CN115203622A - 一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法 - Google Patents

一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115203622A
CN115203622A CN202210762505.6A CN202210762505A CN115203622A CN 115203622 A CN115203622 A CN 115203622A CN 202210762505 A CN202210762505 A CN 202210762505A CN 115203622 A CN115203622 A CN 115203622A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser radar
wind
scanning
power plant
wind direction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210762505.6A
Other languages
English (en)
Inventor
武广兴
刘永前
李莉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN202210762505.6A priority Critical patent/CN115203622A/zh
Publication of CN115203622A publication Critical patent/CN115203622A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法，从激光雷达扫描测风原理、风电场机组分布、自然风波动特性出发，包括确定激光雷达安装位置，确定激光雷达扫描角度范围，确定激光雷达扫描角度间隔，确定连续重复测量次数等四个步骤，可以较好地平衡所测尾流场信息量与测量精度之间的矛盾，可用于指导激光雷达扫描测量风电场尾流的方案设计与实施。本方法对陆上与海上风电场均适用。

Description

一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法
技术领域
本发明属于风电场技术领域，涉及风电场尾流测量方法，更具体涉及一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径优化方法，可以较好地平衡所测尾流场信息量与测量精度之间的矛盾，可用于指导激光雷达扫描测量风电场尾流的方案设计与实施。
背景技术
风电机组尾流效应会导致下游机组功率损失、疲劳载荷增加，影响整个风电场运行效益。对风电机组尾流特性的清晰认识，可在风电场规划建设初期优化机组排布方案、提高风能资源利用率；可在风电场运营期间，指导发展尾流控制技术，减小风电机组的尾流损失，提高风电场发电量。
近年来，风电机组尾流特性研究得到了学术界与行业的广泛关注。风电机组尾流特性研究方法包括解析模型、高精度数值模拟、风洞试验与外场实测。由于不同风电场所处风环境和机组排布方式差异较大，同时随着激光雷达技术的快速发展，基于激光雷达扫描测风技术的外场实测成为了风电场尾流研究中的重要手段。
激光雷达测风技术通过发射激光信号并接收空气中气凝胶颗粒反射的回波信号，利用多普勒频移原理，得到气凝胶颗粒随风移动的速度作为风速。进而将激光探头安装在角度控制云台上，可进行风速的扫描测量，从而可以得到空间范围内的风速场。由以上原理可知，激光雷达扫描测风得到的风速场并非同一时刻的风速分布，而是扫描周期内不同时刻风速的拼接。但自然风具有较强的波动性，不同时刻风速拼接形成的风速场存在一定程度的失真问题。如果扫描周期太短，将不能获得足够空间分辨率或者足够空间范围的尾流场，如果扫描周期太长，所测尾流场误差较大。因此，有必要规划适当的扫描路径，兼顾尾流场所含信息量与测量精度，才能达到测量预期目的。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明根据激光雷达测量原理、风电场机组分布、自然风波动特性，分别从雷达安装位置、扫描角度范围、扫描角度间隔、连续重复测量次数等四个维度综合研判，提出一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法。其中自然风在扫描周期内波动引起的测量结果误差本质上包含两部分来源，一部分是平均风速随时间变化引起的误差，其特点是随时间增加误差增大，另一部分是自然风湍流脉动引起的误差，其特点是随时间基本不变，而且可通过连续重复测量并平均处理得到减小。因此本发明提出的用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法，可以较好地平衡所测尾流场信息量与测量精度之间的矛盾，可用于指导激光雷达扫描测量风电场尾流的方案设计与实施。
(二)本发明为解决其技术问题所采用的技术方案
一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
SS1.确定激光雷达安装位置
首先，依据所测风电场历史风向数据，判断盛行风向，并根据盛行风向，将激光雷达安装在风电场的上风向或下风向位置；
其次，依据风电场现场安装条件，以激光雷达测量距离范围内风电机组数量最多为原则，将激光雷达探头的垂直高度设置在风电机组轮毂中心高度附近，同时尽可能避免安装在遮挡激光束的障碍物附近；
SS2.确定激光雷达扫描角度范围
激光雷达扫描角度包括竖直平面内的俯仰角和水平平面内的方位角，若激光雷达安装于与风电机组轮毂中心高度平齐，则激光雷达在竖直平面内的俯仰角为0度；若风电场不具备将激光雷达安装于与风电机组轮毂中心高度平齐的条件，则激光雷达在竖直平面内的俯仰角需根据所测机组距离激光雷达的水平距离和垂直距离确定，使得激光雷达的测量结果为所测机组轮毂高度的风速；
在激光雷达的方位角角度范围设置为不超过盛行风向±60°范围的前提下，依据风电场机组分布和障碍物遮挡区范围，进一步减小扫描角度范围，以缩短激光雷达的扫描周期，减小扫描周期内风速波动引起的误差，最终得到激光雷达的扫描角度范围γ；
SS3.确定激光雷达扫描角度间隔
依据激光雷达安装位置和风电场机组分布位置，计算获得激光雷达和机组间的最大距离L，激光雷达扫描角度间隔应当使距离激光雷达最远的机组风轮扫掠直径D范围内至少有3个数据点，激光雷达扫描角度间隔α利用α＝arctan(D/2L)计算得到；
SS4.确定连续重复测量次数
连续重复测量可以减小自然风湍流脉动引起的误差，但又增加平均风速随时间变化引起的误差，因此需要确定误差最小的连续重复测量次数，具体方法如下：
SS41.根据所测风电场的历史风速数据v(t)、历史风向数据θ(t)，按照不同连续重复测量次数n进行平均处理，得到新的风速数据vn(t)、风向数据θn(t)，进而对新的风速数据vn(t)、风向数据θn(t)计算固定时间间隔内的脉动误差，得到风速脉动误差随连续重复测量次数的变化规律εv′＝fv(n)以及风向脉动误差随连续重复测量次数的变化规律εθ′＝fθ(n)；
SS42.对所测风电场的历史数据风速v(t)、历史风向数据θ(t)进行固定时间间隔平均处理得到平均风速数据
Figure BDA0003721440090000041
平均风向数据
Figure BDA0003721440090000042
进而分别以平均风速的初始值
Figure BDA0003721440090000043
平均风向的初始值
Figure BDA0003721440090000044
为基准，计算平均风速数据
Figure BDA0003721440090000045
平均风向数据
Figure BDA0003721440090000046
随着时间变化的误差
Figure BDA0003721440090000047
Figure BDA0003721440090000048
SS43.根据激光雷达扫描测量的时间间隔Δt，连续重复测量次数n，扫描角度个数i，按照如下公式计算得到由于自然风波动引起的不同扫描角度i下的风速v(i,n)，
Figure BDA0003721440090000049
其中，gv(Δt·n·i)＝gv(t)为平均风速数据
Figure BDA00037214400900000410
随着时间变化的误差，gθ(Δt·n·i)＝gθ(t)为平均风向数据
Figure BDA00037214400900000411
随着时间变化的误差；
SS44.计算得到不同连续重复测量次数n下的扫描测量总体误差
Figure BDA00037214400900000412
其中
Figure BDA00037214400900000413
为扫描角度的总个数，找出总体误差最小时的连续重复测量次数。
优选地，所述步骤SS1中，激光雷达适宜安装在风电场的上风向或下风向位置，是由于激光雷达处于上风向或下风向时光束与来流方向相对夹角较小，测量精度较高。
优选地，所述步骤SS2中，扫描角度范围不宜超过盛行风向±60°范围，是由于激光雷达所测风速为真实风速在激光束方向上的分量，实测表明超过该角度范围所测结果误差较大，不宜采用，随着激光雷达测量技术的提高，该角度范围可能增加。
优选地，所述步骤SS2中，在该范围内依据风电场机组分布和障碍物遮挡区范围进一步适当减小扫描角度范围，指的是扫描角度范围内可能包含无机组的区域或者障碍物遮挡区域，这些无效区域对应的扫描角度可以去除，以缩短扫描周期，提高测量精度。
优选地，所述步骤SS1中，依据所测风电场历史风向数据，获得一年内的风向玫瑰图，根据风向玫瑰图判断所测风电场的盛行风向。
优选地，所述步骤SS3中，综合考虑激光雷达指向精度，激光雷达最小扫描角度间隔不宜小于0.5°。
优选地，所述步骤SS4中，所述固定时间间隔为10分钟左右。
(三)同现有技术相比，本发明显著的技术效果
本发明的用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法，从激光雷达扫描测风原理、风电场机组分布、自然风波动特性出发，按照确定激光雷达安装位置、确定激光雷达扫描角度范围、确定激光雷达扫描角度间隔、确定连续重复测量次数四个步骤提出了一种兼顾测量信息量和测量精度的激光雷达扫描路径规划方法，可为激光雷达扫描测量风电场尾流方案设计提供科学指导。本方法对陆上与海上风电场均适用。
附图说明
图1为激光雷达扫描测风方案示意图；
图2为风电场历史风速风向数据示意图，其中，(a)为风速随时间变化示意图，(b)为风向随时间变化示意图；
图3为风速风向脉动误差随连续重复测量次数变化示意图，其中，(a)为风速脉动误差随平均次数变化示意图，(b)为风向脉动误差随平均次数变化示意图；
图4为平均风速风向随时间变化引起的误差示意图，其中，(a)为风速随时间变化引起的误差示意图，(b)为风向随时间变化引起的误差示意图；
图5为扫描测量总体误差随连续重复测量次数变化示意图。
其中附图标记含义如下：
1-盛行风向，2-激光雷达，3-风电机组。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案更加清楚明白，以下具体实施案例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实例应用于一个5×5阵列排布形式的海上风电场，如图1所示，风电场中各风电机组3的间距为1000米，风轮直径D＝160米，轮毂中心高度120米，激光雷达2的径向测量距离Lr为6000米，按照本发明提出的激光雷达扫描路径规划方法，风电场尾流测量方案可参照如下步骤设计：
1确定激光雷达安装位置
依据所测风电场历史风向数据，获得一年内的风向玫瑰图，判断盛行风向1为西北偏北向，由于海上没有其它平台可用于安装激光雷达，因此选择将激光雷达2安装于下风向末排机组的机舱顶部平台上，以激光雷达测量距离范围内风电机组数量最多为原则，确定激光雷达2所安装的机位。
2确定激光雷达扫描角度范围
由于激光雷达安装于机舱顶部平台，近似与轮毂中心高度相同，则扫描俯仰角为0°。方位角角度范围以盛行风向为中心，分别顺时针和逆时针扩展60°，得到方位角范围γ＝120°。
SS3确定激光雷达扫描角度间隔
依据激光雷达安装位置和风电场机组分布位置，计算获得激光雷达和机组间的最大距离L＝5000米，角度间隔使距离激光雷达最远的机组风轮扫掠直径D＝100米范围内至少3个数据点，计算得角度间隔α＝arctan(D/2L)＝0.92°，为使方位角范围是角度间隔的整数倍，最终角度间隔取1°；
4确定连续重复测量次数
连续重复测量可以减小自然风湍流脉动引起的误差，但又增加平均风速随时间变化引起的误差，因此需要确定误差最小的连续重复测量次数，具体方法如下：
4.1根据风电场历史风速风向数据v(t),θ(t)，如图2所示，按照不同连续重复测量次数n进行平均处理，得到新的风速风向数据vn(t),θn(t)，进而对vn(t),θn(t)计算10分钟内的脉动误差，得到风速风向脉动误差随连续重复测量次数的变化规律εv′＝fv(n)，εθ′＝fθ(n)，如图3所示；
4.2对历史风速风向数据v(t),θ(t)进行10分钟平均处理得到平均风速风向数据
Figure BDA0003721440090000071
进而以初始值为基准，计算平均风速风向
Figure BDA0003721440090000072
随着时间变化的误差
Figure BDA0003721440090000073
如图4所示；
4.3根据激光雷达扫描测量的时间间隔Δt＝1(s)，连续重复测量次数n，扫描角度个数i，按照如下公式计算得到由于自然风波动引起的不同扫描角度i下的风速，
Figure BDA0003721440090000074
4.4计算得到不同连续重复测量次数n下的扫描测量总体误差
Figure BDA0003721440090000081
如图5所示，其中
Figure BDA0003721440090000082
为扫描角度的总个数，找出总体误差最小时的连续重复测量次数为5次。
以上实例的激光雷达扫描测量风电场尾流方案总结如下，激光雷达安装在下风向末排机组的机舱顶部平台，俯仰角为0°不变，方位角为盛行风向±60°范围，扫描角度间隔为0°，每个角度测量与激光扫描移动时间累积为1s，连续测量次数为5次，则完成一次风电场尾流扫描测量需要10分钟。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
SS1.确定激光雷达安装位置
首先，依据所测风电场历史风向数据，判断盛行风向，并根据盛行风向，将激光雷达安装在风电场的上风向或下风向位置；
其次，依据风电场现场安装条件，以激光雷达测量距离范围内风电机组数量最多为原则，将激光雷达探头的垂直高度设置在风电机组轮毂中心高度附近，同时尽可能避免安装在遮挡激光束的障碍物附近；
SS2.确定激光雷达扫描角度范围
激光雷达扫描角度包括竖直平面内的俯仰角和水平平面内的方位角，若激光雷达安装于与风电机组轮毂中心高度平齐，则激光雷达在竖直平面内的俯仰角为0度；若风电场不具备将激光雷达安装于与风电机组轮毂中心高度平齐的条件，则激光雷达在竖直平面内的俯仰角需根据所测机组距离激光雷达的水平距离和垂直距离确定，使得激光雷达的测量结果为所测机组轮毂高度的风速；
在激光雷达的方位角角度范围设置为不超过盛行风向±60°范围的前提下，依据风电场机组分布和障碍物遮挡区范围，进一步减小扫描角度范围，以缩短激光雷达的扫描周期，减小扫描周期内风速波动引起的误差，最终得到激光雷达的扫描角度范围γ；
SS3.确定激光雷达扫描角度间隔
依据激光雷达安装位置和风电场机组分布位置，计算获得激光雷达和机组间的最大距离L，激光雷达扫描角度间隔应当使距离激光雷达最远的机组风轮扫掠直径D范围内至少有3个数据点，激光雷达扫描角度间隔α利用α＝arctan(D/2L)计算得到；
SS4.确定连续重复测量次数
确定平均风速随时间变化引起的误差最小的连续重复测量次数，具体步骤如下：
SS41.根据所测风电场的历史风速数据v(t)、历史风向数据θ(t)，按照不同连续重复测量次数n进行平均处理，得到新的风速数据vn(t)、风向数据θn(t)，进而对新的风速数据vn(t)、风向数据θn(t)计算固定时间间隔内的脉动误差，得到风速脉动误差随连续重复测量次数的变化规律εv′＝fv(n)以及风向脉动误差随连续重复测量次数的变化规律εθ′＝fθ(n)；
SS42.对所测风电场的历史数据风速v(t)、历史风向数据θ(t)进行固定时间间隔平均处理得到平均风速数据
Figure FDA0003721440080000021
平均风向数据
Figure FDA0003721440080000022
进而分别以平均风速的初始值
Figure FDA0003721440080000023
平均风向的初始值
Figure FDA0003721440080000024
为基准，分别计算平均风速数据
Figure FDA0003721440080000025
平均风向数据
Figure FDA0003721440080000026
随着时间变化的误差
Figure FDA0003721440080000027
Figure FDA0003721440080000028
SS43.根据激光雷达扫描测量的时间间隔Δt，连续重复测量次数n，扫描角度个数i，按照如下公式计算得到由于自然风波动引起的不同扫描角度i下的风速v(i,n)，
Figure FDA0003721440080000029
其中，gv(Δt·n·i)＝gv(t)为平均风速数据
Figure FDA00037214400800000210
随着时间变化的误差，gθ(Δt·n·i)＝gθ(t)为平均风向数据
Figure FDA00037214400800000211
随着时间变化的误差；
SS44.计算得到不同连续重复测量次数n下的扫描测量总体误差
Figure FDA0003721440080000031
其中
Figure FDA0003721440080000032
为扫描角度的总个数，找出总体误差最小时的连续重复测量次数。
2.根据权利要求1所述的确定激光雷达安装位置，其特征在于：所述步骤SS1中，依据所测风电场历史风向数据，获得一年内的风向玫瑰图，根据风向玫瑰图判断所测风电场的盛行风向。
3.根据权利要求1所述的确定激光雷达安装位置，其特征在于：所述步骤SS3中，综合考虑激光雷达的指向精度，激光雷达最小扫描角度间隔不小于0.5°。
4.根据权利要求1所述的确定激光雷达安装位置，其特征在于：所述步骤SS4中，所述固定时间间隔为10分钟左右。
CN202210762505.6A 2022-06-29 2022-06-29 一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法 Pending CN115203622A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210762505.6A CN115203622A (zh) 2022-06-29 2022-06-29 一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210762505.6A CN115203622A (zh) 2022-06-29 2022-06-29 一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115203622A true CN115203622A (zh) 2022-10-18

Family

ID=83577254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210762505.6A Pending CN115203622A (zh) 2022-06-29 2022-06-29 一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115203622A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117108447A (zh) * 2023-08-24 2023-11-24 华能会理风力发电有限公司 一种基于测风激光雷达的多机组控制方法和***

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117108447A (zh) * 2023-08-24 2023-11-24 华能会理风力发电有限公司 一种基于测风激光雷达的多机组控制方法和***

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bromm et al. Field investigation on the influence of yaw misalignment on the propagation of wind turbine wakes
Lackner et al. An analytical framework for offshore wind farm layout optimization
Menke et al. Does the wind turbine wake follow the topography? A multi-lidar study in complex terrain
Schneemann et al. Offshore wind farm global blockage measured with scanning lidar
Borraccino et al. Wind field reconstruction from nacelle-mounted lidar short-range measurements
CN108953060A (zh) 基于激光雷达测风仪的风电场场级偏航控制方法
CN109376389A (zh) 一种基于2D_k Jensen模型的三维尾流数值模拟方法
CN106845018B (zh) 风电场对气象雷达降雨量影响的分析与定量化评估方法
Bardal et al. Performance test of a 3MW wind turbine–effects of shear and turbulence
Cañadillas et al. Offshore wind farm cluster wakes as observed by long-range-scanning wind lidar measurements and mesoscale modeling
CN114357571A (zh) 建成建筑环境下大气边界层风场特性的反演方法和***
CN109973330A (zh) 一种上游风机尾流对下游风机影响情况的检测方法
CN115203622A (zh) 一种用于风电场尾流测量的激光雷达扫描路径规划方法
Barthelmie et al. Best practice for measuring wind speeds and turbulence offshore through in-situ and remote sensing technologies
CN115693666B (zh) 基于卫星反演的海上风电场发电量确定方法及***
Xie et al. Sensing wind for environmental and energy applications
Shimada et al. Validation of near‐shore wind measurements using a dual scanning light detection and ranging system
CN116557224A (zh) 基于激光雷达测风仪的风电机组偏航误差计算方法
Cañadillas et al. Offshore wind farm cluster wakes as observed by a long-range scanning wind lidar
Pitter et al. Lidar and computational fluid dynamics for resource assessment in complex terrain
CN111980857A (zh) 风电场的闭环控制方法及其装置及计算机可读存储介质
Wang et al. Profiles of Wind and Turbulence in the Coastal Atmospheric Boundary Layer of Lake Erie
Stickland et al. CFD Technique for Estimating Flow Distortion Effects on Lidar Measurements When Made in Complex Flow Fields
Kouso et al. Evaluating Turbine Wake Dynamics in Complex Terrain with a Scanning LiDAR Device
Duncan Jr Wind plant optimization opportunities based on scanning-based measurements and advanced measurement analysis techniques

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination