一种判断大风风向突变对风机影响的方法与流程

一种判断大风风向突变对风机影响的方法
1.技术领域
2.本发明属于风资源评估技术领域，尤其涉及一种判断大风风向突变对风机影响的方法。


背景技术：

3.近年来，新型清洁能源研究成为全球能源领域的热点课题，而风能既是清洁能源，又是可再生能源，由于其兼具无污染、成本低、效益显著等优点而成为了优质新能源的首选，其中以风能为原料的风力发电技术更是重要的开发领域。
4.风电场风机长期保持稳定高效的性能是风电场良好运营的重要因素。除了风机本身疲劳运转导致风机性能下降外，气象灾害是影响风机性能和寿命主要因素。随着风电技术的逐步发展，风机的抗灾性能也在不断提高，也出现了抗台风型风机、抗低温型风机等应对特定气象灾害的风机。
5.风机叶片受到不平衡力的作用是导致风机振动损伤和损坏的主要原因之一，而大风风向突变是风机受到不平衡力的最直接的原因。诸如龙卷风、台风眼、飑线等气象灾害，由于其气流旋转速度快，风向变化快，在其行进路线上特别容易发生风向突变现象，风向突变所造成的强大扭转力极易影响风机叶片的正常运转。如果风机经常遭受类似这样的大风风向突变天气的侵扰，会造成疲劳损耗，性能逐渐下降，严重时风电机组出现整机倾倒、主轴断裂、齿轮箱损坏、叶片断裂等事故，最终可能无法正常运行，提前结束服务期。
6.此外，随着风电产业的逐步发展，现在有越来越多的风电场建设到了地形复杂的山地地带，某些地形变化产生的地面效应，如风速较大的山顶、山口等位置，气流加速的同时，风向也可能发生突变，这些都影响着风电机组运行的安全性。风电设备制造企业和风电场运营企业面临着巨大的维修维护服务和成本。
7.因此，为了明确大风风向突变现象对风机的影响，为风机抗风参数设计提供依据，为风电场规划设计及风机选型等提供参考，有必要在风能资源评估方法中，增加大风风向突变指数相关的评估内容。


技术实现要素：

8.本发明提供一种判断大风风向突变对风机影响的方法，通过计算大风风向突变指数明确某一地区大风风向突变发生的频次，评估风机受到大风风向突变的影响程度。为风机抗风参数设计，风电场前期规划及风机选型，风电场风机运营维护等工作提供依据，有效降低风机损坏风险。
9.一种判断大风风向突变对风机影响的方法，所述方法包括如下步骤：步骤s1：对风电场或拟建风电场进行测风，获取风速风向数据；步骤s2：对所述风速风向数据进行检验，并剔除其中的无效数据，获得有效风速风
向数据；步骤s3：定义大风风向突变指数；步骤s4：根据所述大风风向突变指数的定义和有效风速风向数据计算大风风向突变指数；步骤s5：根据所述大风风向突变指数判断大风风向突变对风机的影响。
10.优选的，所述风速风向数据包括逐10分钟平均风速和风向，10分钟内瞬时风速最大值、最小值及标准偏差，以及，10分钟内瞬时风向变化范围及标准偏差。
11.优选的，所述步骤s1具体包括：在风电场或拟建风电场选取有代表性的位置，设立测风塔进行观测，获取风速风向数据，观测时段为连续至少12个月。
12.优选的，所述测风塔具有至少三层观测层，观测层设有风速、风向传感器，其中最低一观测层设于所述测风塔的10 m高度处，另一观测层设于风力发电机组轮毅高度处，再一观测层设于测风塔的30m高度或风机叶片扫过的最低高度处；各观测层风速、风向传感器之间相距10m的整数倍。
13.优选的，所述步骤s2具体包括：对所述风速风向数据的完整性、合理性和/或相关性进行校验，找出其中的无效数据，获得有效风速风向数据，步骤具体包括：对风速风向数据的逐小时数据的完整性、合理性和相关性进行检验，找出并剔除其中的无效数据；对10分钟平均风速和风向，10分钟内瞬时风速最大值、最小值及标准偏差，以及，10分钟内瞬时风向变化范围及标准偏差的合理性、相关性进行检验，找出并剔除其中的无效数据。
14.优选的，所述步骤s3具体包括：定义连续12个月中发生所述大风风向突变的频率为大风风向突变指数，并根据风速大小及风向变化的范围，将大风风向突变指数划分为1至5的五个等级；所述大风风向突变是指在风速满足预定条件的情况下，预定时间范围内风向变化大于预定角度的现象。
15.优选的，所述步骤s5的判断规则具体包括：若大风风向突变指数的等级越高，则大风风向突变对风机的影响越大，即大风风向突变指数为1级时，大风风向突变对风机影响最小，大风风向突变指数为5级时，则大风风向突变对风机影响最大。若大风风向突变指数为同一等级，则指数数值越大，大风风向突变对风机的影响越大。
附图说明
16.图1是本发明实施例提供的一种判断大风风向突变对风机影响的方法的流程示意图；图2是本发明实施例采用的一种测风塔的结构示意图；图3是本发明实施例进行风速风向数据检验的流程示意图。
17.具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.本发明实施例提供一种判断大风风向突变对风机影响的方法，旨在确定某一地区大风风向突变发生的频次，评估风机受到大风风向突变的影响程度。
20.实施例一本发明实施例一是这样实现的，一种判断大风风向突变对风机影响的方法，该方法包括如下步骤：步骤s1：对风电场或拟建风电场进行测风，获取风速风向数据；步骤s2：对所述风速风向数据进行检验，并剔除其中的无效数据，获得有效风速风向数据；步骤s3：定义大风风向突变指数；步骤s4：根据所述大风风向突变指数的定义和有效风速风向数据计算大风风向突变指数；步骤s5：根据所述大风风向突变指数判断大风风向突变对风机的影响。
21.本方法通过在风电场或拟建风电场进行测风，获取风速风向数据，并对风速风向数据进行检验，并剔除其中的无效数据，从而获得有效风速风向数据。再对大风风向突变指数进行定义，从而利用有效风速风向数据计算大风风向突变指数，从而据此判断出大风风向突变现象对风机的影响程度。
22.实施例二本发明实施例二是这样实现的，一种判断大风风向突变对风机影响的方法，具体包括以下步骤：步骤s1：风电场风能资源测量。在风电场（或拟建风电场）有代表性的位置设立测风塔进行观测，获取风速风向数据。测风塔设立应依据《gb/t 18709-2002（风电场风能资源测量方法）》观测规范，一般要求风速、风向观测层不少于两层。其中，测风塔10 m高度应有一套风速、风向传感器，用于与附近气象站（观测高度一般10m）风况进行比较；在风机轮毂高度附近也应有一套风速、风向传感器。
23.由于10米高度风速风向受下垫面与周边环境影响比较严重，本发明推荐测风塔风速、风向观测层不少于三层。除在10m高度以及风力发电机组轮毅高度处附近安装风速、风向传感器外，在不低于30m高度（或风机叶片扫过的最低高度）与轮毂高度之间，还应至少有一套风速、风向传感器，且该高度层距离风机叶片扫过的最低高度距离越近越好，以准确记录风机叶片所处位置的风速、风向数值变化。各层风速、风向传感器之间相距一般为10m的整数倍。
24.获取测风塔所有设定高度层在观测时间段内采集的风速风向数据。本发明设定高度层应为测风塔10m及以上高度层，观测时段应为至少连续12个月。采集的要素包括逐10分钟平均风速和风向，10分钟内瞬时风速最大值、最小值以及标准偏差，10分钟内瞬时风向变
化范围以及标准偏差。
25.步骤s2：测风数据整理及检验。参照《gb/t 18710-2002（风电场风能资源评估方法）》，对风速风向数据的逐小时数据的完整性、合理性、相关性等进行检验，找出并剔除无效数据。此外，对更小时间尺度的10分钟平均风速和风向，10分钟内瞬时风速最大值、最小值以及标准偏差，以及10分钟内瞬时风向变化范围以及标准偏差等逐10分钟数据的合理性、相关性进行检验。对于风速较大的数据，一般遵循以下几个原则：1) 稳定性。多数情况下，10分钟内瞬时风速最大值和最小值变化不大，标准偏差比较小，瞬时风速和风向相对比较稳定。
26.2) 相关性。相邻10分钟相邻高度层风速风向变化趋势基本相同，风速同时增大或同时减小，风向转向基本一致。
27.3) 个例判断。如果某一观测记录风速较大，且10分钟内瞬时风速和风向不稳定（标准偏差较大），但其相邻逐10分钟观测数据的瞬时风速和风向都比较稳定（标准偏差较小），经人工判断，审核记录无误，则表明这段时间发生了大风风向突变现象。
28.经审核后，有效数据完整率应达到90%以上。
29.步骤s3：大风风向突变指数定义。本发明定义在大风情况下，短时间内风向出现较大变化的现象称为大风风向突变。连续12个月中，发生大风突变的频率，称为大风风向突变指数；根据风速风向的变化范围，将大风风向突变和大风风向突变指数划分为5级，划分标准如下：1) 相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速为8m/s ~10m/s，所有高度层平均风向角度变化为40
°
~60
°
，称为1级大风风向突变。连续12个月中，发生1级大风突变的频率，称为1级大风风向突变指数；2) 相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速为8m/s~10 m/s，所有高度层平均风向角度变化为60
°
~80
°
；或者相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速均为10m/s~12m/s，所有高度层平均风向角度变化为40
°
~60
°
，称为2级大风风向突变。连续12个月中，发生2级大风突变的频率，称为2级大风风向突变指数；3) 相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速为8m/s~10 m/s，所有高度层平均风向角度变化超过80
°
；或者相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速为10m/s~12m/s，所有高度层平均风向角度变化超过为60
°
~80
°
；或者相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速均大于12m/s，所有高度层平均风向角度变化为40
°
~ 60
°
，称为3级大风风向突变。连续12个月中，发生3级大风突变的频率，称为3级大风风向突变指数。
30.4) 相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速为10m/s~12m/s，所有高度层平均风向角度变化超过80
°
；或者相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速均大于12m/s，所有高度层平均风向角度变化为60
°
~80
°
，称为4级大风风向突变。连续12个月中，发生4级大风突变的频率，称为4级大风风向突变指数。
31.5) 相邻两个10min测风塔所有高度层10min平均风速均大于12m/s，所有高度层平均风向角度变化超过80
°
，称为5级大风风向突变。连续12个月中，发生5级大风突变的频率，称为5级大风风向突变指数。
32.如果根据相邻两个10min数据统计出两个或两个以上不同等级大风风向突变指数，则取最高等级大风风向突变指数。如果下垫面情况复杂，10米高度与上层风速风向差异
较大，上述定义可以不考虑10米高度风速风向情况。
33.大风风向突变等级对应的风速风向数值如表1所示：表1：大风风向突变等级对应风速风向变化表步骤s4：大风风向突变指数计算。依据以上对大风风向突变及大风风向突变指数的定义，利用测风塔所有设定高度层(10m及以上高度) 在观测时间段（至少连续12个月）内经过检验验证的风速风向数据进行计算：1) 计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于8m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过40
°
的次数，即为1级大风风向突变次数，并计算平均一年内发生1级大风风向突变的频率，得到1级大风风向突变指数；2) 计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于 8m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过60
°
的次数；计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于 10m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过40
°
的次数；二者之和即为2级大风风向突变次数。并计算平均一年内发生2级大风风向突变的频率，得到2级大风风向突变指数；3) 计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于 8m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过80
°
的次数；计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于 10m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过60
°
的次数；计算相邻两个10min测风塔所有设定高度层在观测时间段内， 10min平均风速均大于 12m/s时，平均风向的角度变化，统
计平均风向角度变化超过40
°
的次数；三者之和即为3级大风风向突变次数。并计算平均一年内发生3级大风风向突变的频率，得到3级大风风向突变指数；4) 计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于 10m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过80
°
的次数；计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于 12m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过60
°
的次数；二者之和即为4级大风风向突变次数。并计算平均一年内发生4级大风风向突变的频率，得到4级大风风向突变指数；5) 计算测风塔所有设定高度层在观测时间段的相邻两个10min内，10min平均风速均大于 12m/s时，平均风向的角度变化，统计平均风向角度变化超过80
°
的次数, 即为5级大风风向突变次数。并计算平均一年内发生5级大风风向突变的频率，得到5级大风风向突变指数；步骤s5：大风风向突变指数应用。不同等级大风风向突变指数，表明大风风向突变对风机的不同影响程度。5级大风风向突变指数表示大风突变现象对风机影响最严重，4级次之，依次类推，1级大风风向突变指数表示大风突变现象对风机影响最小。同一等级的大风风向突变指数，数值越大，表明大风突变现象对风机影响程度越高。
34.下表为在河南某风电场实际实施本发明实施例提供的方法而获得的数据：表2：河南某风电场1级大风风向突变现象出现时间表3：河南某风电场2级大风风向突变现象出现时间表4河南某风电场3级大风风向突变现象出现时间表5：河南某风电场1级大风风向突变指数观测时长（月）大风风向突变次数大风风向突变指数1222.00表6：河南某风电场2级大风风向突变指数
观测时长（月）大风风向突变次数大风风向突变指数1211.00表7：河南某风电场3级大风风向突变指数观测时长（月）大风风向突变次数大风风向突变指数1211.00由上述表格可以看出，河南某风电场在12个月的观测期间的大风风向突变指数为：1级大风风向突变指数2.00，2级大风风向突变指数1.00，3级大风风向突变指数1.00。可据此评估风机受到大风风向突变的影响程度，以便对风电场进行前期规划建设及风机选型。
35.本发明实施例提供一种判断大风风向突变对风机影响的方法，旨在确定某一地区大风风向突变发生的频次，评估风机受到大风风向突变的影响程度。风机设计及研发时，可依据大风风向突变指数充分考虑大风风向突变现象对风机的影响。不同地区的风电场进行前期规划建设及风机选型时，应充分考虑当地大风风向突变现象的严重程度，根据大风风向突变指数的不同等级，选择合适的风机机型，并适当考虑风机疲劳损耗导致性能下降等因素。同时在风电场风机运营维护的工作中，应对当地大风突变现象随季节变化／随空间位置变化的特征进行分析把握，通过合理有效的应对措施，来降低大风风向突变现象对风机的影响。
36.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。