基于风切变感测的净空风险预警方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体地涉及一种基于风切变感测的净空风险预警方法、一种基于风切变感测的净空风险预警系统以及一种机器可读存储介质。


背景技术：

2.随着风力发电机组容量的逐渐扩大，叶片长度也在不断的增加，叶片净空面临着越来越严峻的挑战。当风速达到额定风速前后出现负风切变风况时，会造成轮毂处测风仪所测风速较小，叶尖处风速较大，机组无法根据转速准确判断运行状态，面临扫塔的风险。因此，负风切变风况是造成叶片小净空的最直接的原因。
3.现阶段，风电行业主要通过测风塔来计算剪切情况，但由于尾流效应等因素的影响无法准确获得各个机位的实际风况，而风电机组上仅在机舱顶部有测风仪，只能测量轮毂处风速，因此无法提前动作规避小净空的发生。
4.由此可见，上述现有的风电机组在负风切变的测量上有着不准确、不及时的缺陷，亟待加以进一步改进。


技术实现要素：

5.本发明实施方式的目的是提供一种基于风切变感测的净空风险预警方法、系统及存储介质，该方法通过采集不同方位的风速，并从中确定与机舱位置最近的风速用于计算风切变系数，能够更准确的获取当前风电机组会面临的风切变，计算得到的风切变系数用于预警当前净空风险，可以实现提前动作，规避小净空的发生。
6.为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于风切变感测的净空风险预警方法，所述方法包括：
7.获取风速及当前桨距角，所述风速包括：风电机组塔筒上不同方向的风速和轮毂上的风速；
8.获取当前机舱的位置参数；
9.根据当前机舱的位置参数将风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的方向采集的风速确定为目标风速；
10.根据所述目标风速计算风切变指数；
11.根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。
12.本技术实施例中，风机塔筒上不同方向的风速采用塔筒上安装在同一水平线上不同角度的多个测风设备采集获取。多个测风设备采集不同角度的风速，无论机舱运行到哪个位置都可以确定一个与之方向相近的风速，为计算风切变指数提供的更准确的数据支撑。
13.本技术实施例中，所述位置参数包括：机舱偏航角度；
14.根据所述位置参数确认风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的目标风速，包括：
15.计算机舱偏航角度与测风设备的安装角度的差值；
16.比较所有差值，以差值最小的测风设备对应的风速作为目标风速。通过上述方法可以根据当前机舱的位置参数确定得到与当前机舱方向最近的方向上的风速，该风速与风机叶片所承受的风速最相近，用于计算风切变值可以有效的表征风机叶片可能承受的风切变。
17.本技术实施例中，根据所述目标风速计算风切变指数，包括：
18.风切变指数采用如下公式计算：
[0019][0020]
其中，α为风切变指数，z2为轮毂高度，z1为测风设备所在高度，v2为轮毂上的风速，v1为z1处的风速，即目标风速。由于测风设备固定在塔筒上和轮毂上，因此测风设备所在高度固定，根据确定的目标风速和轮毂上的风速，可以有效计算风切变系数。
[0021]
本技术实施例中，所述方法还包括：
[0022]
若最小差值为两个，则采用两个最小差值的测风设备对应的风速分别计算风切变指数；
[0023]
比较计算得到的两个风切变指数，采用较大的风切变指数预警净空风险。当机舱位置恰好在塔筒上的两个测风设备中间位置时，与机舱最近的目标风速会有两个，为了更好的起到预警效果，两个风速分别计算一个风切变指数，以其中较大飞风切变指数预警净空风险，更能够保障风机叶片规避小净空的发生。
[0024]
本技术实施例中，根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险，包括：
[0025]
若所述轮毂上的风速与额定风速的差值在预设差值范围内，且当前桨距角为零度，且风切变指数为负值时，判定当前存在净空风险；
[0026]
控制变桨系统调整桨距角为预设角度。通过上述方法可以提前动作，以避免在风速达到额定风速前后出现负风切变风况时，轮毂处测风仪所测风速较小，叶尖处风速较大，宠儿造成的扫塔的风险。
[0027]
本技术实施例中，所述预设差值范围为-2.5m/s～-1.5m/s；所述预设角度为1
°‑2°
。通过确定的预设差值范围和预设角度范围，便于系统自动判断和控制。
[0028]
本发明第二方面提供一种基于风切变感测的净空风险预警系统，所述系统包括：
[0029]
多个测风设备，布置在轮毂上以及风机塔筒同一水平线上的不同角度的位置上，用于采集轮毂上的风速以及风电机组塔筒上不同方向的风速；
[0030]
控制系统，用于获取当前机舱的位置参数，根据所述位置参数确认风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的目标风速；根据所述目标风速计算风切变指数；根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。该系统能够采集轮毂上的风速以及风电机组塔筒上不同方向的风速，根据采集的风速确定与机舱位置最近的风速，无论机舱运行到哪个位置都可以确定一个与之方向相近的风速，为计算风切变指数提供的更准确的数据支撑。
[0031]
本技术实施例中，风机塔筒上外围设置有支撑平台，测风设备均匀分布在支撑平台上，所述支撑平台外围还设置有安全防坠结构。支撑平台能够支撑安装多个测风设备，安
全防坠结构能够避免测风设备在风力的影响下松动坠落。
[0032]
另一方面，本技术还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于风切变感测的净空风险预警方法。
[0033]
通过上述技术方案，该方法通过采集不同方位的风速，并从中确定与机舱位置最近的风速用于计算风切变系数，能够更准确的获取当前风电机组会面临的风切变，计算得到的风切变系数用于预警当前净空风险，可以实现提前动作，规避小净空的发生。该系统能适应各种恶劣条件，有效避免了负切变而导致的扫塔风险，标定简单成本较低，便于安装，具有较大现实意义。
[0034]
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0035]
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
[0036]
图1是本发明一种实施方式提供的基于风切变感测的净空风险预警方法流程图；
[0037]
图2是本发明一种实施方式提供的基于风切变感测的净空风险预警系统框图；
[0038]
图3是本发明一种实施方式提供的基于风切变感测的净空风险预警系统中测风设备布置主视剖面示意图；
[0039]
图4是本发明一种实施方式提供的基于风切变感测的净空风险预警系统中测风设备布置俯视剖面示意图。
[0040]
附图标记说明
[0041]
100-塔筒，1-测风设备，2-安全防坠结构，3-支撑平台。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0043]
图1是本发明一种实施方式提供的基于风切变感测的净空风险预警方法流程图。如图1所示，所述方法包括：
[0044]
s1：获取风速及当前桨距角，所述风速包括：风电机组塔筒上不同方向的风速和轮毂上的风速。在本技术实施例中，风速通过测风设备采集，测风设备之一布置在轮毂上，其他测风设备布置在风电机组塔筒同一水平线上的不同位置，以采集不同角度的风速。当前桨距角与风电机组的控制参数相关，在本技术中，可以从运行参数中获取当前桨距角。
[0045]
s2：获取当前机舱的位置参数，风电机组运行过程中，机舱会随着风向而转动，且转动后的机舱角度参数会存储在运行数据中，本技术中，从运行数据中获取当前机舱的位置参数。
[0046]
s3：根据当前机舱的位置参数将风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的方向采集的风速确定为目标风速。
[0047]
s4：根据所述目标风速计算风切变指数。
[0048]
s5：根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。
[0049]
本技术实施例中，风机塔筒上不同方向的风速采用塔筒上安装在同一水平线上不同角度的多个测风设备采集获取。多个测风设备采集不同角度的风速，无论机舱运行到哪个位置都可以确定一个与之方向相近的风速，为计算风切变指数提供的更准确的数据支撑。
[0050]
在本技术实施例中，在安装测风设备使，以风电机组机舱的零度线作为测风设备位置的0度线来进行安装。以使机舱与测风设备的安装位置具有相同的基准位置。
[0051]
本技术实施例中，所述位置参数包括：机舱偏航角度；
[0052]
根据所述位置参数确认风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的目标风速，包括：
[0053]
计算机舱偏航角度与测风设备的安装角度的差值；
[0054]
比较所有差值，以差值最小的测风设备对应的风速作为目标风速。
[0055]
通过上述方法可以根据当前机舱的位置参数确定得到与当前机舱方向最近的方向上的风速，该风速与风机叶片所承受的风速最相近，用于计算风切变值可以有效的表征风机叶片可能承受的风切变。
[0056]
本技术实施例中，根据所述目标风速计算风切变指数，包括：
[0057]
风切变指数采用如下公式计算：
[0058][0059]
其中，α为风切变指数，z2为轮毂高度，z1为测风设备所在高度，v2为轮毂上的风速，v1为z1处的风速，即目标风速。由于测风设备固定在塔筒上和轮毂上，因此测风设备所在高度固定，根据确定的目标风速和轮毂上的风速，可以有效计算风切变系数。
[0060]
本技术实施例中，所述方法还包括：
[0061]
若最小差值为两个，则采用两个最小差值的测风设备对应的风速分别计算风切变指数；
[0062]
比较计算得到的两个风切变指数，采用较大的风切变指数预警净空风险。当机舱位置恰好在塔筒上的两个测风设备中间位置时，与机舱最近的目标风速会有两个，为了更好的起到预警效果，两个风速分别计算一个风切变指数，以其中较大飞风切变指数预警净空风险，更能够保障风机叶片规避小净空的发生。
[0063]
本技术实施例中，根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险，包括：
[0064]
若所述轮毂上的风速与额定风速的差值在预设差值范围内，且当前桨距角为零度，且风切变指数为负值时，判定当前存在净空风险；
[0065]
控制变桨系统调整桨距角为预设角度，其他情况则不存在净空风险。通过上述方法可以提前动作，以避免在风速达到额定风速前后出现负风切变风况时，轮毂处测风仪所测风速较小，叶尖处风速较大，宠儿造成的扫塔的风险。
[0066]
本技术实施例中，所述预设差值范围为-2.5m/s～-1.5m/s；所述预设角度为1
°‑2°
。通过确定的预设差值范围和预设角度范围，便于系统自动判断和控制。
[0067]
本发明第二方面提供一种基于风切变感测的净空风险预警系统，如图2所示，所述系统包括：
[0068]
多个测风设备，布置在轮毂上以及风机塔筒同一水平线上的不同角度的位置上，用于采集轮毂上的风速以及风电机组塔筒上不同方向的风速；
[0069]
控制系统，用于获取当前机舱的位置参数，根据所述位置参数确认风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的目标风速；根据所述目标风速计算风切变指数；根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。该系统能够采集轮毂上的风速以及风电机组塔筒上不同方向的风速，根据采集的风速确定与机舱位置最近的风速用于计算风切变系数，能够更准确的获取当前风电机组会面临的风切变，计算得到的风切变系数用于预警当前净空风险，可以实现提前动作，规避小净空的发生。
[0070]
本技术实施例中，风机塔筒上外围设置有支撑平台，测风设备均匀分布在支撑平台上，所述支撑平台外围还设置有安全防坠结构。支撑平台能够支撑安装多个测风设备，安全防坠结构能够避免测风设备在风力的影响下松动坠落。
[0071]
在本技术一个实施例中，如图3和图4所示，支撑平台3固定于叶片在塔筒100上投影位置向下一米左右处，与测风设备1刚性连接，测风设备1与塔筒壁之间存在间隙；支撑平台3外沿还有不高于测风设备1的安全防坠结构2，安全防坠结构2与测风设备1之间也有一定的间隙。测风设备1与控制系统通过i/o接口连接，将采集的风速传输到控制系统。在图4所示的实施例中，测风设备1有4个，间隔90
°
平均分布在支撑平台3上。
[0072]
在一个实施例中，测风设备1有8个，间隔45度平均分布在支撑平台3上，围绕塔筒一周。假定当前机舱偏航至10
°
，则计算与10度最近的测风设备，计算得到等结果是0
°
处的测风设备采集的风速是目标风速，因此基于该风速来计算风切变指数。计算得到风切变指数后，根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。根据经验轮毂风速处于额定风速-2m/s左右、桨距角为0
°
、风切变指数为负值时，最易出现小净空风险，可提前将桨距角改为1
°
，即可有效预防扫塔事故。上述方法可以有效预防扫塔事故，缓解现在越来越恶劣的风资源环境，优化减少叶片小净空警报的发生。
[0073]
另一方面，本技术还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于风切变感测的净空风险预警方法。
[0074]
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0075]
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0076]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

技术特征：
1.一种基于风切变感测的净空风险预警方法，其特征在于，所述方法包括：获取风速及当前桨距角，所述风速包括：风电机组塔筒上不同方向的风速和轮毂上的风速；获取当前机舱的位置参数；根据当前机舱的位置参数将风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的方向采集的风速确定为目标风速；根据所述目标风速计算风切变指数；根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。2.根据权利要求1所述的基于风切变感测的净空风险预警方法，其特征在于，风机塔筒上不同方向的风速采用塔筒上安装在同一水平线上不同角度的多个测风设备采集获取。3.根据权利要求2所述的基于风切变感测的净空风险预警方法，其特征在于，所述位置参数包括：机舱偏航角度；根据所述位置参数确认风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的目标风速，包括：计算机舱偏航角度与测风设备的安装角度的差值；比较所有差值，以差值最小的测风设备对应的风速作为目标风速。4.根据权利要求1所述的基于风切变感测的净空风险预警方法，其特征在于，根据所述目标风速计算风切变指数，包括：风切变指数采用如下公式计算：其中，α为风切变指数，z2为轮毂高度，z1为测风设备所在高度，v2为轮毂上的风速，v1为z1处的风速，即目标风速。5.根据权利要求3所述的基于风切变感测的净空风险预警方法，其特征在于，所述方法还包括：若最小差值为两个，则采用两个最小差值的测风设备对应的风速分别计算风切变指数；比较计算得到的两个风切变指数，采用较大的风切变指数预警净空风险。6.根据权利要求1所述的基于风切变感测的净空风险预警方法，其特征在于，根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险，包括：若所述轮毂上的风速与额定风速的差值在预设差值范围内，且当前桨距角为零度，且风切变指数为负值时，判定当前存在净空风险；控制变桨系统调整桨距角为预设角度。7.根据权利要求6所述的基于风切变感测的净空风险预警方法，其特征在于，所述预设差值范围为-2.5m/s～-1.5m/s；所述预设角度为1
°‑2°
。8.一种基于风切变感测的净空风险预警系统，其特征在于，所述系统包括：多个测风设备，布置在轮毂上以及风机塔筒同一水平线上的不同角度的位置上，用于采集轮毂上的风速以及风电机组塔筒上不同方向的风速；控制系统，用于获取当前机舱的位置参数，根据所述位置参数确认风电机组塔筒上与
当前机舱角度最近的目标风速；根据所述目标风速计算风切变指数；根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。9.根据权利要求8所述的基于风切变感测的净空风险预警系统，其特征在于，风机塔筒上外围设置有支撑平台，测风设备均匀分布在支撑平台上，所述支撑平台外围还设置有安全防坠结构。10.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行权利要求1-7中任一项所述的基于风切变感测的净空风险预警方法。

技术总结
本发明提供一种基于风切变感测的净空风险预警方法、系统及存储介质，属于风力发电技术领域。所述方法包括：获取风速及当前桨距角，所述风速包括：风电机组塔筒上不同方向的风速和轮毂上的风速；获取当前机舱的位置参数；根据当前机舱的位置参数将风电机组塔筒上与当前机舱角度最近的方向采集的风速确定为目标风速；根据所述目标风速计算风切变指数；根据轮毂上的风速、当前桨距角及所述风切变指数预警净空风险。该方法通过采集不同方位的风速，并从中确定与机舱位置最近的风速用于计算风切变系数，能够更准确的获取当前风电机组会面临的风切变，计算得到的风切变系数用于预警当前净空风险，可以实现提前动作，规避小净空的发生。发生。发生。


技术研发人员：李璐涛 张林中
受保护的技术使用者：国电联合动力技术有限公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/9/14