【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风力发电，具体涉及一种基于激光雷达的风电场三维建模方法。
技术介绍
1、风电场的设计和建设需要对选址区域的风资源进行全面和精确的评估，以获得该区域长期的平均风速、极端风速参数、主流风向、垂直风速分布、气流湍动特性等详细数据。这些风资源数据的精确性直接关乎到后续风电场的选型设计、发电量评估以及经济性分析的准确性。
2、对风资源的评估通常需要开展风测资源调查。目前应用最广泛的风测设备是杯式风速计、声响风速计、太阳能风速计等。这些常规设备的成本较低，但是存在测量精度不高影响评估结果可靠性的问题。特别是在复杂地形条件下的风电场选址，如山地、丘陵、岛屿等地形，这些风测设备很难对复杂气流进行有效捕捉，无法反映地形对风资源的影响。此外，数值天气预报技术也用于风资源评估，但受限于理论模型和计算能力，其结果与实测数据偏差较大，精度有限。
3、风电机组的优化设计和性能分析依赖于风电场高精度的三维风场数据。通过模拟风电场的三维湍流风场环境，可以评估风轮载荷，计算风力发电机的功率曲线、发电量、振动响应、疲劳载荷和寿命参数，这可以确保风电机组的安全性能和经济性。但是，三维风场建模需要大量的风资源样本数据作为输入，因此，获得高精度和高样本的风电场风资源数据是进行准确无误的三维风场建模的基础。
4、当前，风电场项目设计中，多依赖简单的二维cad绘图和表格计算，无法实现参数化和智能化，设计质量和效率有待提升。bim技术在建筑、桥梁等领域的应用日益广泛，但在风电领域尚处于起步阶段。如何应用bim技术提高风电场设计
5、综上可知，现有技术中，风电场风资源评估手段和效果有限，是风电场设计、建造和运维的技术瓶颈；三维风场模拟生成存在困难，制约了风电机组的优化设计；bim技术在风电领域的应用与推广也较为缓慢。如何解决上述问题，不仅是当前风电领域急需攻克的技术难题，也是产业可持续发展的迫切需求。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于激光雷达的风电场三维建模方法。
2、为解决上述技术问题，实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，包括以下步骤：
4、1)在风电场的选址阶段，使用激光雷达进行风资源评估，获取风电场的风资源数据和地理数据；
5、2)根据步骤1)所得风资源数据计算风电场的关键参数；
6、3)确定合适的风电机组型号和布局方案；
7、4)构建风电场的三维模型；
8、5)获取与实测湍流谱或者iec标准中要求的湍流谱一致的三维湍流风场；
9、6)对风电机组进行性能分析；
10、7)开展智能监测，实现精细化运维。
11、进一步的，步骤1)中，所述风资源数据包括风电场的风速、风向、湍流数据，所述地理数据包括风电场的地形、地貌、植被数据；所述激光雷达为固态激光雷达，测量范围为0.1～10km，测量精度为0.1m/s，测量频率为10hz，测量角度为0～360°，测量分辨率为0.1°，能够同时测量风场的水平和垂直方向的风速、风向以及风场的温度、压力、湿度，能够对风电场的不同区域进行扫描，获取高精度的点云数据，同时记录无人机的位置、姿态、时间。
12、进一步的，步骤2)中，根据步骤1)所得风资源数据，使用矢量法对风速进行统计分析，得到的关键参数包括风电场的平均风速、湍流强度、极端阵风幅值、风速的年分布概率。
13、进一步的，步骤3)中，所述风电机组型号为2.5mw的双馈感应发电机；所述布局方案为等间距排列，每行10台风电机组，共10行，总共100台风电机组，占地面积为4平方千米；所述风电机组的位置根据地形的高程和坡度进行优化，风电机组的方向根据风向的分布进行优化，风电机组的高度根据风速的分布进行优化，风电机组的叶片角度根据风速的变化进行调节。
14、进一步的，步骤4)中，构建风电场的三维模型的步骤包括：
15、根据固态激光雷达的数据，使用bim平台进行风电场的三维设计，将风电机组、变电站、输电线路、道路的三维模型导入到风电场的三维地形图中，形成风电场的三维模型，并生成风电场的工程量和造价。
16、进一步的，步骤5)中，获取与实测湍流谱或者iec标准中要求的湍流谱一致的三维湍流风场的步骤包括：
17、根据固态激光雷达的数据，基于机器学习或深度学习，学习风场的统计特性和动力学特性，同时考虑风场的空间相关性和时间相关性，生成与实测湍流谱或者iec标准中要求的湍流谱一致的三维湍流风场，包括风速、风向、风切变参数以及风场的时间序列。
18、进一步的，步骤7)中，开展智能监测，实现精细化运维的步骤包括：
19、71)使用激光雷达一进行风电场的智能运维，利用激光雷达一的高分辨率和高灵敏度，实现风电场的实时监测和预警；
20、72)使用激光雷达二进行风电场的环境监测，利用激光雷达二的数据，实现风电场的环境影响评估；
21、73)使用激光雷达三进行风电场的安全防护，利用激光雷达三的数据，实现风电场的安全隐患排查。
22、进一步的，步骤71)中，所述激光雷达一为多功能激光雷达，能够同时测量风场的风速、风向以及风场的雷达反射率、多普勒频移、谱宽、相位等参数；所述激光雷达一根据风电机组的位置和方向，对风电机组的关键部件进行扫描，获取部件的表面温度、结冰程度、裂纹、腐蚀等信息，同时检测风电机组周围的鸟类、无人机、飞机等活动，实现风电场的智能运维，提高风电场的运行效率和安全性。
23、进一步的，步骤72)中，所述激光雷达二为多波长激光雷达，能够同时测量风场的不同高度的风速和风向以及风场的气溶胶浓度、水汽含量、光学厚度等参数；所述激光雷达二根据风电场的位置和范围，对风电场的周边环境进行扫描，获取环境的噪声、光照、温湿度、空气质量等信息，同时监测风电场对周边生态系统的影响，实现风电场的环境监测，提高风电场的环境保护。
24、进一步的，步骤73)中，所述激光雷达三为三维扫描雷达，能够对风电场的全域进行扫描，获取风电场的三维点云数据，同时记录雷达的位置、姿态、时间等信息；所述激光雷达三根据风电场的三维模型，对风电场的设施和周边进行识别和分析，检测风电场的安全隐患，实现风电场的安全防护，提高风电场的安全性。
25、本专利技术提供的技术方案产生的有益效果为：
26、(1)可以高效获取风电场位置的详细风资源数据，包括风速、风向、湍流参数等，评估结果更加准确可靠，为后续工作奠定坚实基础；
27、(2)可以自动快速得到风电场选址区域的三维地形模型，大大节省人力物力，提升了工作效率，降低了建设成本；
28、(3)可以仿真生成符合风电场实际情况的三维湍流风场，风电机设计的准确性和可靠性大大提高，有利于更好地发挥风测设备的性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤1)中，所述风资源数据包括风电场的风速、风向、湍流数据，所述地理数据包括风电场的地形、地貌、植被数据；所述激光雷达为固态激光雷达，测量范围为0.1～10km，测量精度为0.1m/s，测量频率为10Hz，测量角度为0～360°，测量分辨率为0.1°，能够同时测量风场的水平和垂直方向的风速、风向以及风场的温度、压力、湿度，能够对风电场的不同区域进行扫描，获取高精度的点云数据，同时记录无人机的位置、姿态、时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤2)中，根据步骤1)所得风资源数据，使用矢量法对风速进行统计分析，得到的关键参数包括风电场的平均风速、湍流强度、极端阵风幅值、风速的年分布概率。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤3)中，所述风电机组型号为2.5MW的双馈感应发电机；所述布局方案为等间距排列，每行10台风电机组
5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤4)中，构建风电场的三维模型的步骤包括：
6.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤5)中，获取与实测湍流谱或者IEC标准中要求的湍流谱一致的三维湍流风场的步骤包括：
7.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤7)中，开展智能监测，实现精细化运维的步骤包括：
8.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤71)中，所述激光雷达一为多功能激光雷达，能够同时测量风场的风速、风向以及风场的雷达反射率、多普勒频移、谱宽、相位参数；所述激光雷达一根据风电机组的位置和方向，对风电机组的关键部件进行扫描，获取部件的表面温度、结冰程度、裂纹、腐蚀信息，同时检测风电机组周围的鸟类、无人机、飞机，实现风电场的智能运维，提高风电场的运行效率和安全性。
9.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤72)中，所述激光雷达二为多波长激光雷达，能够同时测量风场的不同高度的风速和风向以及风场的气溶胶浓度、水汽含量、光学厚度参数；所述激光雷达二根据风电场的位置和范围，对风电场的周边环境进行扫描，获取环境的噪声、光照、温湿度、空气质量信息，同时监测风电场对周边生态系统的影响，实现风电场的环境监测，提高风电场的环境保护。
10.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤73)中，所述激光雷达三为三维扫描雷达，能够对风电场的全域进行扫描，获取风电场的三维点云数据，同时记录雷达的位置、姿态、时间信息；所述激光雷达三根据风电场的三维模型，对风电场的设施和周边进行识别和分析，检测风电场的安全隐患，实现风电场的安全防护，提高风电场的安全性。
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤1)中，所述风资源数据包括风电场的风速、风向、湍流数据，所述地理数据包括风电场的地形、地貌、植被数据；所述激光雷达为固态激光雷达，测量范围为0.1～10km，测量精度为0.1m/s，测量频率为10hz，测量角度为0～360°，测量分辨率为0.1°，能够同时测量风场的水平和垂直方向的风速、风向以及风场的温度、压力、湿度，能够对风电场的不同区域进行扫描，获取高精度的点云数据，同时记录无人机的位置、姿态、时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤2)中，根据步骤1)所得风资源数据，使用矢量法对风速进行统计分析，得到的关键参数包括风电场的平均风速、湍流强度、极端阵风幅值、风速的年分布概率。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤3)中，所述风电机组型号为2.5mw的双馈感应发电机；所述布局方案为等间距排列，每行10台风电机组，共10行，总共100台风电机组，占地面积为4平方千米；所述风电机组的位置根据地形的高程和坡度进行优化，风电机组的方向根据风向的分布进行优化，风电机组的高度根据风速的分布进行优化，风电机组的叶片角度根据风速的变化进行调节。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其特征在于，步骤4)中，构建风电场的三维模型的步骤包括：
6.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的风电场三维建模方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈臣，胡辉，陈宫，刘吉辰，王忠杰，于涵，薛晗光，
申请(专利权)人：华能赫章风力发电有限公司，
类型：发明
国别省市：
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