专利名称：一种基于风速重采样技术的风速谱获取方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电过程中基于离散风速序列连续化与重采样技术的瞬时风速谱获取方法。
背景技术：
风能是一种清洁的可再生能源，与传统能源相比，风力发电不依赖矿物能源，也没有碳排放等环境成本，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。随着风力发电技术的不断发展以及风力发电容量的快速增加，风力发电机组瞬时响应的分析得到越来越多的重视。作为实现风力发电塔架与机组风载响应分析必不可少的条件之一，风速谱的测定对于风力发电机组的工程运行和状态分析具有十分重要的意义。风速谱的测定包括两个方面的内容一是风速测量传感器，二是基于所选择的风速测量传感器采集的风速数据进行风速谱的计算。对于风速测量传感器，目前常用的主要有如下几类1)皮拖管式风速计该传感器测风速的方法为一种间接测算法，即通过皮托管一压差计测试系统，测定出风速的速压值，然后通过风速与速压的关系求算出相应的风速值。2)热式风速计该传感器测速的方法是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化，利用其在气流中的热量散失强度与气流速度之间的关系来测量流速。其灵敏度随风速的增大而减小，具有明显的非线性，比较适合于微风的测量。3)超音波式风速计该传感器测速的方法是在某个方向上顺风、逆风条件下，根据发射施加激励脉冲起到接收收到第一个脉冲止的超声传播时间测得该方向上的风速。4)叶轮式风速计风杯风速仪的感应部分一般由三个或四个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成。杯壳固定在互成120°角的三叉星形支架上或互成90°角的十字形支架的等长旋臂上。杯的凹面顺着同一方向排列，整个横架则固定在能旋转的垂直轴上。由于凹面和凸面所受的风压力不相等，在风杯受到扭力作用时开始旋转，根据风杯转速与风速之间的数学关系测定风速。目前在风力发电机上使用的测风仪器中，风杯风速仪因为其成本较低，使用方便， 并且基本不需要维护，成为风力发电机上最常用的测风传感器。对于风杯风速仪的风速谱计算，现在常用风速谱测定方法是通过风速传感器测得某段时间内的平均风速数据后，根据各种先验的经验谱进行拟合获得。但是，文献研究已经表明各种经验谱都有其局限性，与真实风速谱存在比较大的误差。并且根据经验谱拟合得到的实际上是某一段时间内的平均风速谱，而对于风力发电机组实时风载荷响应分析或振动分析，则需要获得风力发电机组所收到的瞬时风载荷。因此，如何通过风力发电机组上常用的风杯风速仪得到瞬时风速谱，对于风力发电机动态载荷分析或振动分析具有十分重要的意义。发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于样条技术对风杯风速仪输出的脉冲信号进行拟合处理，并对拟合得到的连续风速信号进行重采样处理，通过傅里叶变换得到风速谱的方法。
本发明采用如下技术方案
一种基于风速重采样技术的风速谱获取方法，其特征在于该方法包括以下步骤
步骤A在风力发电机上安装一个风杯式风速仪，并对风速仪输出的脉冲间隔与实时风速进行采集，获取实时风速离散序列IV1, V2, . . . , Vk,. . . VJ , η为正整数，k为区间[1， η]上的正整数；
步骤B利用三次样条对实时风速离散序列进行连续化处理，获取连续风速时程曲线.一入 ，
步骤C确定采样频率与采样长度，对连续风速时程曲线进行等时间间隔采样，并进行频谱分析，得到实际的瞬时风速谱。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
本发明的方法以样条计算和数字信号处理技术为基础，基于样条技术对风杯风速仪输出的脉冲信号采样后得到的实时风速序列进行连续化处理获取连续风速时程曲线，并对连续风速时程进行重采样处理，为风力发电机动态载荷分析或振动分析提供精确的瞬时风载荷信息，提高载荷分析或振动分析结论的有效性。
1、本发明利用风力发电机运行过程中常用的风杯式风速计进行瞬时风速谱的测定，具有成本低、结构简单的特点，易于在现有风力发电机上应用。
2、相对于现有风力发电机组中只通过风杯式风速仪获取某段时间内的风速均值而言，本发明提供的方法能够对风速仪输出的信号进行动态采集与处理，获取相应的风速■i並曰ο
3、本发明提供的方法运用了样条处理技术与重采样技术，大大降低了风杯式风速仪自身结构导致的瞬时风速时程检测误差。
4、本发明不仅可以应用于风力发电机组的振动分析与机械运行状态监测，也可以应用于风电机组的结构分析和预测控制。
图1为本发明整体结构。
图2为本发明装置工作原理图。
图3为基于风速重采样技术的风速谱获取方法的处理流程。图4为基于风速重采样技术的风速谱获取方法测得的一种实时风速离散序列。 图5为基于图4的一种连续风速时程曲线。 图6为基于图5的一种瞬时风速谱。
具体实施例方式1、本发明由风杯式风速仪、数据采集装置、PC上位机三部分构成，本发明的方法应用于PC上位机软件，系统实现实例框图如图1所示。其中，风杯式风速仪安装于风力发电机上，风杯式风速仪的脉冲输出信号输入至数据采集装置，数据采集装置通过RS485串口与PC上位机连接。2、本发明装置的硬件结构如图2所示。风杯式风速仪在风作用下转动，在风速与脉冲频率之间建立了线性关系，将风速转换为响应的脉冲信号输出，数据采集装置中的脉冲整形电路在对风杯式风速仪输出的脉冲信号进行整形后，输入至单片机的外部中断接口，采用非均勻时间间隔采样方法实现对风速仪输出的脉冲间隔与实时风速的采集，获取实时风速离散序列，数据采集装置把采集到的风速离散序列通过装置的RS485串口发送至 PC上位机。3、风杯式风速仪在风作用下转动并每转过一个角度触发一个脉冲，触发单片机的外部中断，在与该中断对应的中断服务程序中，可以获得每次脉冲对应的时刻，设第k次触发脉冲的时间记为Tk，则根据公认的指示可以得到该时刻的实时风速vk，可以表示为Vk = a/ (Tk-Tk^1) +b 式(1)其中，a与b为常数，Tk为第k次触发脉冲对应的时间，Tk^1为第k-Ι次触发脉冲对应的时间。4、数据采集装置采集到风杯式风速仪脉冲输出的离散时间序列ITtl, T1, T2,..., !^^，!^^，!^...，！；丨，！！为正整数，！^为区间[l，n]上的正整数，根据式⑴可以计算得到与离散时间序列相对应的实时风速离散序列IV1, V2, ... , Vk^1, Vk, . . . , VJ , η为正整数，k为区间[1，η]上的正整数，对该离散序列运用三次样条进行连续化处理，从而得到连续的风速时程曲线，其具体过程如下根据三次样条插值函数建立采样时刻t上对应的分段插值多项式V (t)，即
权利要求
1.一种基于风速重采样技术的风速谱获取方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤A在风力发电机上安装一个风杯式风速仪，并对风速仪输出的脉冲间隔与实时风速进行采集，获取实时风速离散序列IV1, . . . , Vk, . . . VJ , η为正整数，k为区间[1，η]上的正整数；步骤B利用三次样条对实时风速离散序列进行连续化处理，获取连续风速时程曲线； 步骤C确定采样频率与采样长度，对连续风速时程曲线进行等时间间隔采样，并进行频谱分析，得到实际的瞬时风速谱。
2.根据权利要求1所述的基于风速重采样技术的风速谱获取方法，其特征在于获取连续风速时程曲线的方法如下根据三次样条插值函数建立采样时刻t上对应的分段插值多项式V (t)，即
全文摘要
一种基于风速重采样技术的风速谱获取方法在风力发电机上安装一个风杯式风速仪，并对风速仪输出的脉冲间隔与实时风速进行采集，获取实时风速离散序列{V1，V2，...，Vk，...Vn}，n为正整数，k为区间[1，n]上的正整数；利用三次样条对实时风速离散序列进行连续化处理，获取连续风速时程曲线；确定采样频率与采样长度，对连续风速时程曲线进行等时间间隔采样，并进行频谱分析，得到实际的瞬时风速谱。本发明基于样条技术对风杯风速仪输出的脉冲信号采样后得到的实时风速序列进行连续化处理获取连续风速时程曲线，并对连续风速时程进行重采样处理，为风力发电机动态载荷分析或振动分析提供精确的瞬时风载荷信息。
文档编号G01P5/06GK102539825SQ20101057749
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者尤林, 胡建中, 许中奎, 许飞云, 贾民平, 钟秉林 申请人:东南大学, 扬州神州风力发电机有限公司