[发明专利]风机叶轮面范围风速风向测量和预测方法、装置及存储介质

说明书

本发明公开了一种风机叶轮面范围风速风向测量和预测方法、装置及存储介质，属于风力发电技术领域。在风电机组的机舱上安装机舱式激光测风雷达，利用激光雷达探测风电机组叶轮正前方的一定距离内不同空间点的风速、风向变化情况，利用激光雷达探测得到的空间点的风速、风向数据，通过预测算法，给出风电机组叶轮面范围未来预设时间范围内的风速、风向随时间和空间的变化曲线，为风电机组的载荷和发电量控制提供精确的依据。本发明可以提前数十秒准确预测作用在风电机组叶轮面上的风速风向变化，并且提供叶轮面范围内的风切变曲线和风转向曲线，为风电机组的控制提供准确风参数，提高了机组控制的精细化水平，降低机组载荷，并提高了发电量。

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风机叶轮面范围风速风向测量和预测方法、装置及存储介质。

背景技术

风力发电已经成为除水电之外的第二大可再生能源发电电源。随着高效率低成本风电的不断发展，风力发电机组的单机容量不断增大，叶轮直径也不断增大。陆上风电机组的叶轮直径已经达到160m以上，而海上风电机组的叶轮直径最大的已经超过210m。由于风电机组的叶轮迎风面对的风流场在空间和时间上都不稳定，风电机组的叶轮面承受载荷不均，对于超大直径叶轮的风电机组，受不均匀载荷的影响更大，其控制更加复杂。准确预测风轮面的风速分布，对于提升风电机组的控制性能，提高功率输出稳定性有重要意义，尤其是当阵风发生时，提前准确预知叶轮面的风速风向分布，对于改进控制性能，减小机组的载荷激变十分重要。

而现有的安装在风电机组机舱之上的风速、风向计，只能测量得到叶轮面下游的风速风向，而且该测量点的风速风向是受叶轮影响之后的值，并且仅仅是空间一个点，并不能代表叶轮面范围的风速、风向分布，风电机组依据该测量结果进行的运行控制相对滞后，因此机组无法运行在最佳状态。

激光雷达测风技术已经比较成熟，可将两波束或四波束的激光雷达安装在风电机组的机舱之上用来测量机组的叶轮面的来流风速，通常来说，可以测量得到机组轮毂前方40m-200m空间范围的风况情况，但现有的机舱式激光雷达测风方法仅仅给出了轮毂正前方的轮毂高度处位置水平不连续空间点的风速、风向测量结果，却无法得到叶轮面范围风切变和分转向分布，不能为风电机组的优化控制提供足够的参考信息。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种风机叶轮面范围风速风向测量和预测方法、装置及存储介质，可以提前数十秒准确预测作用在风电机组叶轮面上的风速风向变化，并且提供叶轮面范围内的风切变曲线和风转向曲线，为风电机组的控制提供准确风参数，提高了机组控制的精细化水平，降低机组载荷，并提高了发电量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种风机叶轮面范围风速风向测量和预测方法，包括以下步骤：

S1：将机舱式激光测风雷达安装至机舱的预设高度处，将机舱式激光测风雷达的探测角度分别设置为水平探测角度、仰角α探测角度和俯角α探测角度；

S2：利用激光测风雷达测量风电机组叶轮正前方的预设距离内三个高度不同空间点的风速和风向值，并生成实测风速矩阵和实测风向矩阵；

S3：利用实测风速矩阵进行风切变拟合，获得风切变拟合曲线函数矩阵，进而计算得到空间风速分布矩阵；利用实测风向矩阵进行风转向拟合，获得风转向拟合曲线函数矩阵，进而计算得到风向分布矩阵；

S4：分别建立上叶尖、轮毂和下叶尖高度的时间-风速-风向矩阵；

S5：通过n-1次曲线拟合寻找风速和风向随时间变化的最佳拟合曲线，最终得到风电机组叶轮面范围未来预设时间范围内的风速和风向随时间和空间的变化曲线。

优选地，d为激光雷达的探测距离，R为叶轮半径。

进一步优选地，机舱式激光测风雷达的安装高度≥d₂×tanα，d₂为激光雷达的激光头距离轮毂前缘的水平距离。