一种适应在运风电场测试场地地形评估方法与流程

本发明属于风电场功率特性测试领域，具体涉及一种适应在运风电场测试场地地形评估方法。

背景技术：

在风力发电机组功率特性测试中，测试场地地形评估是用来判断测试场地是否属于平坦地形的手段。若评估结果为平坦地形则在功率特性测试中则无需进行场地标定；若评估结果为复杂地形则在功率特性测试中需进行场地标定。在功率特性测试标准中关于地形评估章节未对使用何种方法进行地形拟合进行说明，现阶段常用的一种地形拟合方式是使用最小二乘法对360°扇区或可用扇区进行整体拟合，该方法的一个缺陷是对整个可用扇区或360°扇区进行拟合，最终得到一个最佳拟合平面计算得到地形偏离最佳平面最大偏差以及最大倾角，但无法表征出不同扇区内的地形偏差角度和最大倾角。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适应在运风电场测试场地地形评估方法，以克服现有技术的缺陷，本发明可更清楚的描述出各个扇区内的地形起伏情况，若测试风电场在复杂地形，则可根据主风向上被选机组的各个扇区地形评估情况，选择出一个地形偏差及起伏在各扇区相差较小，代表性较好的机组作为待测机组进行功率特性测试。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适应在运风电场测试场地地形评估方法，包括以下步骤：

步骤1：根据在运风电场风玫瑰图、地形起伏程度及现场环境条件对施工测试设备施工的影响选取被测风力发电机组位置、测风设备位置；

步骤2：依据被测风力发电机组和测风设备周围的运行风力发电机组和障碍物计算得到未受尾流影响的可用扇区；

步骤3：以被测风力发电机组位置为圆心进行地形评估，对需要进行最佳平面进行评估的要求，以每10°为一个单元扇区进行最佳平面拟合，得出每个扇区内的最大倾角和地形偏离最佳平面的最大偏差，最终在最大倾角和地形偏离最佳平面的最大偏差找出最大值与限定值进行比对，若超出限定值则为复杂地形，反之则为平坦地形；

步骤4：以预放置测风设备位置为圆心进行地形评估，对需要进行最佳平面进行评估的要求，每10°为一个单元扇区进行最佳平面拟合，得出每个扇区内的最大倾角和地形偏离最佳平面的最大偏差，最终在最大倾角和地形偏离最佳平面的最大偏差找出最大值与限定值进行比对，若超出限定值则为复杂地形，反之则为平坦地形。

进一步地，步骤1中所述地形起伏程度采用两个指标进行量化：坡度和高度，所述坡度和高度均有限定值，当超过限定值则会被判定为复杂地形，反之则为平坦地形。

进一步地，步骤1中测风设备位置选择距被测风力发电机组2至4倍风轮直径d之间的位置。

进一步地，步骤1中测风设备位置选择距被测风力发电机组2.5倍风轮直径d的位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

使用本发明方法在选择被测风力发电机组和测风设备位置时，除了考虑风资源玫瑰图和现场条件，还同时把地形的起伏条件综合考虑进去，地形的起伏状态可通过本发明方法中进行地形评估时计算得到的各个扇区内的地形起伏结果来进行判断。平坦地形在进行功率曲线测试时，其测试结果的不确定度要小于复杂地形进行功率曲线测试的不确定度，所以为了尽可能的降低测试结果不确定度，地形评估结果为平坦地形最好。本发明方法在进行地形评估时评估了各个扇区内的结果，若地形评估结果为复杂地形，故而可进一步的分析那些超过了地形评估中规定的坡度和地形偏离高度的扇区是否可以把它归类到不可能用扇区或把部分地形当成大型障碍物等，重新进行地形评估，分析其是否有归类到平坦地形的可能。若能归类到平坦地形则可降低测试不确定度，使测试结果更准确。

附图说明

图1为适应在运风电场测试场地地形评估流程图；

图2为因邻近运行风力发电机组和大型障碍物尾流被排除的扇区；

图3为因被测风力发电机组、邻近运行风力发电机组和大型障碍物尾流而被排除的扇区；其中a)表示测风设备(测风塔或遥感装置)在被测风力发电机组的尾流中；b)表示测风设备在邻近运行风力发电机组的尾流中；c)表示被测风力发电机组在邻近运行风力发电机组的尾流中；d)表示测风设备在大型障碍物的尾流中；e)表示被测风力发电机组在大型障碍物的尾流中；f)表示上述所有情况的组合；注：示例基于以下假设：与被测风力发电机组和测风设备相关的障碍物为大型障碍物(见表1)；

图4为评估区域图解的俯视图；

图5为“2l至4l”和“测量扇区”最佳拟合平面确定倾角和地形变化；其中(a)为地形变化的示意图；(b)为最佳拟合平面倾角的示意图；

图6为距离“2l至4l”且“测量扇区之外”的倾角确定。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明提供一种适用在运风电场测试场地地形评估方法，包括被测机组确定，测风设备位置确定，地形网格分辨率不低于30米，被测机组环境影响，测风设备环境影响。

1)根据在运风电场风玫瑰图、地形起伏程度、现场环境条件对施工测试设备施工的影响选取一台综合条件最优的机组作为被测风力发电机组，测风设备位置不应距风力发电机组太近，所测风速会受被测风力发电机组影响。同时也不能距风力发电机组太远，否则所测风速和输出功率之间的相关性将减小。测风设备应安装于距被测风力发电机组2至4倍风轮直径d之间，推荐使用2.5倍风轮直径d的距离。多数情况下，测风设备的最佳位置是位于风力发电机组的上风向，测试过程中大部分有效风来自这个方向。然而，在有些情况下，将测风设备安置在风力发电机组旁边也许更适合，例如风力发电机组安装在山脊上的情况。

2)被测机组以及测风设备周围的运行机组和障碍物影响进行评估。

2.1)有邻近运行风力发电机组时的要求

测风设备不应受被测风力发电机组的影响。

被测风力发电机组和测风设备不应受邻近运行风力发电机组的影响。若有邻近风力发电机组在功率特性测试过程中处于运行状态，应根据2.3)的方法来确定和计算尾流影响。总高度小于(2/3)(h-d/2)的小型风力发电机组应视为障碍物，并根据2.2)进行处理，其中h为风力发电机组轮毂高度。

如果在功率曲线特性测试过程中有处于停机状态的风力发电机组，应将其视为障碍物，并按照2.2)进行处理。

被测风力发电机组与邻近运行风力发电机组的最小距离应为邻近风力发电机组风轮直径d的2倍。测风设备与邻近运行风力发电机组的最小距离应为2倍的风力发电机组风轮直径。因邻近运行风力发电机组尾流而排除扇区由图2得出。需要考虑与邻近运行风力发电机组的实际距离ln和邻近风力发电机组风轮直径d。因被测风力发电机组和测风设备被排除的扇区，扇区中心线应为从邻近运行风力发电机组到测风设备或被测风力发电机组的连线方向。如图3所示。

2.2)有障碍物时的要求

应评估被测风力发电机组或测风设备附近的障碍物。每一障碍物应作为地形的一部分，或按下述方法加以评估。

距离风力发电机组或测风设备一定的距离内的测量扇区内不应有大型障碍物(例如建筑物、树木、停止运行的风力发电机组)。只允许有与风力发电机组运行或测风设备有关的小型建筑物。如果存在大型障碍物，则应按照2.3)和2.4)规定排除测量扇区。

大型障碍物(相对于被测风力发电机组和测风设备)的标准是超过表1中给出的一个或多个限制。表1适用于所有地点：

a)对被测风力发电机组周围环境的评估(即以被测风力发电机组为圆心，半径为2l、4l、8l、16l的区域)；

b)对测风设备周围环境的评估(将设备的位置作为圆心，半径为2l、4l、8l和16l的区域).

表1障碍物要求：障碍物相关性

2.3)排除扇区的计算方法

应根据图2评估被测风力发电机组尾流对测风设备的影响。

应根据图2评估邻近运行风力发电机组尾流对被测试风力发电机组、及对测风设备的影响。

对于运行风力发电机组，需要考虑的参数是实际距离l(从被测风力发电机组中心到测风设备位置的距离)和引起尾流的风力发电机组风轮直径d。

如果根据表1被认定为大型障碍物，应根据图2评估障碍物尾流对被测风力发电机组的影响。

如果根据表1认定为大型障碍物，应根据图2评估障碍物尾流对测风设备的影响。

关于障碍物，需要考虑的参数为实际水平距离le(从被测风力发电机组的中心或从测风设备位置)和障碍物的等效风轮直径de。停止的邻近风力发电机组可视为直径等于塔底直径、高度等于塔尖上部高度的圆柱体。障碍物的等效风轮直径定义为：

式中，

de等效风轮直径；

lh为障碍物高度；

lw从被测风力发电机组或测风设备看到的障碍物宽度。

2.4)扩展障碍物的特殊要求

4l距离内的障碍物(距被测风力发电机组中心或测风设备)，在任一水平方向上延伸超过50m，应分解为水平方向小于50m且立体尺寸等于50m的局部障碍物。这些局部障碍物可能相互重叠。它们的组合应至少完全覆盖原障碍物。应分别评估每个局部障碍物，且应评估每个局部障碍的重要性，如被认定为大型障碍物，应确定排除的扇区。例如：

a)将90m×90m的障碍物划分为4个50m×50m的局部障碍物。选择这些局部障碍物，以使其重叠10m，从而使4个局部障碍物的组合与原障碍物相同。

b)将70m×10m的障碍物划分为2个50m×10m的局部障碍物。选取这些局部障碍物，使其重叠30m，使两个局部障碍物的组合与原障碍物相同。

一片树木或森林应以此方法处理。

3)地形复杂程度的评估标准见下表2及图4：

表2测试场地要求：地形变化

其中：，表2中上标a、b、c的含义如下：

a.默认将测量扇区理解为在执行iec61400-12-1附录a方法后的剩余有效扇区，也允许使用较小的测量扇区。

b.与每10度为一个单元扇区进行最小二乘法地形拟合得倒最佳拟合平面且拟合平面须经过塔架基础，最终在各10°拟合的平面中找出最大倾角，如图5所示。

c.将塔架基础连接到地段内地形表面上的各个地形点的最陡坡度线，如图6所示。

评估被测风力发电机组的环境影响。(以被测风力发电机组为圆心，半径为2l,4l,8l和16l的区域)

评估测风设备的环境影响。(以测风设备位置为圆心，半径为2l,4l,8l和16l的区域)。

如果两种情形下地形评估结果都满足表2的要求，则不需要进行场地标定。否则，地形则被评估为复杂地形，需要进行场地标定。

4)地形拟合方法

地形拟合方法主要分为两步来进行，详见如下：

a.针对表2中不同距离内的地形数据以10°为一个单元扇区筛选数据；

b.对筛选出的地形数据分别进行最小二乘法地形拟合，具体步骤为：

假设该最佳拟合平面为a·x+b·y＝z，其中假设(xi，yi，zi)为实际地形数据中的数据点，(0，0，0)为机组基础坐标，该拟合平面需过机组基础坐标；

实际地形中的数据点到该拟合平面的距离和为：r(a,b)＝∑(z-zi)，其中z＝a·xi+b·yi，转化后r(a,b)＝∑(a·xi+b·yi-zi)；

最佳拟合平面即为实际地形中的数据点到拟合平面的距离和达到最小，因此对r(a,b)中的a和b分别进行偏导，公式为令该公式等于零，则可得到最佳拟合平面的a,b数值，即

根据求得的最佳拟合平面的a,b数值，则可求得该拟合

注：由于假设机组基础坐标为(0，0，0)，因此在实际计算中可把实际地形数据减去机组基础坐标，使其坐标系平移到以机组基础坐标为原点。

使用本方法进行地形评估可更清楚的描述出各个扇区内的地形起伏情况，若测试风电场在复杂地形，则可根据主风向上被选机组的各个扇区地形评估情况，选择出一个地形偏差及起伏在各扇区相差较小，代表性较好的机组作为待测机组进行功率特性测试。