检测风电机组的流体气动数据的方法和设备与流程

本发明涉及风力发电领域。更具体地讲，涉及一种检测风电机组的流体气动数据的方法和设备。

背景技术：

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视，风电机组的装机量也不断增加。

风电机组处的流体气动数据对于风电机组的控制以及各种监控具有非常重要的作用。然而，目前在检测风电机组处的流体气动数据时，需要在需要检测的位置设置传感器，导致成本较高。另外，这样的方式也难以了解风电机组的各个位置的流体气动数据。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种检测风电机组的流体气动数据的方法和设备。

根据本发明的一方面，提供一种检测风电机组的流体气动数据的方法，所述方法包括：预先确定在预定风电机组周围预设的至少一个测风区域的至少一个海拔高度的风速与在所述预定风电机组处的流体气动数据之间的关系；检测所述至少一个测风区域中的预定测风区域的预定海拔高度的风速；根据预先确定的关系，确定与检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

可选地，所述关系为预定数据库，所述预定数据库存储有在所述至少一个测风区域处的至少一个海拔高度的多个风速、与每个测风区域处的每个风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

可选地，与在任一测风区域处的任一海拔高度的任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据通过如下方式获得：获取所述任一测风区域处的关于风速和海拔高度的函数；以获取的函数作为入口边界条件，建立大涡模拟模型；使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

可选地，所述函数为下面函数中的一个：风速与海拔高度之间的关系函数、风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数、风速、海拔高度与大气热稳定度之间的关系函数。

可选地，建立大涡模拟模型的步骤包括：对包括所述预定风电机组和所述预定测风区域的预定范围内的地形建立三维模型；对建立的三维模型进行网格划分；设置入口边界条件和湍流模型；利用网格划分后的三维模型以及设置的入口边界条件和湍流模型来建立大涡模拟模型。

可选地，在对建立的三维模型进行网格划分时，实际地理位置越崎岖的地方，网格越密集。

可选地，建立大涡模拟模型的步骤还包括：设置壁面函数，利用网格划分后的三维模型以及设置的入口边界条件和湍流模型来建立大涡模拟模型的步骤包括：利用网格划分后的三维模型以及设置的入口边界条件、湍流模型和壁面函数来建立大涡模拟模型，所述壁面函数如下：

U＝U_f×K×ln((z+z₀)/z₀)，

其中，U为平均风速，U_f为风的摩擦速度，K为卡门常数，z₀为地表粗糙度长度，z为垂直坐标。

可选地，使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据的步骤包括：

根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的流体气动数据。

可选地，流体气动数据包括风速、湍流强度和入流角中的至少一个。

可选地，根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的流体气动数据的步骤包括：根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的风速和/或湍流强度。

可选地，根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的流体气动数据的步骤还包括：根据确定的流体气动数据中的风速确定入流角。

可选地，在使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据时，以所述任一海拔高度和所述任一风速作为大涡模拟模型的初始边界条件。

可选地，所述预定测风区域处于所述预定风电机组的上风侧。

可选地，所述预定测风区域位于所述预定风电机组前方。

可选地，当风电机组的周围存在对所述预定风电机组的来流产生影响的对象时，在所述对象的上风处设置测风区域。

本发明的另一方面提供一种检测风电机组的流体气动数据的设备，所述设备包括：预检测单元，预先确定在预定风电机组周围预设的至少一个测风区域的至少一个海拔高度的风速与在所述预定风电机组处的流体气动数据之间的关系；风速检测单元，检测所述至少一个测风区域中的预定测风区域的预定海拔高度的风速；流体气动数据检测单元，根据预先确定的关系，确定与检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

可选地，所述关系为预定数据库，所述预定数据库存储有在所述至少一个测风区域处的至少一个海拔高度的多个风速、与每个测风区域处的每个风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

可选地，预检测单元通过如下方式获得与在任一测风区域处的任一海拔高度的任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据：获取所述任一测风区域处的关于风速和海拔高度的函数；以获取的函数作为入口边界条件，建立大涡模拟模型；使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

可选地，所述函数为下面函数中的一个：风速与海拔高度之间的关系函数、风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数、风速、海拔高度与大气热稳定度之间的关系函数。

可选地，预检测单元通过如下方式建立大涡模拟模型：对包括所述预定风电机组和所述预定测风区域的预定范围内的地形建立三维模型；对建立的三维模型进行网格划分；设置入口边界条件和湍流模型；利用网格划分后的三维模型以及设置的入口边界条件和湍流模型来建立大涡模拟模型。

可选地，在预检测单元对建立的三维模型进行网格划分时，实际地理位置越崎岖的地方，网格越密集。

可选地，预检测单元还设置壁面函数，预检测单元利用网格划分后的三维模型以及设置的入口边界条件、湍流模型和壁面函数来建立大涡模拟模型，

所述壁面函数如下：

U＝U_f×K×ln((z+z₀)/z₀)，

其中，U为平均风速，U_f为风的摩擦速度，K为卡门常数，z₀为地表粗糙度长度，z为垂直坐标。

可选地，预检测单元根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的流体气动数据。

可选地，流体气动数据包括风速、湍流强度和入流角中的至少一个。

可选地，预检测单元根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的风速和/或湍流强度。

可选地，预检测单元根据确定的流体气动数据中的风速确定入流角。

可选地，在使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据时，以所述任一海拔高度和所述任一风速作为大涡模拟模型的初始边界条件。

可选地，所述预定测风区域处于所述预定风电机组的上风侧。

可选地，所述预定测风区域位于所述预定风电机组前方。

可选地，当风电机组的周围存在对所述预定风电机组的来流产生影响的对象时，所述至少一个测风区域中存在在所述对象的上风处设置的测风区域。

根据本发明的检测风电机组的流体气动数据的方法和设备，可以在来流到达风电机组之前确定出风电机组处的流体气动数据，从而可以提前获知来流对风电机组的影响。此外，根据本发明的检测风电机组的流体气动数据的方法和设备，在不需要在风电机组上安装专门用于检测流体气动数据的传感器的情况下，可以根据需要获得风电机组上的期望位置的流体气动数据，并且可以获得更细粒度的流体气动数据，从而能够以较低的成本获得更多位置的流体气动数据。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出根据本发明的实施例的检测风电机组的流体气动数据的方法的流程图；

图2示出根据本发明的实施例的获得与在任一测风区域处的任一海拔高度的任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据的流程图；

图3示出根据本发明的实施例的建立大涡模拟模型的流程图；

图4示出根据本发明的实施例的检测风电机组的流体气动数据的设备的框图。

具体实施方式

现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例。

在本发明的检测风电机组的流体气动数据的方法中，通过在风电机组的周边设置测风区域，通过测风区域的关于风的数据确定预定风电机组的处的流体气动数据。这样，可以在来流到达风电机组之前确定出预定风电机组处的流体气动数据。

图1示出根据本发明的实施例的检测风电机组的流体气动数据的方法的流程图。

参照图1，在步骤S110，预先确定在预定风电机组周围预设的至少一个测风区域的至少一个海拔高度的风速与在所述预定风电机组处的流体气动数据之间的关系。应该理解，这里的风速为矢量，包括风速的大小和方向。

在该实施例中，在预定风电机组的周围预设至少一个测风区域。优选地，当预定风电机组的周围存在对预定风电机组的来流产生影响的对象时，在所述对象的上风处设置测风区域(即，所述对象位于测风区域与预定风电机组之间)。来流产生影响的对象可以是例如，障碍物(例如，山、树林)、凹坑(例如，峡谷、湖泊、河流等)以及对来流产生影响的其他地形地貌。

在一个实施例中，可在预定风电机组周围每隔预定角度设置一测风区域。

所述关系可以通过预定数据库来体现。所述预定数据库存储有在所述至少一个测风区域处的至少一个海拔高度的多个风速、与每个测风区域处的每个风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。换言之，所述预定数据库存储了与不同测风区域处的海拔高度、风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。在此情况下，当获得了某个测风区域的某个海拔高度和某个风速时，可以从该预定数据库查找到对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。该预定数据库可通过使用大涡模拟模型来建立，将在后面详细描述获得该预定数据库中的数据的过程。

在步骤S120，检测所述至少一个测风区域中的预定测风区域的预定海拔高度处的风速。这里，所述预定海拔高度为所述至少一个海拔高度之一。应该理解，这里的风速为矢量，包括风速的大小和方向。

可以通过各种方式来检测上述风速。例如，可以在该预定测风区域设置风速计检测在预定海拔高度处的风速、通过在风电机组上安装激光测风雷达来检测预定测风区域的预定海拔高度处的风速。

优选地，所述预定测风区域为所述至少一个测风区域中的处于所述预定风电机组的上风侧的测风区域。应该理解，这里上风侧是指与当前风向垂直并且经过所述预定风机组的直线的来流的一侧。更优选地，所述预定测风区域为所述预定风电机组前方(即，桨叶当前面向的方向)的测风区域。

在步骤S130，根据预先确定的关系，确定与检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

在所述关系由预定数据库体现的情况下，由于所述预定数据库存储有在所述预定测风区域处在所述预定海拔高度的多个风速、与每个测风区域处的每个风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据，因此从所述预定数据库提取出与检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

所述预定测风区域为所述至少一个测风区域中的一个或多个测风区域。当所述预定测风区域为多个测风区域时，可从所述预定数据库提取出与在每个测风区域检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据，然后获取提取的流体气动数据的均值或最大值或进行其他处理后的结果作为最终的结果。

下面详细描述获得预定数据库中的不同测风区域处的各个海拔高度处的不同风速下在所述预定风电机组处的流体气动数据的处理。

需要针对每个测风区域来预先获得在至少一个海拔高度处的不同风速以及与不同风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

对于任一测风区域，需要建立对应的大涡模拟模型，来获取在该任一测风区域的在至少一个海拔高度的不同风速以及与不同风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

下面参照图2和图3来描述获得与在任一测风区域处的任一海拔高度的任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据的过程。

图2示出根据本发明的实施例的获得与在任一测风区域处的任一海拔高度的任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据的流程图。

在步骤S210，获取所述任一测风区域处的关于风速和海拔高度的函数。换言之，需要获得在该任一测风区域处的地理状况对不同海拔高度处的风速的影响情况。

关于风速和海拔高度的函数可以为下面函数中的一个：风速与海拔高度之间的关系函数、风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数、风速、海拔高度与大气热稳定度之间的关系函数。

在步骤S220，以获取的函数作为入口边界条件，建立大涡模拟模型。

下面参照图3描述建立大涡模拟模型的过程。图3示出根据本发明的实施例的建立大涡模拟模型的流程图。

如图3所示，在步骤S310，对包括所述预定风电机组和所述预定测风区域的预定范围内的地形建立三维模型。也就是说，将所述预定范围内的地形的三维形态进行数据化，以便进行后续的建模。

在步骤S320，对建立的三维模型进行网格划分。在一个优选实施例中，进一步考虑实际地形的崎岖程度，在对建立的三维模型进行网格划分时，实际地理位置越崎岖的地方，网格越密集。

在步骤S330，设置入口边界条件和湍流模型。这里，入口边界条件为在步骤S210中确定的函数。与使用风速与海拔高度之间的关系函数作为入口边界条件相比，使用风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数作为入口边界条件进一步考虑了地表粗糙度的影响，最终得到的流体气动数据会更为准确。与使用风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数作为入口边界条件相比，使用风速、海拔高度与大气热稳定度之间的关系函数作为入口边界条件，可以在不同的气流环境下得到更可靠的流体气动数据。湍流模型可使用用于进行大涡模拟的各种湍流模型(例如，亚格子模型)，本发明不进行限制。

在步骤S340，利用网格划分后的三维模型以及设置的入口边界条件和湍流模型来建立大涡模拟模型。

在一个优选实施例中，在建立大涡模拟模型时还可进一步考虑设置壁面函数，以对一些复杂地形(例如，山区)进行更准确地建模。所述壁面函数如下面的式(1)所示：

U＝U_f×K×ln((z+z₀)/z₀) (1)

其中，U为平均风速，U_f为风的摩擦速度，K为卡门常数，z₀为地表粗糙度长度，z为垂直坐标。

在步骤S230，使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

在使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据时，以所述任一海拔高度和所述任一风速作为大涡模拟模型的初始边界条件。在大涡模拟模型被设置了初始边界条件之后，可根据测点的坐标来获得测点处的流体气动数据。

在此情况下，可根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的流体气动数据。例如，所述预定位置可为桨叶和/或塔筒上的至少一个位置。应该理解，所述预定位置不限于此，可以为风电机组上的希望获得流体气动数据的任何位置。

可通过大涡模拟模型直接获得所述预定位置处的风速和/或湍流强度。此外，还可进一步根据获得的流体气动数据中的风速确定所述预定位置处的入流角。

下面结合图4描述根据本发明的实施例的检测风电机组的流体气动数据的设备。图4示出根据本发明的实施例的检测风电机组的流体气动数据的设备的框图。

参照图4，根据本发明的实施例的检测风电机组的流体气动数据的设备400包括预检测单元410、风速检测单元420、流体气动数据检测单元430。

预检测单元410预先确定在预定风电机组周围预设的至少一个测风区域的至少一个海拔高度的风速与在所述预定风电机组处的流体气动数据之间的关系。应该理解，这里的风速包括风速的大小和方向。

在该实施例中，在预定风电机组的周围预设至少一个测风区域。优选地，当预定风电机组的周围存在对预定风电机组的来流产生影响的对象时，在所述对象的上风处设置测风区域(即，所述对象位于测风区域与预定风电机组之间)。来流产生影响的对象可以是例如，障碍物(例如，山、树林)、凹坑(例如，峡谷、湖泊、河流等)以及对来流产生影响的其他地形地貌。

在一个实施例中，可在预定风电机组周围每隔预定角度设置一测风区域。

所述关系可以通过预定数据库来体现。所述预定数据库存储有在所述至少一个测风区域处的至少一个海拔高度的多个风速、与每个测风区域处的每个风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。换言之，所述预定数据库存储了与不同测风区域处的海拔高度、风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。在此情况下，当获得了某个测风区域的某个海拔高度和某个风速时，可以从该预定数据库查找到对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。该预定数据库可通过使用大涡模拟模型来建立，将在后面详细描述获得该预定数据库中的数据的过程。

风速检测单元420检测所述至少一个测风区域中的预定测风区域的预定海拔高度处的风速。这里，所述预定海拔高度为所述至少一个海拔高度之一。应该理解，这里的风速包括风速的大小和方向。

风速检测单元420可以通过各种方式来检测上述风速。例如，风速检测单元420可以通过在该预定测风区域设置风速计检测在预定海拔高度处的风速、通过在风电机组上安装激光测风雷达来检测预定测风区域的预定海拔高度处的风速。

优选地，所述预定测风区域处于所述预定风电机组的上风侧。应该理解，这里上风侧是指与当前风向垂直并且经过所述预定风机组的直线的来流的一侧。更优选地，所述预定测风区域为所述预定风电机组前方(即，桨叶当前面向的方向)的测风区域。

流体气动数据检测单元430根据预先确定的关系，确定与检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

在所述关系由预定数据库体现的情况下，由于所述预定数据库存储有在所述预定测风区域处在所述预定海拔高度的多个风速、与每个测风区域处的每个风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据，因此流体气动数据检测单元430从所述预定数据库提取出与检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

所述预定测风区域为所述至少一个测风区域中的一个或多个测风区域。当所述预定测风区域为多个测风区域时，流体气动数据检测单元430可从所述预定数据库提取出与在每个测风区域检测的风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据，然后获取提取的流体气动数据的均值或最大值或进行其他处理后的结果作为最终的结果。

下面详细描述预检测单元410获得预定数据库中的不同测风区域处的各个海拔高度处的不同风速下在所述预定风电机组处的流体气动数据的处理。

预检测单元410需要针对每个测风区域来预先获得在至少一个海拔高度处的不同风速以及与不同风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

对于任一测风区域，预检测单元410需要建立对应的大涡模拟模型，来获取在该任一测风区域的至少一个海拔高度的不同风速以及与不同风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

具体地说，预检测单元410首先获取所述任一测风区域处的关于风速和海拔高度的函数。换言之，需要获得在该任一测风区域处的地理状况对不同海拔高度处的风速的影响情况。

关于风速和海拔高度的函数可以为下面函数中的一个：风速与海拔高度之间的关系函数、风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数、风速、海拔高度与大气热稳定度之间的关系函数。

随后，预检测单元410以获取的函数作为入口边界条件，建立大涡模拟模型。

然后，预检测单元410使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据。

在使用建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定风电机组处的流体气动数据时，以所述任一海拔高度和所述任一风速作为大涡模拟模型的初始边界条件。在大涡模拟模型被设置了初始边界条件之后，预检测单元410可根据测点的坐标来获得测点处的流体气动数据。

在此情况下，预检测单元410可根据所述预定风电机组上的预定位置的坐标，通过建立的大涡模拟模型确定与所述任一风速对应的在所述预定位置处的流体气动数据。例如，所述预定位置可为桨叶和/或塔筒上的至少一个位置。应该理解，所述预定位置不限于此，可以为风电机组上的希望获得流体气动数据的任何位置。

预检测单元410可通过大涡模拟模型直接获得所述预定位置处的风速和/或湍流强度。此外，预检测单元410还可进一步根据获得的流体气动数据中的风速确定所述预定位置处的入流角

为了建立对应于任一测风区域的大涡模拟模型，预检测单元410首先对包括所述预定风电机组和所述预定测风区域的预定范围内的地形建立三维模型。也就是说，将所述预定范围内的地形的三维形态进行数据化，以便进行后续的建模。

随后，预检测单元410对建立的三维模型进行网格划分。在一个优选实施例中，进一步考虑实际地形的崎岖程度，在对建立的三维模型进行网格划分时，实际地理位置越崎岖的地方，网格越密集。

然后，预检测单元410设置入口边界条件和湍流模型。这里，入口边界条件为上面确定的函数。与使用风速与海拔高度之间的关系函数作为入口边界条件相比，使用风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数作为入口边界条件进一步考虑了地表粗糙度的影响，最终得到的流体气动数据会更为准确。与使用风速、风的摩擦速度、海拔高度之间的关系函数作为入口边界条件相比，使用风速、海拔高度与大气热稳定度作为入口边界条件，可以在不同的气流环境下得到更可靠的流体气动数据。湍流模型可使用用于进行大涡模拟的各种湍流模型，本发明不进行限制。

随后，预检测单元410利用网格划分后的三维模型以及设置的入口边界条件和湍流模型来建立大涡模拟模型。

在一个优选实施例中，在建立大涡模拟模型时还可进一步考虑设置壁面函数，以对一些复杂地形(例如，山区)进行更准确地建模。所述壁面函数可以为上面提到的式(1)。

根据本发明的检测风电机组的流体气动数据的方法和设备，可以在来流到达风电机组之前确定出风电机组处的流体气动数据，从而可以提前获知来流对风电机组的影响。此外，根据本发明的检测风电机组的流体气动数据的方法和设备，在不需要在风电机组上安装专门用于检测流体气动数据的传感器的情况下，可以根据需要获得风电机组上的期望位置的流体气动数据，并且可以获得更细粒度的流体气动数据，从而能够以较低的成本获得更多位置的流体气动数据。

此外，根据本发明的示例性实施例的上述方法可以被实现为计算机可读介质上的计算机程序，从而当运行该程序时，实现上述方法。

此外，根据本发明的示例性实施例的上述设备中的各个单元可被实现硬件组件或软件模块。此外，本领域技术人员可根据限定的各个单元所执行的处理，通过例如使用现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或处理器来实现各个硬件组件，可以通过编程技术来实现各个软件模块。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。