向仪存在故障，需要维修或更换。
如图2所示，为了观察目前风向仪和风速仪的位置上的流动变化，在该位置设置5*12个观测点进行观测。其中F5、F6、F7、F8分别为从下往上数第二层、且右往左数第5、6、7、8个观测点。
从风向的统计结果来看，受叶片旋转的影响。风向实时的变化非常剧烈。统计观测点不同风速和位置列表如下：
表1 平均风向列表
风速（m/s） 观测点5 观测点6 观测点7 观测点8
4 6.05 3.24 2.18 2.65
6 6.37 3.33 2.79 3.17
8 13.09 11.33 9.80 9.02
10 6.53 4.08 2.97 3.22
12 4.73 2.83 1.08 -0.45
从表中可知，在原风速风向仪位置风向平均偏差2-6度。从左至右偏差逐步减小。这与叶片的旋转方向相关。在目前的机组位置建议风向仪尽量向迎风向左侧布置。
表2平均风速列表
风速 观测点5 观测点6 观测点7 观测点8
4 3.40 3.46 3.39 3.24
6 4.98 5.19 5.18 5.04
8 6.01 6.23 6.49 6.56
10 8.08 8.77 8.93 8.77
12 10.46 11.13 11.58 11.49
从表4-2及实时风速监测结果来看，风速仪测量结果略低于实际来流风速。误差在0.5-1m/s之间。中间观测位置的观测结果明显好于两侧。即风速仪应布置与中心线两侧。较优位置为来流方向左侧。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法，其特征是包括以下阶段：
第一阶段、建立风力发电机几何模型；所述的风力发电机几何模型输入初始数据包括风力发电机叶片、机舱、塔筒、风向仪安装位置几何尺寸、风向仪安装位置；利用所述的风力发电机几何模型进行数值模拟计算，输入条件为风速；输出内容为风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；包括：不停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；叶片Y型停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；
第二阶段、利用多普勒激光雷测量风力发电机风速风向仪安装高度位置的风速数据；将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用不停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，进入第三阶段；当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差不超过筛查偏差限值时，记录数据偏差，用于风向仪系统初始修正设置；
第三阶段、针对第二阶段数据偏差超过筛查偏差限值的风力发电机进行停机测试；将风机叶片呈Y型停机；将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，认定被测风力发电机风向仪存在故障，需要维修或更换。
2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法，其特征在于，第二阶段中所述筛查偏差限值=风向仪准确度等级%×修正后的风速数据。
3.一种基于多普勒激光雷达技术的风力发电机风速风向仪状态评估方法，其特征是包括如下模块：
用于建立风力发电机几何模型的第一模块；所述第一模块建立的风力发电机几何模型输入初始数据包括风力发电机叶片、机舱、塔筒、风向仪安装位置几何尺寸、风向仪安装位置；利用所述的风力发电机几何模型进行数值模拟计算，输入条件为风速；输出内容为风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；包括：不停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；叶片Y型停机状态下，不同风速对应的风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；
利用多普勒激光雷测量风力发电机风速风向仪安装高度位置的风速数据的第二模块；所述第二模块进一步用于将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用不停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，进入第三阶段；当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差不超过筛查偏差限值时，记录数据偏差，用于风向仪系统初始修正设置；
针对第二阶段数据偏差超过筛查偏差限值的风力发电机进行停机测试的第三模块；所述第三模块进一步用于将风机叶片呈Y型停机；将多普勒激光雷达布置于风力发电机来风方向前端地面0-50米范围内，测量风力发电机风向仪安装高度位置的风速数据；根据多普勒激光雷达实时测得的风速数据调用停机状态下，风力发电机风向仪受叶轮扰动的修正系数；将修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据进行比对；设定筛查偏差限值，当修正后的风速数据与风力发电机风向仪测得数据偏差超过筛查偏差限值时，认定被测风力发电机风向仪存在故障，需要维修或更换。
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