基于叶根载荷的风电场中的尾流干扰检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于叶根载荷的风电场中的尾流干扰检测方法，属于海上风力发电技术领域。该检测方法采用载荷

【技术实现步骤摘要】
基于叶根载荷的风电场中的尾流干扰检测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于叶根载荷的风电场中的尾流检测方法，属于海上风力发电


技术介绍

[0002]为了应对碳中和的挑战，海上风力发电正在迅速发展，大容量风力涡轮机的数量显著增加。大容量风力涡轮机同时带来了风电场气动耦合强、尾迹效应明显等气动问题。尾迹具有尾迹风速减小、湍流强度增大、稳定的涡旋结构难以消散等特点。尾迹会导致力的不平衡，从而增加疲劳损伤，降低风力涡轮机的可靠性。此外，尾迹引起的低风速使风力机输出功率降低。
[0003]基于偏航的尾迹重定向控制是一种高效的主动尾迹控制方法，但使用较大的偏航失调角既会增加风力机负荷，又会降低风电场的总功率输出。为了减轻这些影响，选择一个合适的偏航偏差角是很重要的。例如，如果已知受尾迹干扰影响的转子一侧，则可以通过调整上风向涡轮的偏航不对中角来减小重叠面积或减轻尾迹干扰。研究表明，风力涡轮机在半尾流干扰下发生最大疲劳载荷，如果使用基于偏航的控制，在全尾流干扰下可能会导致更大的疲劳损伤。
[0004]针对不同的尾迹干扰情况，选择合适的主动尾迹控制方法是非常重要的，在风信息准确和尾迹重叠的情况下，这变得更加具有挑战性。风杯或风速计是目前常用的测风设备，但是经常会受到转子和机舱的干扰；其测量数据为点风信息，尾迹难以识别。虽然激光雷达测风技术可以解决这一问题，但由于其成本高，且在雾和雨中测量精度下降，仍未得到广泛应用。由于转子扫掠区域的不同风况会对转子产生响应，因此转子本身可以用作风况传感器。根据转子在不同方位角下的转矩响应，可以分析转子上的风分布。与传统的单点测风相比，转子响应能提供更全面的风特性，是一种有价值的测风工具。负载传感器在现代风电场中越来越受欢迎，消除了获取转子响应的额外硬件需求。
[0005]Bottasso等人于2010年公开了应用转子力矩响应来估计风速技术，虽然所使用的物理模型与实际风速之间可能存在一些偏差，但这种方法为后续的研究提供了良好的榜样。Bertel
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et al.于 2017年，以及Bertel
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等人于2021年均介绍了一种使用低频响应的风参数估计方法，其中包括垂直和水平切变的估计，以及偏航和上升气流的偏差角。该方法在实际风电场中进行了测试和验证，具有较高的精度，但在尾流干扰条件下无法进行测试。Bottasso et al.于2018年公开了通过不同风速的叶根弯矩响应估计转子左右两侧的风速，并根据风速分布将风速较低的一侧识别为受尾迹干扰的一侧。Schreiber et al.于2020年在风场中对该方法进行了测试，证明可以确定尾迹重叠的转子侧。但由于尾迹控制对确定尾迹重叠区域的要求较高，因此，需要对尾迹干扰的进行检测，确定尾迹控制的关键干扰区域。但是，目前并没有关于尾流干扰检测方法的相关报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种基于叶根载荷的风电场中的尾流干扰检测方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：基于叶根载荷的风电场中的尾流干扰检测方法，包括：第一，采用载荷
‑
风关系模型获取转子有效风速；所述载荷
‑
风关系模型为其中，m为载荷集合，F和g0是模型参数，θ是系统参数，，V是转子有效风速，是水平风切变，K
V
是垂直风切变，是水平方向入流角偏差，是垂直方向入流角偏差，β是变桨角度，ω是转子转速，q0是不受风参数影响的叶根的重力矩；第二，根据转子有效风速与环境平均风速、水平风切变的关系判断是否存在尾流干扰及存尾流干扰的区域：转子有效风速≥0.95*环境平均风速，则无尾流干扰；转子有效风速＜0.95*环境平均风速，同时，水平风切变>0.225*转子有效风速/R，则存在半尾流干扰；转子有效风速＜0.95*环境平均风速，同时，水平风切变<0.09*转子有效风速/R，则存在全尾流干扰；转子有效风速＜0.95*环境平均风速，同时，0.09*转子有效风速/R≤水平风切变≤0.225*转子有效风速/R，则存在其他区域尾流干扰；R为转子半径。
[0008]根据本专利技术公开的实施例，载荷集合为叶根在锥坐标系中的力矩，i表示第i个叶片，i=1，2，3；所述锥坐标系，以叶根和轮毂的连接处为原点，变桨轴为z
c
轴，平行于旋转面的方向、与旋转方向一致为y
c
轴，按照右手定则得到x
c
轴，是第i个叶片关于x
c
轴的力矩，是第i个叶片关于y
c
轴的力矩。
[0009]根据本专利技术公开的实施例，叶根在锥坐标系中的力矩通过传感器获取。
[0010]根据本专利技术公开的实施例，将所述叶根在锥坐标系中的力矩转换为叶根在轴坐标系中的力矩；所述轴坐标系建立在转子主轴上，原点为塔筒和主轴的连接处，x
s
轴沿转子主轴指向上风向，z
s
轴垂直于x
s
轴向上，y
s
轴根据右手定则定义；分析如下：；其中，
，式中，分别表示叶片i在轴坐标系上围绕x
s
轴、y
s
轴、z
s
轴的三个力矩分量；分别表示叶片的面内力矩在轴坐标系上围绕x
s
轴、y
s
轴、z
s
轴的三个力矩分量，是关于x
c
轴旋转角度为的旋转矩阵，是关于y
c
轴旋转角度为的旋转矩阵，将三个叶片的面外叶根力矩相加得到关于x
s
轴、y
s
轴、z
s
轴的总扭矩,同理，是三个面内叶根力矩关于x
s
轴、y
s
轴、z
s
轴的总扭矩；载荷集合。
[0011]根据本专利技术公开的实施例，通过设置仿真的自由来风参数以获取模型参数F和g0。
[0012]本专利技术的有益效果是：本专利技术公开的载荷
‑
风关系模型包含对风速、水平风切变、垂直风切变、水平风向、上入流角，是目前文献中求解必要的风信息最全的模型。采用本专利技术公开的载荷
‑
风关系模型能解决对所有风参数的求解。
[0013]本专利技术公开的方法，包含对尾流干扰的检测。改善了以往未能全部检测尾流的缺陷，包括全尾流干扰的检测。
[0014]本专利技术公开的方法，包含对半尾流干扰的检测。半尾流干扰是尾流控制的关键区域，明确半尾流干扰对于尾流控制意义重大。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例公开的尾流干扰检测方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例公开的尾流干扰检测方法所涉及的坐标系示意图，其中，图2中（a）为锥坐标系、图2中（b）为轴坐标系；图3是转子有效风速v在“Reference”,"Bottasso“，”Estimation"三组测量下的结果对比图，图例中“Estimatio本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于叶根载荷的风电场中的尾流干扰检测方法，其特征在于，包括：第一，采用载荷
‑
风关系模型获取转子有效风速；所述载荷
‑
风关系模型为其中，m为载荷集合，F和g0是模型参数，θ是系统参数，，V是转子有效风速，是水平风切变，K
V
是垂直风切变，是水平方向入流角偏差，是垂直方向入流角偏差，β是变桨角度，ω是转子转速，q0是不受风参数影响的叶根的重力矩；第二，根据转子有效风速与环境平均风速、水平风切变的关系判断是否存在尾流干扰及存尾流干扰的区域：转子有效风速≥0.95*环境平均风速，则无尾流干扰；转子有效风速＜0.95*环境平均风速，同时，水平风切变>0.225*转子有效风速/R，则存在半尾流干扰；转子有效风速＜0.95*环境平均风速，同时，水平风切变<0.09*转子有效风速/R，则存在全尾流干扰；转子有效风速＜0.95*环境平均风速，同时，0.09*转子有效风速/R≤水平风切变≤0.225*转子有效风速/R，则存在其他区域尾流干扰；R为转子半径。2.根据权利要求1所述的基于叶根载荷的风电场中的尾流干扰检测方法，其特征在于，所述载荷集合为叶根在锥坐标系中的力矩，i表示第i个叶片，i=1，2，3；锥坐标系，以叶根和轮毂的连接处为原点，变桨轴为z
c
轴，设定变桨角度为0时，与弦线平行指向叶片的后缘为轴，按照右手定则得到x
c
轴，是第i个叶片关于x
c
轴的力矩，是第i个叶片关于y
c
轴的力矩。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立业，薛宇，杨志超，薛磊，王军栋，陈广志，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：