一种多重测风系统设计方法、多重测风系统及校准方法

技术领域

本发明涉及抗台风型风力发电机组的技术领域，尤其是指一种多重测风系统设计方法、多重测风系统及校准方法。

背景技术

现有抗台风型风力发电机组在抵抗台风时通常采用两种方式，一是设计非常强的部件强度以抵抗台风，但采用这种方式的将导致塔架、叶片和关键零部件非常厚实，重量非常重，成本极高，极大地提高风力发电的度电成本；另外一种则是通过台风期间风力发电机组主动偏航对风，将塔架、叶片和关键零部件的载荷大大降低，使得塔架、叶片和关键零部件的强度和重量要求降低，可以缩减机组成本。而随着海上风力发电机组的平价时代进一步要求，主动偏航对风抗台是更加经济实用的技术方案。若要实时跟踪风向变化，需要保障测风系统(风向传感器)的对风精度以及减少测风系统受到的干扰。由于测风系统的安装支架位于叶片的后方，叶片的遮挡会让测风系统捕风的角度发生偏差，导致现有的测风系统感知风向能力差，测风精度低。同时测风系统是通过安装支架固定在风力发电机组叶片后方机顶平台的加高栏杆上。因为机顶平台一般是焊接结构，其尺寸精度不高，而测风系统的安装支架一般也是焊接结构，其安装后累计误差较大，所以导致测风系统的固定位置存在较大的机械偏差，进而导致测风系统初始机械零位设置存在偏差。由于初始机械安装偏差以及叶片遮挡偏差的存在，导致主动偏航抗台追风的风向误差较大，严重影响台风工况下风机追风降载的安全性，缩短风机寿命，无形增加了机组的成本。当风力发电机机组需要对风捕捉优质风力时，由于风向偏差存在，导致捕风过程存在浪费，不能获取最优质方位的风力，机组的发电量损失。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗台风力发电机组多重测风系统设计方法，通过合理设计多重测风系统，降低叶片遮挡导致的风向偏差，提高风力发电机组感知风向的能力，提高测风精度。

本发明的第二目的在于提供一种抗台风力发电机组多重测风系统。

本发明的第三目的在于提供一种抗台风力发电机组多重测风系统的校准方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：

一种抗台风力发电机组多重测风系统设计方法，包括，

S1、将多组风向传感器按照矩阵结构布置于风力发电机组的机顶平台尾部，且该矩阵结构以机顶平台的机舱中轴线对称设置；

S2、构建仿真三维模型，基于矩阵形式布置的多组风向传感器进行流场仿真计算，计算出包含高度方向风向规律、流向方向风向规律、垂直流向风向规律、各风向传感器监测点风向稳定性的多维度风向仿真信息；

S3、根据多维度风向仿真信息计算出各监测点的风向测量偏差符合率；

S4、基于各监测点风向测量偏差符合率，结合以机舱中轴线呈对称分布的两个监测点组合数据叠加互补的方式确定至少四个风向传感器优选列；

S5、基于确定的风向传感器优选列，根据以机舱中轴线呈对称分布的两个监测点组合的风向测量偏差符合率，结合风向传感器的安全维护高度确定至少一个风向传感器优选行，从而得到包括多组风向传感器的多重测风系统。

进一步，在步骤S1中，多组风向传感器呈m行n列的矩阵结构布置，其中，m为≥2的自然数，n为≥2的自然数，若n为偶数，矩阵结构以机舱中轴线对称布置；若n为奇数，第(n+1)/2列位于机顶平台的机舱中轴线上，相邻两行风向传感器之间间距为Hm，相邻两列风向传感器之间间距为Yn。

进一步，风向传感器的安装高度最低点为H0，以风力发电机组的叶片收桨且其中任一叶片呈竖直朝上状态为例，与风向传感器的安装高度最低点H0处于同一水平面的叶片截面厚度为d0，d0为95％D，其中，D为叶片叶根截面厚度，风向传感器的安装高度最高点为H1，与风向传感器的安装高度最高点H1处于同一水平面的叶片截面厚度为d1，d1为86％D。

进一步，在步骤S2中，具体执行以下操作：

构建仿真三维模型，定义风向角α和叶片方位角β及其各自坐标系规定，其中，风向角α为风向与机舱轮毂连线的夹角，叶轮右侧来风时为正，叶片方位角β为叶片轴线与风轮旋转面内过轮毂中心垂线的夹角，叶片顺时针旋转时为正；

基于流体动力学仿真软件进行风力机流体数值模拟，采用雷诺平均法，k-w湍流模型，其中流体运动满足流体的基本连续方程和动量守恒定律；

设置稳定台风工况边界条件，定义合适的风向角α和叶片方位角β的组合工况，基于矩阵形式布置的风向传感器进行流场仿真计算，计算出包含高度方向风向规律、流向方向风向规律、垂直流向风向规律、各风向传感器监测点风向稳定性的多维度风向仿真信息。

进一步，在步骤S4中，具体执行以下操作：

各监测点风向测量偏差符合率中，符合预设符合率要求的监测点以机舱中线为中心线呈左右对称分布，随着监测点高度的增加，满足预设符合率要求的工况数量逐渐增加，从机舱中线向两侧延伸的监测点，满足预设符合率要求的工况数量也逐渐增加，根据各监测点风向测量偏差符合率，将以机舱中轴线呈左右对称分布的两个监测点视为一个监测点组合，将两个对应的监测点数据进行叠加互补，筛选出多列满足预设符合率要求的监测点，接着筛选出列组合与列组合之间间距满足预设要求的列组合，从而确定出至少四个风向传感器优选列。

进一步，在步骤S5中，具体执行以下操作：

基于确定的风向传感器优选列，根据每个以机舱中轴线呈对称分布的两个监测点组合的风向测量偏差符合率，筛选出两个对应的监测点风向测量偏差符合率均符合设定要求的预设数量的组合，计算每个组合中两个监测点的整体均值与标准差，筛选出整体均值与标准差均符合设定要求的预设数量的组合，剔除不符合风向传感器安全维护高度的组合，从而确定出至少一个风向传感器优选行。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：

一种抗台风力发电机组多重测风系统，通过上述抗台风力发电机组多重测风系统设计方法设计得出。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：

一种抗台风力发电机组多重测风系统的校准方法，该方法基于风力发电机组机顶平台上两根平台支撑柱的螺栓加工配合面的中心点连线与风力发电机组的中心线相互垂直的原理，将两根平台支撑柱的螺栓加工配合面的中心点连线作为基准线，利用测风校准设备发出两条相互垂直的激光光线，使其中一条激光光线与基准线重合，使另一条激光光线垂直打到待校准的多重测风系统上，根据另一条激光光线来校准多重测风系统，实现多重测风系统的风向校准。

进一步，具体步骤如下，

S1、将测风校准设备放置于机顶平台上，并位于两根平台支撑柱之间或两根平台支撑柱的一侧；

S2、开启测风校准设备的激光水平仪使其发出两条相互垂直的激光光线，其中一条为向左右方向发射的激光光线，另一条为向前后方向发射的激光光线；

S3、通过测风校准设备的云台调整激光水平仪，使其向左右方向发射的激光光线与基准线重合，通过测风校准设备的云台和双滑道滑轨组件微调激光水平仪，使其向前后方向发射的激光光线垂直打到多重测风系统的机身上；

S4、根据向前后方向发射的激光光线校准多重测风系统，实现多重测风系统的风向校准。

进一步，所述测风校准设备包括激光水平仪、云台、双滑道滑轨组件和三脚架，所述双滑道滑轨组件设置于三脚架的顶部，该双滑道滑轨组件包括双滑道滑轨、上滑块以及下滑块，所述双滑道滑轨上形成有呈上下平行布置的上滑道和下滑道，所述上滑块设置于双滑道滑轨的顶部，并与上滑道滑动配合，所述下滑块设置于双滑道滑轨的底部，并与下滑道滑动配合，所述下滑块与三脚架的顶部连接，所述云台设置于双滑道滑轨组件的顶部，其底部与上滑块连接，所述激光水平仪设置于云台上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明采用矩阵结构布置风向传感器，并采用仿真拟合和试验验证求解的方法计算出最合适的多组风向传感器组合，有效降低叶片遮挡导致的风向偏差，减少风向传感器所受到的干扰，提高风向获取的准确性，提高风力发电机组感知风向的能力，实现智能精准偏航，保证偏航误差，降低机组载荷和提升发电量。

2、本发明的校准方法基于机组本身的基准直接对多组风向传感器校准，不受风向传感器安装支架焊接精度与安装精度的影响，统一风向基准，削减多组风向传感器的初始机械零位偏差，能够进一步提高风力发电机机组风向感知的精度，减少发电工况对风偏差导致的发电量损失，提高台风工况下风机追风降载的安全性，增强机组台风期间的生产能力。

附图说明

图1为多重测风系统设计方法的流程图。

图2为在机顶平台布置风向传感器的示意图。

图3为风向传感器按照矩阵结构布置的示意图。

图4为风力发电机组叶片各截面叠加示意图。

图5为风向角α的示意图。

图6为叶片方位角β的示意图。

图7为采用多重测风系统设计方法得到的多重测风系统的示意图。

图8为测风校准设备安装在两个支撑柱之间的示意图。

图9为测风校准设备安装在两个支撑柱一侧的示意图。

图10为测风校准设备的结构示意图。

图11为双滑道滑轨组件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种抗台风力发电机组多重测风系统设计方法，包括，

S1、将多组风向传感器按照矩阵结构布置于风力发电机组的机顶平台尾部，且该矩阵结构以机顶平台的机舱中轴线对称设置；

具体的，多组风向传感器呈m行n列的矩阵结构布置，其中，m为≥2的自然数，n为≥2的自然数，若n为偶数，矩阵结构2以机舱中轴线3对称布置；若n为奇数，第(n+1)/2列位于机顶平台4的机舱中轴线3上，相邻两行风向传感器之间间距为Hm，相邻两列风向传感器之间间距为Yn；

如图2～图4所示，以风力发电机组的叶片收桨且其中任一叶片1呈竖直朝上状态为例，由于叶片从叶根往叶尖方向逐渐变细，为了降低叶根遮挡，可将风向传感器距机顶平台4的安装高度H提高，同时由于风向传感器需要安装维护，需保障其安装支架强度，安装高度不能非常高。基于此，设定风向传感器的安装高度最低点为H0，与风向传感器的安装高度最低点H0处于同一水平面的叶片截面厚度为d0，其与叶根截面6厚度D有相对厚度关系，d0为95％D，风向传感器的安装高度最高点为H1，与风向传感器的安装高度最高点H1处于同一水平面的叶片截面5厚度为d1，其与叶根截面厚度D有相对厚度关系，d1为86％D。

S2、构建仿真三维模型，基于矩阵形式布置的多组风向传感器进行流场仿真计算，计算出包含高度方向风向规律、流向方向风向规律、垂直流向风向规律、各风向传感器监测点风向稳定性的多维度风向仿真信息；具体执行以下操作：

构建仿真三维模型，定义风向角α和叶片方位角β及其各自坐标系规定，其中，如图5所示，风向角α为风向与机舱轮毂连线的夹角，叶轮右侧来风时为正，如图6所示，叶片方位角β为叶片轴线与风轮旋转面内过轮毂中心垂线的夹角，叶片顺时针旋转时为正；

基于流体动力学仿真软件进行风力机流体数值模拟，采用雷诺平均法，k-w湍流模型，其中流体运动满足流体的基本连续方程和动量守恒定律；

设置稳定台风工况边界条件，定义合适的风向角α和叶片方位角β的组合工况，基于矩阵形式布置的风向传感器进行流场仿真计算，计算出包含高度方向风向规律、流向方向风向规律、垂直流向风向规律、各风向传感器监测点风向稳定性的多维度风向仿真信息。

S3、根据多维度风向仿真信息计算出各监测点的风向测量偏差符合率；

S4、基于各监测点风向测量偏差符合率，结合以机舱中轴线呈对称分布的两个监测点组合数据叠加互补的方式确定至少四个风向传感器优选列；具体执行以下操作：

各监测点风向测量偏差符合率中，符合预设符合率要求的监测点以机舱中线为中心线呈左右对称分布，随着监测点高度的增加，满足预设符合率要求的工况数量逐渐增加，从机舱中线向两侧延伸的监测点，满足预设符合率要求的工况数量也逐渐增加，根据各监测点风向测量偏差符合率，将以机舱中轴线呈左右对称分布的两个监测点视为一个监测点组合，将两个对应的监测点数据进行叠加互补，筛选出多列满足预设符合率要求的监测点，接着筛选出列组合与列组合之间间距满足预设要求的列组合，从而确定出至少四个风向传感器优选列。

S5、基于确定的风向传感器优选列，根据以机舱中轴线呈对称分布的两个监测点组合的风向测量偏差符合率，并结合风向传感器的安全维护高度确定至少一个风向传感器优选行，从而得到包括多组风向传感器的多重测风系统；具体执行以下操作：

基于确定的风向传感器优选列，根据每个以机舱中轴线呈对称分布的两个监测点组合的风向测量偏差符合率，筛选出两个对应的监测点风向测量偏差符合率均符合设定要求的预设数量的组合，计算每个组合中两个监测点的整体均值与标准差，筛选出整体均值与标准差均符合设定要求的预设数量的组合，剔除不符合风向传感器安全维护高度的组合，从而确定出至少一个风向传感器优选行。

本实施例以4行9列的矩阵结构为例，采用本实施例的设计方法计算出矩阵结构中各监测点的风向测量偏差符合率，如下表1所示。

表1各监测点风向测量偏差符合率统计表

结果显示，监测点符合要求工况的情况呈两侧对称分布；随着监测点高度的增加，满足要求的工况数量逐渐增加；从机舱中轴线(第5列)向两侧延伸的监测点，其满足要求的工况数量也逐渐增加。根据各监测点风向测量偏差符合率，将以机舱中轴线呈左右对称分布的两个监测点视为一个监测点组合，结合呈左右对称分布的监测点组合数据叠加互补的方式，因此采用第1列+第9列，第2列+第8列，第3列+第7列，第4列+第6列组合的方式。为进一步降低叶片遮挡的影响，提高风向测量的准确性，随风轮转动，不同列位置监测点受叶片遮挡影响随时序周期变化，当任一列监测点被叶片遮挡时，由于叶片面积较大，其相邻列位置较近，也有可能被遮挡，因此筛选时，应筛选出列组合与列组合之间间距越大、差异越明显的多个列组合，可以有效提高风向识别精度，通过观察可知，第1列+第9列与第4列+第6列之间的间距满足上述要求，因此剔除第2列+第8列、第3列+第7列，最终确定优选列第1列+第9列、第4列+第6列的风向传感器。

而高度方向，确定的优选列中包括多个组合，监测点D1+监测点D9组合、监测点D4+监测点D6组合、监测点C1+监测点C9组合、监测点C4+监测点C6组合、监测点B1+监测点B9组合、监测点B4+监测点B6组合、监测点A1+监测点A9组合、监测点A4+监测点A6组合，首先筛选出两个对应的监测点中风向测量偏差符合率相对较高的多个组合，组合数量可以根据实际需求设定，接着计算每个组合中两个监测点的整体均值与标准差，筛选出整体均值相对越大以及标准差相对越小的多个组合，组合数量可以根据实际需求设定，本实施例以4个为例，具体为监测点D1+监测点D9组合、监测点D4+监测点D6组合、监测点C1+监测点C9组合、监测点C4+监测点C6组合，结合风向传感器安全维护高度(维护高度不宜过高，过高攀爬维护困难且危险，考虑到没有接受过特殊训练的普通人从高处跳下的极限高度一般为4米，若个人身高1.7米，伸臂可触及高度近2.2米，离极顶平台的最高作业高度为6.2米；结合风力发电机组直升飞机悬停机顶平台下放物件或人员的最低安全距离一般为6米以上，综合考虑，风向传感器安全维护高度应在6米以下)，剔除不符合风向传感器安全维护高度的组合监测点D1+监测点D9、监测点D4+监测点D6，从而确定出最终的优选行，从而得到包括监测点C1+监测点C9、监测点C4+监测点C6共四点的多组风向传感器的多重测风系统，如图7所示。

实施例2：

本实施例提供了一种抗台风力发电机组多重测风系统，通过上述抗台风力发电机组多重测风系统设计方法设计得出。

实施例3：

本实施例提供了一种抗台风力发电机组多重测风系统的校准方法，包括，该方法基于风力发电机组机顶平台上两根平台支撑柱的螺栓加工配合面的中心点连线与风力发电机组的中心线相互垂直的原理，将两根平台支撑柱的螺栓加工配合面的中心点连线作为基准线，利用测风校准设备发出两条相互垂直的激光光线，使其中一条激光光线与基准线重合，使另一条激光光线垂直打到待校准的多重测风系统上，根据另一条激光光线来校准多重测风系统，实现多重测风系统的风向校准。

进一步，该方法需配置有测风校准设备，具体步骤如下：

S1、如图8、图9所示，将测风校准设备7放置于机顶平台上，并位于两根平台支撑柱8之间或两根平台支撑柱8的一侧；

S2、开启测风校准设备的激光水平仪使其发出两条相互垂直的激光光线，其中一条为向左右方向发射的激光光线9，另一条为向前后方向发射的激光光线10；

S3、通过测风校准设备的云台调整激光水平仪，使其向左右方向发射的激光光线与基准线重合，通过测风校准设备的云台和双滑道滑轨组件微调激光水平仪，使其向前后方向发射的激光光线垂直打到多重测风系统的机身上；

其中，基准线的测量方法为：采用直角尺以中垂线交点法找出机顶平台上两根平台支撑柱的螺栓加工配合面的中心点，标记两个中心点并连线作为基准线；

S4、根据向前后方向发射的激光光线校准多重测风系统，实现多重测风系统的风向校准。

如图10、图11所示，测风校准设备7包括激光水平仪701、云台702、双滑道滑轨组件和三脚架706，双滑道滑轨组件安装于三脚架706的顶部，该双滑道滑轨组件包括双滑道滑轨703、上滑块704以及下滑块705，双滑道滑轨703上形成有呈上下平行布置的上滑道和下滑道，上滑块704安装于双滑道滑轨703的顶部，并与上滑道滑动配合，下滑块705安装于双滑道滑轨703的底部，并与下滑道滑动配合，下滑块705与三脚架706的顶部连接，云台702安装于双滑道滑轨组件的顶部，其底部与上滑块704连接，激光水平仪701安装于云台702上，通过云台调整激光水平仪的水平与光线发射方向。

进一步的，激光水平仪的顶部以及双滑道滑轨组件的两侧均设置有水平仪707，用于保障校准设备的水平布置。

进一步的，云台上设置有用于防止晃动的握持把手708，云台内部内置阻尼，能够保障激光水平仪的平稳性。在风场调试时风机晃动的情况下，利用云台内部阻尼结合握持把手，可保障风向校准时光线的平稳均匀随动测量，提高测量的可靠性。

本实施例采用的激光水平仪具备十二线光束投射能力，能够实现横向面、纵向面和水平面的光幕构筑，该激光水平仪集成有用于在激光水平仪倾斜角度小于设定角度(如3°)时自动安平调整激光水平仪的自动安平模块以及用于当激光水平仪倾斜角度大于等于设定角度(如3°)时报警提醒的报警模块，通过自动安平模块，结合水平仪的调平功能，最大程度提高设备的光线基准的准确度，提高校准设备的校准精度。

综上所述，本实施例能够基于风力发电机组上合适的机械基准位置(如以机顶平台上两个支撑柱的螺栓加工配合面为基准面)，对多重测风系统不同位置的风向传感器进行统一基准零位调整。通过上滑道和下滑道的移动能够实现激光水平仪对准微调，通过双滑块的设计实现双倍大量程位移调整，以及实现激光水平仪架设后多重测风系统的快速调节。通过测风校准设备与多重测风系统互补，进一步提高风力发电机组感知风向的能力，降低叶片遮挡导致的风向偏差，提高测风精度。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。