檢測風電機組的流體氣動數據的方法和設備與流程

本發明涉及風力發電領域。更具體地講，涉及一種檢測風電機組的流體氣動數據的方法和設備。

背景技術：

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到重視，風電機組的裝機量也不斷增加。

風電機組處的流體氣動數據對于風電機組的控制以及各種監控具有非常重要的作用。然而，目前在檢測風電機組處的流體氣動數據時，需要在需要檢測的位置設置傳感器，導致成本較高。另外，這樣的方式也難以了解風電機組的各個位置的流體氣動數據。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種檢測風電機組的流體氣動數據的方法和設備。

根據本發明的一方面，提供一種檢測風電機組的流體氣動數據的方法，所述方法包括：預先確定在預定風電機組周圍預設的至少一個測風區域的至少一個海拔高度的風速與在所述預定風電機組處的流體氣動數據之間的關系；檢測所述至少一個測風區域中的預定測風區域的預定海拔高度的風速；根據預先確定的關系，確定與檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

可選地，所述關系為預定數據庫，所述預定數據庫存儲有在所述至少一個測風區域處的至少一個海拔高度的多個風速、與每個測風區域處的每個風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

可選地，與在任一測風區域處的任一海拔高度的任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據通過如下方式獲得：獲取所述任一測風區域處的關于風速和海拔高度的函數；以獲取的函數作為入口邊界條件，建立大渦模擬模型；使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

可選地，所述函數為下面函數中的一個：風速與海拔高度之間的關系函數、風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數、風速、海拔高度與大氣熱穩定度之間的關系函數。

可選地，建立大渦模擬模型的步驟包括：對包括所述預定風電機組和所述預定測風區域的預定范圍內的地形建立三維模型；對建立的三維模型進行網格劃分；設置入口邊界條件和湍流模型；利用網格劃分后的三維模型以及設置的入口邊界條件和湍流模型來建立大渦模擬模型。

可選地，在對建立的三維模型進行網格劃分時，實際地理位置越崎嶇的地方，網格越密集。

可選地，建立大渦模擬模型的步驟還包括：設置壁面函數，利用網格劃分后的三維模型以及設置的入口邊界條件和湍流模型來建立大渦模擬模型的步驟包括：利用網格劃分后的三維模型以及設置的入口邊界條件、湍流模型和壁面函數來建立大渦模擬模型，所述壁面函數如下：

U＝U_f×K×ln((z+z₀)/z₀)，

其中，U為平均風速，U_f為風的摩擦速度，K為卡門常數，z₀為地表粗糙度長度，z為垂直坐標。

可選地，使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據的步驟包括：

根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的流體氣動數據。

可選地，流體氣動數據包括風速、湍流強度和入流角中的至少一個。

可選地，根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的流體氣動數據的步驟包括：根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的風速和/或湍流強度。

可選地，根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的流體氣動數據的步驟還包括：根據確定的流體氣動數據中的風速確定入流角。

可選地，在使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據時，以所述任一海拔高度和所述任一風速作為大渦模擬模型的初始邊界條件。

可選地，所述預定測風區域處于所述預定風電機組的上風側。

可選地，所述預定測風區域位于所述預定風電機組前方。

可選地，當風電機組的周圍存在對所述預定風電機組的來流產生影響的對象時，在所述對象的上風處設置測風區域。

本發明的另一方面提供一種檢測風電機組的流體氣動數據的設備，所述設備包括：預檢測單元，預先確定在預定風電機組周圍預設的至少一個測風區域的至少一個海拔高度的風速與在所述預定風電機組處的流體氣動數據之間的關系；風速檢測單元，檢測所述至少一個測風區域中的預定測風區域的預定海拔高度的風速；流體氣動數據檢測單元，根據預先確定的關系，確定與檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

可選地，所述關系為預定數據庫，所述預定數據庫存儲有在所述至少一個測風區域處的至少一個海拔高度的多個風速、與每個測風區域處的每個風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

可選地，預檢測單元通過如下方式獲得與在任一測風區域處的任一海拔高度的任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據：獲取所述任一測風區域處的關于風速和海拔高度的函數；以獲取的函數作為入口邊界條件，建立大渦模擬模型；使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

可選地，所述函數為下面函數中的一個：風速與海拔高度之間的關系函數、風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數、風速、海拔高度與大氣熱穩定度之間的關系函數。

可選地，預檢測單元通過如下方式建立大渦模擬模型：對包括所述預定風電機組和所述預定測風區域的預定范圍內的地形建立三維模型；對建立的三維模型進行網格劃分；設置入口邊界條件和湍流模型；利用網格劃分后的三維模型以及設置的入口邊界條件和湍流模型來建立大渦模擬模型。

可選地，在預檢測單元對建立的三維模型進行網格劃分時，實際地理位置越崎嶇的地方，網格越密集。

可選地，預檢測單元還設置壁面函數，預檢測單元利用網格劃分后的三維模型以及設置的入口邊界條件、湍流模型和壁面函數來建立大渦模擬模型，

所述壁面函數如下：

U＝U_f×K×ln((z+z₀)/z₀)，

其中，U為平均風速，U_f為風的摩擦速度，K為卡門常數，z₀為地表粗糙度長度，z為垂直坐標。

可選地，預檢測單元根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的流體氣動數據。

可選地，流體氣動數據包括風速、湍流強度和入流角中的至少一個。

可選地，預檢測單元根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的風速和/或湍流強度。

可選地，預檢測單元根據確定的流體氣動數據中的風速確定入流角。

可選地，在使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據時，以所述任一海拔高度和所述任一風速作為大渦模擬模型的初始邊界條件。

可選地，所述預定測風區域處于所述預定風電機組的上風側。

可選地，所述預定測風區域位于所述預定風電機組前方。

可選地，當風電機組的周圍存在對所述預定風電機組的來流產生影響的對象時，所述至少一個測風區域中存在在所述對象的上風處設置的測風區域。

根據本發明的檢測風電機組的流體氣動數據的方法和設備，可以在來流到達風電機組之前確定出風電機組處的流體氣動數據，從而可以提前獲知來流對風電機組的影響。此外，根據本發明的檢測風電機組的流體氣動數據的方法和設備，在不需要在風電機組上安裝專門用于檢測流體氣動數據的傳感器的情況下，可以根據需要獲得風電機組上的期望位置的流體氣動數據，并且可以獲得更細粒度的流體氣動數據，從而能夠以較低的成本獲得更多位置的流體氣動數據。

附圖說明

通過下面結合附圖進行的詳細描述，本發明的上述和其它目的、特點和優點將會變得更加清楚，其中：

圖1示出根據本發明的實施例的檢測風電機組的流體氣動數據的方法的流程圖；

圖2示出根據本發明的實施例的獲得與在任一測風區域處的任一海拔高度的任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據的流程圖；

圖3示出根據本發明的實施例的建立大渦模擬模型的流程圖；

圖4示出根據本發明的實施例的檢測風電機組的流體氣動數據的設備的框圖。

具體實施方式

現在，將參照附圖更充分地描述不同的示例實施例。

在本發明的檢測風電機組的流體氣動數據的方法中，通過在風電機組的周邊設置測風區域，通過測風區域的關于風的數據確定預定風電機組的處的流體氣動數據。這樣，可以在來流到達風電機組之前確定出預定風電機組處的流體氣動數據。

圖1示出根據本發明的實施例的檢測風電機組的流體氣動數據的方法的流程圖。

參照圖1，在步驟S110，預先確定在預定風電機組周圍預設的至少一個測風區域的至少一個海拔高度的風速與在所述預定風電機組處的流體氣動數據之間的關系。應該理解，這里的風速為矢量，包括風速的大小和方向。

在該實施例中，在預定風電機組的周圍預設至少一個測風區域。優選地，當預定風電機組的周圍存在對預定風電機組的來流產生影響的對象時，在所述對象的上風處設置測風區域(即，所述對象位于測風區域與預定風電機組之間)。來流產生影響的對象可以是例如，障礙物(例如，山、樹林)、凹坑(例如，峽谷、湖泊、河流等)以及對來流產生影響的其他地形地貌。

在一個實施例中，可在預定風電機組周圍每隔預定角度設置一測風區域。

所述關系可以通過預定數據庫來體現。所述預定數據庫存儲有在所述至少一個測風區域處的至少一個海拔高度的多個風速、與每個測風區域處的每個風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。換言之，所述預定數據庫存儲了與不同測風區域處的海拔高度、風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。在此情況下，當獲得了某個測風區域的某個海拔高度和某個風速時，可以從該預定數據庫查找到對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。該預定數據庫可通過使用大渦模擬模型來建立，將在后面詳細描述獲得該預定數據庫中的數據的過程。

在步驟S120，檢測所述至少一個測風區域中的預定測風區域的預定海拔高度處的風速。這里，所述預定海拔高度為所述至少一個海拔高度之一。應該理解，這里的風速為矢量，包括風速的大小和方向。

可以通過各種方式來檢測上述風速。例如，可以在該預定測風區域設置風速計檢測在預定海拔高度處的風速、通過在風電機組上安裝激光測風雷達來檢測預定測風區域的預定海拔高度處的風速。

優選地，所述預定測風區域為所述至少一個測風區域中的處于所述預定風電機組的上風側的測風區域。應該理解，這里上風側是指與當前風向垂直并且經過所述預定風機組的直線的來流的一側。更優選地，所述預定測風區域為所述預定風電機組前方(即，槳葉當前面向的方向)的測風區域。

在步驟S130，根據預先確定的關系，確定與檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

在所述關系由預定數據庫體現的情況下，由于所述預定數據庫存儲有在所述預定測風區域處在所述預定海拔高度的多個風速、與每個測風區域處的每個風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據，因此從所述預定數據庫提取出與檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

所述預定測風區域為所述至少一個測風區域中的一個或多個測風區域。當所述預定測風區域為多個測風區域時，可從所述預定數據庫提取出與在每個測風區域檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據，然后獲取提取的流體氣動數據的均值或最大值或進行其他處理后的結果作為最終的結果。

下面詳細描述獲得預定數據庫中的不同測風區域處的各個海拔高度處的不同風速下在所述預定風電機組處的流體氣動數據的處理。

需要針對每個測風區域來預先獲得在至少一個海拔高度處的不同風速以及與不同風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

對于任一測風區域，需要建立對應的大渦模擬模型，來獲取在該任一測風區域的在至少一個海拔高度的不同風速以及與不同風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

下面參照圖2和圖3來描述獲得與在任一測風區域處的任一海拔高度的任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據的過程。

圖2示出根據本發明的實施例的獲得與在任一測風區域處的任一海拔高度的任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據的流程圖。

在步驟S210，獲取所述任一測風區域處的關于風速和海拔高度的函數。換言之，需要獲得在該任一測風區域處的地理狀況對不同海拔高度處的風速的影響情況。

關于風速和海拔高度的函數可以為下面函數中的一個：風速與海拔高度之間的關系函數、風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數、風速、海拔高度與大氣熱穩定度之間的關系函數。

在步驟S220，以獲取的函數作為入口邊界條件，建立大渦模擬模型。

下面參照圖3描述建立大渦模擬模型的過程。圖3示出根據本發明的實施例的建立大渦模擬模型的流程圖。

如圖3所示，在步驟S310，對包括所述預定風電機組和所述預定測風區域的預定范圍內的地形建立三維模型。也就是說，將所述預定范圍內的地形的三維形態進行數據化，以便進行后續的建模。

在步驟S320，對建立的三維模型進行網格劃分。在一個優選實施例中，進一步考慮實際地形的崎嶇程度，在對建立的三維模型進行網格劃分時，實際地理位置越崎嶇的地方，網格越密集。

在步驟S330，設置入口邊界條件和湍流模型。這里，入口邊界條件為在步驟S210中確定的函數。與使用風速與海拔高度之間的關系函數作為入口邊界條件相比，使用風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數作為入口邊界條件進一步考慮了地表粗糙度的影響，最終得到的流體氣動數據會更為準確。與使用風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數作為入口邊界條件相比，使用風速、海拔高度與大氣熱穩定度之間的關系函數作為入口邊界條件，可以在不同的氣流環境下得到更可靠的流體氣動數據。湍流模型可使用用于進行大渦模擬的各種湍流模型(例如，亞格子模型)，本發明不進行限制。

在步驟S340，利用網格劃分后的三維模型以及設置的入口邊界條件和湍流模型來建立大渦模擬模型。

在一個優選實施例中，在建立大渦模擬模型時還可進一步考慮設置壁面函數，以對一些復雜地形(例如，山區)進行更準確地建模。所述壁面函數如下面的式(1)所示：

U＝U_f×K×ln((z+z₀)/z₀) (1)

其中，U為平均風速，U_f為風的摩擦速度，K為卡門常數，z₀為地表粗糙度長度，z為垂直坐標。

在步驟S230，使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

在使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據時，以所述任一海拔高度和所述任一風速作為大渦模擬模型的初始邊界條件。在大渦模擬模型被設置了初始邊界條件之后，可根據測點的坐標來獲得測點處的流體氣動數據。

在此情況下，可根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的流體氣動數據。例如，所述預定位置可為槳葉和/或塔筒上的至少一個位置。應該理解，所述預定位置不限于此，可以為風電機組上的希望獲得流體氣動數據的任何位置。

可通過大渦模擬模型直接獲得所述預定位置處的風速和/或湍流強度。此外，還可進一步根據獲得的流體氣動數據中的風速確定所述預定位置處的入流角。

下面結合圖4描述根據本發明的實施例的檢測風電機組的流體氣動數據的設備。圖4示出根據本發明的實施例的檢測風電機組的流體氣動數據的設備的框圖。

參照圖4，根據本發明的實施例的檢測風電機組的流體氣動數據的設備400包括預檢測單元410、風速檢測單元420、流體氣動數據檢測單元430。

預檢測單元410預先確定在預定風電機組周圍預設的至少一個測風區域的至少一個海拔高度的風速與在所述預定風電機組處的流體氣動數據之間的關系。應該理解，這里的風速包括風速的大小和方向。

在該實施例中，在預定風電機組的周圍預設至少一個測風區域。優選地，當預定風電機組的周圍存在對預定風電機組的來流產生影響的對象時，在所述對象的上風處設置測風區域(即，所述對象位于測風區域與預定風電機組之間)。來流產生影響的對象可以是例如，障礙物(例如，山、樹林)、凹坑(例如，峽谷、湖泊、河流等)以及對來流產生影響的其他地形地貌。

在一個實施例中，可在預定風電機組周圍每隔預定角度設置一測風區域。

所述關系可以通過預定數據庫來體現。所述預定數據庫存儲有在所述至少一個測風區域處的至少一個海拔高度的多個風速、與每個測風區域處的每個風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。換言之，所述預定數據庫存儲了與不同測風區域處的海拔高度、風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。在此情況下，當獲得了某個測風區域的某個海拔高度和某個風速時，可以從該預定數據庫查找到對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。該預定數據庫可通過使用大渦模擬模型來建立，將在后面詳細描述獲得該預定數據庫中的數據的過程。

風速檢測單元420檢測所述至少一個測風區域中的預定測風區域的預定海拔高度處的風速。這里，所述預定海拔高度為所述至少一個海拔高度之一。應該理解，這里的風速包括風速的大小和方向。

風速檢測單元420可以通過各種方式來檢測上述風速。例如，風速檢測單元420可以通過在該預定測風區域設置風速計檢測在預定海拔高度處的風速、通過在風電機組上安裝激光測風雷達來檢測預定測風區域的預定海拔高度處的風速。

優選地，所述預定測風區域處于所述預定風電機組的上風側。應該理解，這里上風側是指與當前風向垂直并且經過所述預定風機組的直線的來流的一側。更優選地，所述預定測風區域為所述預定風電機組前方(即，槳葉當前面向的方向)的測風區域。

流體氣動數據檢測單元430根據預先確定的關系，確定與檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

在所述關系由預定數據庫體現的情況下，由于所述預定數據庫存儲有在所述預定測風區域處在所述預定海拔高度的多個風速、與每個測風區域處的每個風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據，因此流體氣動數據檢測單元430從所述預定數據庫提取出與檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

所述預定測風區域為所述至少一個測風區域中的一個或多個測風區域。當所述預定測風區域為多個測風區域時，流體氣動數據檢測單元430可從所述預定數據庫提取出與在每個測風區域檢測的風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據，然后獲取提取的流體氣動數據的均值或最大值或進行其他處理后的結果作為最終的結果。

下面詳細描述預檢測單元410獲得預定數據庫中的不同測風區域處的各個海拔高度處的不同風速下在所述預定風電機組處的流體氣動數據的處理。

預檢測單元410需要針對每個測風區域來預先獲得在至少一個海拔高度處的不同風速以及與不同風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

對于任一測風區域，預檢測單元410需要建立對應的大渦模擬模型，來獲取在該任一測風區域的至少一個海拔高度的不同風速以及與不同風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

具體地說，預檢測單元410首先獲取所述任一測風區域處的關于風速和海拔高度的函數。換言之，需要獲得在該任一測風區域處的地理狀況對不同海拔高度處的風速的影響情況。

關于風速和海拔高度的函數可以為下面函數中的一個：風速與海拔高度之間的關系函數、風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數、風速、海拔高度與大氣熱穩定度之間的關系函數。

隨后，預檢測單元410以獲取的函數作為入口邊界條件，建立大渦模擬模型。

然后，預檢測單元410使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據。

在使用建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定風電機組處的流體氣動數據時，以所述任一海拔高度和所述任一風速作為大渦模擬模型的初始邊界條件。在大渦模擬模型被設置了初始邊界條件之后，預檢測單元410可根據測點的坐標來獲得測點處的流體氣動數據。

在此情況下，預檢測單元410可根據所述預定風電機組上的預定位置的坐標，通過建立的大渦模擬模型確定與所述任一風速對應的在所述預定位置處的流體氣動數據。例如，所述預定位置可為槳葉和/或塔筒上的至少一個位置。應該理解，所述預定位置不限于此，可以為風電機組上的希望獲得流體氣動數據的任何位置。

預檢測單元410可通過大渦模擬模型直接獲得所述預定位置處的風速和/或湍流強度。此外，預檢測單元410還可進一步根據獲得的流體氣動數據中的風速確定所述預定位置處的入流角

為了建立對應于任一測風區域的大渦模擬模型，預檢測單元410首先對包括所述預定風電機組和所述預定測風區域的預定范圍內的地形建立三維模型。也就是說，將所述預定范圍內的地形的三維形態進行數據化，以便進行后續的建模。

隨后，預檢測單元410對建立的三維模型進行網格劃分。在一個優選實施例中，進一步考慮實際地形的崎嶇程度，在對建立的三維模型進行網格劃分時，實際地理位置越崎嶇的地方，網格越密集。

然后，預檢測單元410設置入口邊界條件和湍流模型。這里，入口邊界條件為上面確定的函數。與使用風速與海拔高度之間的關系函數作為入口邊界條件相比，使用風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數作為入口邊界條件進一步考慮了地表粗糙度的影響，最終得到的流體氣動數據會更為準確。與使用風速、風的摩擦速度、海拔高度之間的關系函數作為入口邊界條件相比，使用風速、海拔高度與大氣熱穩定度作為入口邊界條件，可以在不同的氣流環境下得到更可靠的流體氣動數據。湍流模型可使用用于進行大渦模擬的各種湍流模型，本發明不進行限制。

隨后，預檢測單元410利用網格劃分后的三維模型以及設置的入口邊界條件和湍流模型來建立大渦模擬模型。

在一個優選實施例中，在建立大渦模擬模型時還可進一步考慮設置壁面函數，以對一些復雜地形(例如，山區)進行更準確地建模。所述壁面函數可以為上面提到的式(1)。

根據本發明的檢測風電機組的流體氣動數據的方法和設備，可以在來流到達風電機組之前確定出風電機組處的流體氣動數據，從而可以提前獲知來流對風電機組的影響。此外，根據本發明的檢測風電機組的流體氣動數據的方法和設備，在不需要在風電機組上安裝專門用于檢測流體氣動數據的傳感器的情況下，可以根據需要獲得風電機組上的期望位置的流體氣動數據，并且可以獲得更細粒度的流體氣動數據，從而能夠以較低的成本獲得更多位置的流體氣動數據。

此外，根據本發明的示例性實施例的上述方法可以被實現為計算機可讀介質上的計算機程序，從而當運行該程序時，實現上述方法。

此外，根據本發明的示例性實施例的上述設備中的各個單元可被實現硬件組件或軟件模塊。此外，本領域技術人員可根據限定的各個單元所執行的處理，通過例如使用現場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)或處理器來實現各個硬件組件，可以通過編程技術來實現各個軟件模塊。

盡管已經參照其示例性實施例具體顯示和描述了本發明，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離權利要求所限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對其進行形式和細節上的各種改變。