一种海上风机前端风场瞬态扩展方法技术

本发明专利技术涉及烟尘检测技术领域，具体涉及一种海上风机前端风场瞬态扩展方法，其包括以下步骤：一、风场模型构建：建立包括海上风机叶轮转动面的全局先验风场模型；二、两相特征分解：根据扩展重构风场的模态能量占比将海上风机前端先验风场分解为时间系数和空间基向量的时空两相特征；三、非线性映射模型构建：根据循环神经网络对时间序列的记忆推理以及对复杂信息间函数关系的逻辑推理建立海上风机有限风速测点至风场时间系数的非线性映射关系；四、瞬态拓展：根据海上风机有限风速测点的时序信息对全局风场进行同步、瞬态扩展，本申请具有能够快速准确地扩展重构海上风机的前端风场的效果。风场的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种海上风机前端风场瞬态扩展方法


[0001]本专利技术涉及海上风机风场
，具体涉及一种海上风机前端风场瞬态扩展方法。

技术介绍

[0002]目前海上风能符合国家能源可持续发展战略的重大需求，已成为世界各国竞相发展的能源储备战略点。海上风力机由风场中风力致动，将叶轮转动产生的动力机械能转化为的电能。对于海上风机而言，风场是其风能转化的重要动力来源，对风场的准确评估关系到海上风能的高效利用、风机功率的准确评估以及叶片局部应力的合理分析等。目前海上风电单机位中仅存在有限数量测点的风速时程数据，并不能有效表征整个机位风场的动态信息。所以进行海上全局风场动态扩展，建立有限风速测点到全局风场的映射关系对于海上风场准确评估和风力资源的高效利用具有重要意义。
[0003]海上风场环境中，风速具有典型的时空分布非线性特征，其平均风速随高度变化呈现类指数型变化趋势，并且其湍流特征也随着高度的增加而变得更加复杂。而在同一高度下，随着风速非定向流动演化，不同水平位置的风速也具有不同的波动趋势，这些因素都加剧了风场信息处理的非线性。
[0004]上述技术方案中，在进行海上风机前端风场瞬态扩展时，现有的计算方法很难准确地扩展重构海上风机的前端风场。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种海上风机前端风场瞬态扩展方法。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]本专利技术提供了一种海上风机前端风场瞬态扩展方法，包括以下步骤：
[0008]一、风场模型构建：根据平均风指数型分布形式和湍流风速的随机变化趋势对海上风机前端风场模型进行构建，计算风场中脉动风互功率谱，建立包括海上风机叶轮转动面的全局先验风场模型；
[0009]二、两相特征分解：通过本征正交分解方法分离海上风机风场时空特征，即根据扩展重构风场的模态能量占比将海上风机前端先验风场分解为时间系数和空间基向量的时空两相特征；
[0010]三、非线性映射模型构建：根据循环神经网络构建海上风场扩展非线性映射模型，根据循环神经网络对时间序列的记忆推理以及对复杂信息间函数关系的逻辑推理建立海上风机有限风速测点至风场时间系数的非线性映射关系；
[0011]四、瞬态拓展：根据风场扩展非线性映射模型和先验风场模型分离的空间模态特征对海上风机前端风场进行瞬态扩展重构，根据海上风机有限风速测点的时序信息对全局风场进行同步、瞬态扩展。
[0012]本专利技术所达到的有益效果为：通过特征分解的方式对海上风机前置先验风场模型进行时空两相特征分离，分离后的风场时空特征更加明显，避免了前端风场瞬态扩展的信息冗杂性，同时循环神经网络建立具有工程安装实际的海上风机实测风速点至分离后时空两相特征中时间系数的隐式函数关系，解决了海上风机全局风场瞬态扩展重构时风速测点数量不足导致的局限性的问题，通过海上风机前端风场瞬态扩展方法，通过有限风速测点扩展全局风场风速的准确性进一步提高，保证了全局风场瞬态扩展的有效性、同步性，从而快速准确地扩展重构海上风机的前端风场。
[0013]进一步，所述风场模型构建还包括：基于OpenFAST
‑
TurbSim建立海上风机旋转平面前端的先验风场模型。
[0014]通过上述方案，OpenFAST
‑
TurbSim为一个随机的、全场的、湍流风的模拟器，适合建立风场模型。
[0015]进一步，所述计算风场中脉动风互功率谱包括：
[0016]用指数型的风廓线模型表示任意点的平均风速，风廓线模型为
[0017][0018]式中，z为待求风速点的高度，V
hub
为风机轮毂处参考风速，z
hub
为相对应的高度，α表示风剪切因子；
[0019]根据Kaimal谱获得脉动风速谱的模拟表征为：
[0020][0021]式中，S
u
(ω)为Kaimal自功率谱密度函数，V
ave
为模拟点的平均风速，ω为频率，L
u
为尺度参数；
[0022]不同位置风速时程的相关性函数为：
[0023][0024]式中，Δx，Δy，Δz分别是x，y，z三个方向的空间距离分量，V
ave
(z
i
)和V
ave
(z
j
)为模拟风速点的平均风速；C
x
，C
y
，C
z
表示空间风场在x，y，z三个方向的衰减系数；
[0025]基于风场中不同风速测点空间相关性计算脉动风互功率谱S
ij
(ω)为：
[0026][0027]式中，S
ii
(ω)和S
jj
(ω)为空间模拟风速点i和j两点的脉动风速自功率谱密度函数。
[0028]通过上述方案，风场中的风速可以分为平均风速和脉动风速两部分，对于海上风场来说，空间中不同位置的风速时程并不独立存在，彼此之间是具有相关性的。其相关性主要体现在两个方面：一个是空间距离之间具有相关性，二是两点间的频率特征也具有相关性，其相关性函数具有典型的距离相关性，即空间中两点的风速距离越近时，彼此的相关性程度越高，目前对于脉动风风速时程的模拟多采用谐波叠加法进行，其核心思想是将离散
谱等效为目标脉动风速谱。
[0029]进一步，所述建立包括海上风机叶轮转动面的全局先验风场模型包括：
[0030]基于不同风速测点相位角差异计算脉动风互功率谱S
ij
(ω)为：
[0031][0032]式中，I为虚数单位；为i和j两点的相位角，可表示为：
[0033][0034]式中，Random为[
‑
π，π]间的随机取值；f
*
为无量纲参数；
[0035]通过Cholesky分解脉动风功率谱矩阵为：
[0036]S(ω)＝H(ω)H
*
(ω)
T
[0037]式中，H(ω)为分解得到的下三角矩阵，H
*
(ω)
T
为相对应的共轭转置矩阵；
[0038]基于三角函数叠加原理计算脉动风速时程为：
[0039][0040]式中，k＝1,2,
…
,n；l＝1,2,
…
,N，n为空间中模拟风速点的个数，N为脉动风谱频率分割总量，θ
km
为H
km
(ω
l
)的幅角，Δω＝(ω
u
‑
ω
d
)/N，ω
u
和ω
d
分别为模拟Kaimal谱的上下限截止频率，φ
l
为[0，2π]内的随机数，ω
l
和ω
ml
为对应的频率变量成分，ω
l
和ω
ml
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上风机前端风场瞬态扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：一、风场模型构建：根据平均风指数型分布形式和湍流风速的随机变化趋势对海上风机前端风场模型进行构建，计算风场中脉动风互功率谱，建立包括海上风机叶轮转动面的全局先验风场模型；二、两相特征分解：通过本征正交分解方法分离海上风机风场时空特征，即根据扩展重构风场的模态能量占比将海上风机前端先验风场分解为时间系数和空间基向量的时空两相特征；三、非线性映射模型构建：根据循环神经网络构建海上风场扩展非线性映射模型，根据循环神经网络对时间序列的记忆推理以及对复杂信息间函数关系的逻辑推理建立海上风机有限风速测点至风场时间系数的非线性映射关系；四、瞬态拓展：根据风场扩展非线性映射模型和先验风场模型分离的空间模态特征对海上风机前端风场进行瞬态扩展重构，根据海上风机有限风速测点的时序信息对全局风场进行同步、瞬态扩展。2.根据权利要求1所述的一种海上风机前端风场瞬态扩展方法，其特征在于，所述风场模型构建还包括：基于OpenFAST
‑
TurbSim建立海上风机旋转平面前端的先验风场模型。3.根据权利要求1所述的一种海上风机前端风场瞬态扩展方法，其特征在于，所述计算风场中脉动风互功率谱包括：用指数型的风廓线模型表示任意点的平均风速，风廓线模型为式中，z为待求风速点的高度，V
hub
为风机轮毂处参考风速，z
hub
为相对应的高度，α表示风剪切因子；根据Kaimal谱获得脉动风速谱的模拟表征为：式中，S
u
(ω)为Kaimal自功率谱密度函数，V
ave
为模拟点的平均风速，ω为频率，L
u
为尺度参数；不同位置风速时程的相关性函数为：式中，Δx，Δy，Δz分别是x，y，z三个方向的空间距离分量，V
ave
(z
i
)和V
ave
(z
j
)为模拟风速点的平均风速；C
x
，C
y
，C
z
表示空间风场在x，y，z三个方向的衰减系数；基于风场中不同风速测点空间相关性计算脉动风互功率谱S
ij
(ω)为：式中，S
ii
(ω)和S
jj
(ω)为空间模拟风速点i和j两点的脉动风速自功率谱密度函数。4.根据权利要求3所述的一种海上风机前端风场瞬态扩展方法，其特征在于，所述建立
包括海上风机叶轮转动面的全局先验风场模型包括：基于不同风速测点相位角差异计算脉动风互功率谱S
ij
(ω)为：式中，I为虚数单位；为i和j两点的相位角，可表示为：式中，Random为[
‑
π，π]间的随机取值；f
*
为无量纲参数；通过Cholesky分解脉动风功率谱矩阵为：S(ω)＝H(ω)H
*
(ω)
T
式中，H(ω)为分解得到的下三角矩阵，H
*
(ω)
T
为相对应的共轭转置矩阵；基于三角函数叠加原理计算脉动风速时程为：式中，k＝1,2,
…
,n；l＝1,2,
…
,N，n为空间中模拟风速点的个数，N为脉动风谱频率分割总量，θ
km
为H
km
(ω
l
)的幅角，Δω＝(ω
u
‑
ω
d
)/N，ω
u
和ω
d
分别为模拟Kaimal谱的上下限截止频率，φ
l
为[0，2π]内的随机数，ω
l
和ω
ml
为对应的频...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福顺，徐凯，常爽，田哲，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：