面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，建立了海上风力发电机叶片旋转遮挡模型，确定了风力发电机叶片旋转时雷达探测遮蔽区域面积的计算方法；然后根据风力发电机与雷达及航道之间的距离，建立雷达扫描风力发电机塔筒时形成盲区的计算模型，对雷达的主要探测特性能及可能产生的影响进行计算和分析，有助于掌握海上风电场对雷达探测信号的影响程度，可为海上风电场选址、布置及优化提供依据，同时也有利于海事监管部门精准识别雷达盲区及重点监测通航水域，可有效减小雷达探测盲区的通航安全隐患，为海上风电场水域的多形式协同安全监管提供参考。水域的多形式协同安全监管提供参考。水域的多形式协同安全监管提供参考。

【技术实现步骤摘要】
面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法


[0001]本专利技术涉及到海上风电场技术及雷达
，具体涉及到面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法。

技术介绍

[0002]我国大陆海岸线长达1.8万km，海上风能资源储备丰富，海上风电产业发展优势显著。据统计，我国近海水深在5～25m范围内50m高度风电开发潜力约200GW，水深在25～50m范围内的风电资源可开发量则达320GW。海上风电年平均利用小时数约2500h，比陆上风电高出约500h。虽然我国海上风电产业起步较晚，但凭借海上资源丰富、稳定等优势，近年来已进入发展快车道。自2010年我国首座、也是亚洲首座大型海上风电场——东海大桥海上风电场并网发电以来，经10多年的探索与快速发展，如今我国已成为名副其实的海上风电大国。2020年，我国海上风电新增装机量占全球的50.45%，位居世界第一。截至2020年底，我国海上风电累计装机容量占全球的28.12%，超过德国，仅次于英国，成为全球第二大海上风电市场。
[0003]根据《海上风电开发建设管理办法》的相关规定，海上风电场应当按照生态文明建设要求，统筹考虑开发强度和资源环境承载能力，原则上应在离岸距离不少于10km、滩涂宽度超过10km时海域水深不得少于10m的海域布局。通常，海上风电工程选址水深条件较好，其需做好自身保障与防护的同时，也需配备有效的监管、警示设备，防止船舶误入海上风电场。由于海上风电场通常占地范围广、风力发电机尺寸大且转速高，海上风电场建设有可能影响附近雷达探测海上目标的能力，对于海事安全监管造成一定的影响。近年来，由于在海上风电工程规划、设计阶段对雷达探测影响分析不足，而在被迫在后期调整海上风电场布置方案的工程案例频频出现，这将对海上风电工程建设实施进度造成巨大影响，也会造成前期投入资源的浪费。因此，在科学、合理布置海上风电场的过程中，精准评估海上风电场工程对雷达探测性能的影响程度显得至关重要。
[0004]中国专利技术专利申请（公开号：CN111796244A）在2020年公开了一种海上风电场对地波超视距雷达探测效能影响的评估方法，根据地波超视距雷达参数以及风电场的预选区域展开场景分析，筛选出需重点分析的对象；根据提供的风电机组参数建立风机电磁模型，实现单台风力发电机电磁模型的建立；按照拟建风电场风机经纬度坐标与雷达相对位置信息，在FEKO电磁计算软件中建阵列、建场景模型，对遮挡影响进行分析；计算单台风力发电机设备在不同状态下的RCS变化；多普勒频率的影响进行分析；推导多径效应理论公式；场景实测等效，电磁环境噪声数据，评估出风电场影响范围。该专利技术通过电磁模型的建立能够评价风电场的对电磁波的影响，但是对于风力发电机叶片旋转、风力发电机本身对雷达遮蔽的影响分析较少，而且其评价结果难以作为海上风电工程布置及航道布置的全面参考。
[0005]《雷达与对抗》2016年第36卷第1期公开了论文“海上风电场对岸基警戒雷达遮挡影响计算分析”，文中对风电场对雷达遮挡影响的理论计算分析主要利用雷达波绕射模型计算雷达的遮挡衰减值，然后从对岸基雷达距离、方位和高度等3个方面计算分析遮挡影响
的结果，从而评估风电场工程对雷达系统的遮挡影响效果。这种方式主要用于对已知某风电场的评估，没有考虑风力发电机叶片旋转的影响及最大影响距离计算，不能够在海上风电场规划阶段优化海上风力发电机的布置。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，利用几何法分析海上风电场对雷达遮挡的影响。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，包括设置在海上风电场中的风力发电机，以及设置在所述海上风电场附近的航道、雷达站；所述模型构建方法包括如下步骤：步骤一：获取所述雷达站中雷达的类型及基本参数，获取所述海上风电场中风力发电机的设计参数；步骤二：评估所述风力发电机叶片旋转对所述雷达电磁波遮挡的影响，首先确定雷达扫掠单台风力发电机时叶片产生的旋转角度，其次结合雷达旋转角度确定风力发电机叶片旋转遮挡雷达电磁波的面积S，并得到雷达扫描单台风力发电机时叶片所在平面内一定不会产生遮挡区域的百分比；步骤三：评估步骤二中风力发电机叶片旋转对所述雷达电磁波遮挡的影响后，根据风力发电机与雷达及航道之间的距离，建立雷达扫描风力发电机塔筒时形成盲区的计算模型，包括确定雷达由于风力发电机塔筒遮挡对雷达探测产生的阴影径向距离d和阴影面积，得到风力发电机对航道影响的盲区距离e和风力发电机对雷达探测影响的角度α；，其中，为风力发电机塔筒的半径，d1为雷达与风力发电机间的水平距离，d2为风力发电机与航道间的水平距离。
[0008]步骤四：根据雷达的基本参数，以及可接受的雷达探测盲区大小和影响角度，反推风力发电机与雷达站之间的距离和风力发电机与航道之间的距离，确定风力发电机和航道设置的位置是否合理，以及是否需要增设其他形式协同监管设备。
[0009]对于已规划或拟建的海上风电场，根据步骤二和步骤三中的计算模型分析风力发电机叶片和风力发电机对雷达遮蔽以及航道盲区的影响，判断是否需要优化风力发电机位置或是否需要补充协同监管设施。
[0010]本构建方法通过对雷达和风力发电机参数的分析，建立了海上风力发电机叶片旋转遮挡模型，确定了风力发电机叶片旋转时雷达探测遮蔽区域面积的计算方法；然后根据风力发电机与雷达及航道之间的距离，建立雷达扫描风力发电机塔筒时形成盲区的计算模型，对雷达的主要探测特性能及可能产生的影响进行计算和分析，有助于掌握海上风电场对雷达探测信号的影响程度，可为海上风电场选址、布置及优化提供依据，同时也有利于海事监管部门精准识别雷达盲区及重点监测通航水域，可有效减小雷达探测盲区的通航安全隐患，为海上风电场水域的多形式协同安全监管提供参考。
[0011]由于风力发电机叶片的尺寸较大而且通常会持续旋转，因此先行判断风力发电机叶片旋转对雷达遮蔽的影响，再进行风力发电机塔筒对雷达遮蔽的影响分析，在确定出风力发电机对航道影响的盲区距离e、风力发电机对雷达探测影响的角度α以及雷达扫掠风力发电机塔筒时遮挡的阴影面积后，进而根据雷达实际扫掠情况，优化风力发电机布置或提出雷达探测盲区水域的监管设施补充方案。
[0012]进一步的，所述雷达的参数包括工作波长、脉冲重复频率、脉冲宽度、波束宽度和接收机通频带，并计算得出距离分辨力和方位分辨力。
[0013]进一步的，步骤二中叶片旋转角度的确定方法如下：假设单台风力发电机单个叶片遮挡角度为，当雷达扫过单台风力发电机时叶片会产生的旋转角度，则会受到遮挡影响区域的角度为，一定不会受到遮挡影响区域的角度为，假设表示雷达扫掠单台风力发电机的旋转角度，雷达扫掠单台风力发电机的时间为t，则，由于，故，则，其中为风力发电机叶片旋转角速度，为雷达扫掠角速度，r为风力发电机叶片长度，d为雷达与风力发电机间距离。
[0014]进一步的，在步骤二中风力发电机叶片旋转遮挡雷达电磁波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，包括设置在海上风电场中的风力发电机，以及设置在所述海上风电场附近的航道、雷达站；其特征在于，所述模型构建方法包括如下步骤：步骤一：获取所述雷达站中雷达的类型及基本参数，获取所述海上风电场中风力发电机的设计参数；步骤二：评估所述风力发电机叶片旋转对所述雷达电磁波遮挡的影响，首先确定雷达扫掠单台风力发电机时叶片产生的旋转角度，其次结合雷达旋转角度确定单台风力发电机单个叶片旋转遮挡雷达电磁波的面积S，并得到雷达扫描单台风力发电机时叶片所在平面内一定不会产生遮挡区域的百分比；步骤三：评估步骤二中风力发电机叶片旋转对所述雷达电磁波遮挡的影响后，根据风力发电机与雷达及航道之间的距离，建立雷达扫描风力发电机塔筒时形成盲区的计算模型，包括确定由于风力发电机塔筒遮挡对雷达探测产生的阴影径向距离d和雷达扫掠风力发电机时产生的遮挡阴影面积得到风力发电机对航道影响的盲区距离e和风力发电机对雷达探测影响的角度α；，其中， 为风力发电机塔筒的半径，d1为雷达与风力发电机间的水平距离，d2为风力发电机与航道间的水平距离；步骤四：根据雷达的基本参数，以及可接受的雷达探测盲区大小和影响角度，反推风力发电机与雷达站之间的距离和风力发电机与航道之间的距离，确定风力发电机和航道设置的位置是否合理，以及是否需要增设其他形式协同监管设备。2.根据权利要求1所述的面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，其特征在于，所述雷达的参数包括工作波长、脉冲重复频率、脉冲宽度、波束宽度和接收机通频带，并计算得出距离分辨力和方位分辨力。3.根据权利要求1所述的面向海上风电工程的雷达遮蔽区域模型构建方法，其特征在于，步骤二中叶片旋转角度的确定方法如下：假设单台风力发电机单个叶片遮挡角度为，当雷达扫过单台风力发电机时叶片会产生的旋转角度，则会受到遮挡影响区域的角度为，一定不会受到遮挡影响区域的角度为，假设表示雷达扫掠单台风力发电机的旋转角度，雷达扫掠单台风力发电机的时间为t，则；由于，故，则；其中为风力发电机叶片旋转角速度，为雷达扫掠角速度，r为风力发电机叶片长度，d...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁志涛，刘克中，陈默子，余庆，吴晓烈，辛旭日，苗鹏，杨星，王伟强，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：