CN103884865A - 风电场超声波风速监测***误差分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场超声波风速监测***误差分析方法，包括：分析距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤，以及分析湿度对超声波测温影响的步骤，因水汽对超声波的传播速度有影响，进而对温度的测量有影响。实现解析距离和时间差以及温度对超声波的影响，从而提高检测精度的目的。

Description

风电场超声波风速监测***误差分析方法

技术领域

本发明涉及新能源发电过程中风资源监测技术领域，具体地，涉及一种风电场超声波风速监测***误差分析方法。

背景技术

目前，我国风电进入规模化发展阶段以后所产生的大型新能源基地多数位于“三北地区”（西北、东北、华北），大型新能源基地一般远离负荷中心，其电力需要经过长距离、高电压输送到负荷中心进行消纳。由于风资源的间歇性、随机性和波动性，导致大规模新能源基地的风电发电出力会随之发生较大范围的波动，进一步导致输电网络充电功率的波动，给电网运行安全带来一系列问题。

截至2013年11月，甘肃电网并网风电装机容量已达668万千瓦，约占甘肃电网总装机容量的21%，成为仅次于火电的第二大主力电源。随着风电并网规模的不断提高，风电不确定性和不可控性给电网的安全稳定经济运行带来诸多问题。对风力发电过程中的风资源进行监测，可以更好的预测未来一段时间内风能的变化情况，从而可以更精确的对风电功率进行预测和校正，提高预测精度，促进新能源发电的发展。但超声波的距离和超声波的传输时间对风资源进行监测***的误差较大。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种风电场超声波风速监测***误差分析方法，以实现解析距离和时间差以及温度对超声波的影响，从而提高检测精度的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种风电场超声波风速监测***误差分析方法，包括：

分析距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤，

以及分析湿度对超声波测温影响的步骤，因水汽对超声波的传播速度有影响，进而对温度的测量有影响。

根据本发明的优选实施例，上述距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤具体如下：

首先分析一对超声波探头中两超声波换能器之间的距离Δd引起的误差，超声波换能器之间的波阵面和换能器的端面之间存在的距离，支架的形变从而引入d的误差；

其次是计时误差Δt，由于超声波换能器在发送和接收超声波时存在延迟效应,加上电路的延迟将引起t的误差；

以及由于超声波换能器对风的遮挡,在背风一侧将会出现风速减小,称作阴影效应，迎风角越小则阴影效应越明显，在理想情况下,阴影效应看作是在小段距离内,风被完全阻挡,相当于d减小了,因而将阴影效应产生的误差折算到d的误差中处理。

根据本发明的优选实施例，距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤中，风速测量中，主要测量超声波顺风和逆风传播的时间差,因而时间的误差在时间差中将会抵消，其中Δt相对于t为高阶无穷小，即Δt对风速v的影响忽略，具体公式如下：

$\begin{array}{c}\frac{1}{t_1+\mathrm{\Δt}}-\frac{1}{t_2+\mathrm{\Δt}}\\ =\frac{t_2-t_1}{(t_1+\mathrm{\Δt})(t_2+\mathrm{\Δt})}\\ =\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2+\mathrm{\Δt}(t_1+t_2)+{\mathrm{\Δt}}^2}\\ \≈\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2}=\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2}\end{array},$

t表示时间，Δt对风速的影响忽略，因此风速测量主要受Δd的影响，

考虑一维情况，设v_x为实际风速，v_x＇为测量风速则有：

$v_x=\frac{d+\mathrm{\Δd}}{2}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

$\mathrm{\Δd}=\frac{v_x-v_x^{\′}}{v_x^{\′}}$

即误差Δt主要影响超声波波速的测量，在风速为0时：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=t_2=t_3\\ c=\frac{d}{t}\\ c^{\′}=\frac{d}{t+\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.$

则：

$\mathrm{\Δt}=d(\frac{1}{c^{\′}}-\frac{1}{c})$

从而得出风速的测量主要受到距离误差Δd的影响，而超声波速度的测量受到距离误差Δd和时间误差Δt的双重影响。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过分析距离误差Δd和时间误差Δt以及温度对超声波的影响，从而解析距离和时间差以及温度对超声波的影响，从而达到检测精度的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的风电场超声波风速监测***误差分析方法流图示意图；

图2为风对超声波探头形成阴影效应示意图；

图3为不同温度下相对湿度对超声波测温精度的影响示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-超声波探头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种风电场超声波风速监测***误差分析方法，包括：

分析距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤，

以及分析湿度对超声波测温影响的步骤，因水汽对超声波的传播速度有影响，进而对温度的测量有影响。

其中，距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤具体如下：

首先分析一对超声波探头中两超声波换能器之间的距离Δd引起的误差，超声波换能器之间的波阵面和换能器的端面之间存在的距离，支架的形变从而引入d的误差；

其次是计时误差Δt，由于超声波换能器在发送和接收超声波时存在延迟效应,加上电路的延迟将引起t的误差；

以及由于超声波换能器对风的遮挡,在背风一侧将会出现风速减小,称作阴影效应，迎风角越小则阴影效应越明显，在理想情况下,阴影效应看作是在小段距离内,风被完全阻挡,相当于d减小了,因而将阴影效应产生的误差折算到d的误差中处理。

距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤中，风速测量中，主要测量超声波顺风和逆风传播的时间差,因而时间的误差在时间差中将会抵消，其中Δt相对于t为高阶无穷小，即Δt对风速v的影响忽略，具体公式如下：

$\begin{array}{c}\frac{1}{t_1+\mathrm{\Δt}}-\frac{1}{t_2+\mathrm{\Δt}}\\ =\frac{t_2-t_1}{(t_1+\mathrm{\Δt})(t_2+\mathrm{\Δt})}\\ =\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2+\mathrm{\Δt}(t_1+t_2)+{\mathrm{\Δt}}^2}\\ \≈\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2}=\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2}\end{array},$

t表示时间，Δt对风速的影响忽略，因此风速测量主要受Δd的影响，考虑一维情况，设v_x为实际风速，v_x＇为测量风速则有：

$v_x=\frac{d+\mathrm{\Δd}}{2}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

$\mathrm{\Δd}=\frac{v_x-v_x^{\′}}{v_x^{\′}}$

即误差Δt主要影响超声波波速的测量，在风速为0时：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=t_2=t_3\\ c=\frac{d}{t}\\ c^{\′}=\frac{d}{t+\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.$

则：

$\mathrm{\Δt}=d(\frac{1}{c^{\′}}-\frac{1}{c})$

从而得出风速的测量主要受到距离误差Δd的影响，而超声波速度的测量受到距离误差Δd和时间误差Δt的双重影响。

具体为：

首先分析两超声波换能器之间的距离Δd引起的误差，超声波换能器之间的波阵面和换能器的端面之间存在一定的距离，支架的形变会引入d的误差。如果两换能器之间距离为10cm，若Δd为2mm则v的相对误差将达到2%，因此d的校准非常必要。

其次是计时误差Δt。由于超声波换能器在发送和接收超声波时存在延迟效应,加上电路的延迟将引起t的误差，该部分的误差将通过第四章介绍的二次相关和一次相关相结合的计算方法得到改善。

第三由于超声波换能器对风的遮挡,在背风一侧将会出现风速减小的现象,这一现象称作阴影效应，如图2所示。迎风角越小则阴影效应越明显。在理想情况下,阴影效应可以看作是在一小段距离内,风被完全阻挡,相当于d减小了,因而可以将阴影效应产生的误差折算到d的误差中处理。

在风速测量中，主要测量超声波顺风和逆风传播的时间差,因而时间的误差在时间差中将会抵消，但是Δt相对于t为高阶无穷小，所以Δt对风速v的影响可以忽略，即：

$\begin{array}{c}\frac{1}{t_1+\mathrm{\Δt}}-\frac{1}{t_2+\mathrm{\Δt}}\\ =\frac{t_2-t_1}{(t_1+\mathrm{\Δt})(t_2+\mathrm{\Δt})}\\ =\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2+\mathrm{\Δt}(t_1+t_2)+{\mathrm{\Δt}}^2}\\ \≈\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2}=\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2}\end{array}$

上式可以看出，Δt对风速的影响可以忽略，因此风速测量主要受Δd的影响，考虑一维情况，设v_x为实际风速，v_x＇为测量风速则有：

$v_x=\frac{d+\mathrm{\Δd}}{2}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

即

$\mathrm{\Δd}=\frac{v_x-v_x^{\′}}{v_x^{\′}}$

从上式可以看出计时误差Δt主要影响超声波波速的测量，在风速为0时：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=t_2=t_3\\ c=\frac{d}{t}\\ c^{\′}=\frac{d}{t+\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.$

则：

$\mathrm{\Δt}=d(\frac{1}{c^{\′}}-\frac{1}{c})$

由于风速的测量主要受到距离误差Δd的影响，而超声波速度的测量受到距离误差Δd和时间误差Δt的双重影响。因此在在对研制的设备进行检定时,，需要先利用已知的标准的风速设备测量风速，然后根据实际风速与测量风速的差,计算d的修正量Δd，然后在无风的标准大气环境下以测量温度计算超声波波速,然后和标准声速作比较，计算出时间的修正量Δt，修正后写入风速计算程序中，对结果进行整体修正，保证测量结果的准确性。

根据第测温的公式：

$c=20.067\sqrt{(1+0.3192e/P)T}$

从上式可以看出，水汽对超声波的传播速度有影响，进而对温度的测量有影响。

在-45℃-60℃之间，饱和水汽压的计算公式为：

$e_{\mathrm{SW}}=e_0\×\exp (17.62t/24.3+t)$

其中e₀=6.11hPa为0℃时的饱和水汽压，t为摄氏温度单位℃，可见饱和水汽压随温度成指数增长。例如在50℃，相对湿度为100%时，湿度对温度测量的影响为3.8%,而在100℃相对湿度为100%时，湿度对温度的影响高达30%，所以应根据当地测量情况，补偿湿度对温度测量造成的影响。图3为不同温度条件下，相对湿度对温度测量的影响。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种风电场超声波风速监测***误差分析方法，其特征在于，包括：

分析距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤，

以及分析湿度对超声波测温影响的步骤，因水汽对超声波的传播速度有影响，进而对温度的测量有影响。

2.根据权利要求1所述的风电场超声波风速监测***误差分析方法，其特征在于，上述距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤具体如下：

首先分析一对超声波探头中两超声波换能器之间的距离Δd引起的误差，超声波换能器之间的波阵面和换能器的端面之间存在的距离，支架的形变从而引入d的误差；

其次是计时误差Δt，由于超声波换能器在发送和接收超声波时存在延迟效应,加上电路的延迟将引起t的误差；

以及由于超声波换能器对风的遮挡,在背风一侧将会出现风速减小,称作阴影效应，迎风角越小则阴影效应越明显，在理想情况下,阴影效应看作是在小段距离内,风被完全阻挡,相当于d减小了,因而将阴影效应产生的误差折算到d的误差中处理。

3.根据权利要求2所述的风电场超声波风速监测***误差分析方法，其特征在于，距离和时间误差对超声波风速监测***测量精度的影响的步骤中，风速测量中，主要测量超声波顺风和逆风传播的时间差,因而时间的误差在时间差中将会抵消，其中Δt相对于t为高阶无穷小，即Δt对风速v的影响忽略，超声波顺风和逆风传播的时间差的计算公式如下：

$\begin{array}{c}\frac{1}{t_1+\mathrm{\Δt}}-\frac{1}{t_2+\mathrm{\Δt}}\\ =\frac{t_2-t_1}{(t_1+\mathrm{\Δt})(t_2+\mathrm{\Δt})}\\ =\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2+\mathrm{\Δt}(t_1+t_2)+{\mathrm{\Δt}}^2}\\ \≈\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2}=\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2}\end{array},$

其中，t₁表示超声波顺风传播的时间；

t₂表示超声波逆风传播的时间；

Δt表示时间误差。

t表示时间，Δt对风速的影响忽略，因此风速测量主要受Δd的影响，考虑一维情况，设v_x为实际风速，v_x＇为测量风速，则有：

$v_x=\frac{d+\mathrm{\Δd}}{2}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

其中，d表示超声波探头对之间的距离

Δd表示阴影效应造成的超声波探头对之间距离的误差

t₁表示超声波顺风传播的时间

t₂表示超声波逆风传播的时间

即，距离误差为：

$\mathrm{\Δd}=\frac{v_x-v_x^{\′}}{v_x^{\′}}$

其中，v_x为实际风速，v_x＇为测量风速

误差Δt主要影响超声波波速的测量，在风速为0时：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=t_2=t_3\\ c=\frac{d}{t}\\ c^{\′}=\frac{d}{t+\mathrm{\Δt}}\end{array}\right.$

其中，t、t₁、t₂表示超声波在风速中传播的时间

d表示超声波探头对之间的距离

c表示超声波波速

则时间误差为：

$\mathrm{\Δt}=d(\frac{1}{c^{\′}}-\frac{1}{c})$

其中，d表示超声波探头对之间的距离

c表示超声波波速

c＇表示由于误差导致的超声波的实际波速

从而得出风速的测量主要受到距离误差Δd的影响，而超声波速度的测量受到距离误差Δd和时间误差Δt的双重影响。

Images