极端风速模型风种子选择方法及装置与流程

本发明涉及极端风速模型风种子选择方法及装置，属于风力发电技术领域。

背景技术：

近几年，在世界范围内尤其是在中国，风电机组的装机容量持续快速提升，在市场利好的机遇下也对整机的设计提出了更高的要求。载荷计算是整机设计过程中不可或缺的环节，风载是机组的主要载荷来源，极端风力条件决定了机组的极限载荷，其中风电场50年一遇极端风速是风能资源的一个重要参数，它关系到风电场风机的选型及风机在寿命周期内(20年)的安全运行性能。

极端风速模型(EWM)分为1年一遇极端风速模型(EWM1)及50年一遇极端风速模型(EWM50)；按照GL规范2003要求，以EWM50为例采用湍流风模型模拟时，需要通过多次迭代生成满足3s平均风速为1.4倍轮毂处基准风速的风种子。在仿真计算时要求采用不同初值的风种子，迭代的随机性使得生成满足要求的风种子耗费的时间很长，大大拖延了整机开发周期，增加了人力成本。

在GL2010规范中采用“15选3”(从15个随机风种子按照一定评估程序选择3个代表性的风种子)方法进行载荷计算，但是需要提供选取风种子的载荷评估方法，目前存在的“15选3”方法过程相对复杂，且选取出来的风种子不具备代表性，不能保证载荷计算结果的合理性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供极端风速模型风种子选择方法及装置，用于解决现有技术中风种子选择耗费时间周期长和选择不合理的问题，保证风种子选择的快速性和合理性。

为了实现上述目的，提供方案一：

本发明的一种极端风速模型风种子选择方法，步骤如下：

(1)对待选的m个风种子进行工况仿真；(2)求出每个风种子工况仿真下至少两个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，所述位置为风力发电机组的组成部分；(3)根据步骤(2)求出的载荷变量最大值与最大值的平均值，对于每个风种子，求出对应的各位置的载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值；为各位置的差异值对应分配一个权重，利用权重计算方法，求出每个风种子不同位置下对应的差异总值；(4)选取差异总值最小的n个风种子为目标风种子，n为所需目标风种子个数；m>n，且m和n均为自然数。

方案二：在方案一的基础上，步骤(2)中，所述位置为风力发电机组的叶根和塔顶，求出叶根对应的载荷变量最大值和最大值的平均值以及塔顶对应的载荷变量最大值和最大值的平均值

方案三：在方案二的基础上，步骤(3)中，求出叶根对应的差异值DIFre1和塔顶对应的差异值DIFre2，为叶根和塔顶对应的差异值分别分配一个权重k1和k2，求出叶根和塔顶两个位置下对应的差异总值DIFre_sum＝k1*DIFre1+k2*DIFre2。

方案四，在方案一的基础上，步骤(2)中，所述位置为风力发电机组的叶根、塔顶和塔底，求出叶根对应的载荷变量最大值和最大值的平均值塔顶对应的载荷变量最大值和最大值的平均值以及塔底对应的载荷变量最大值和最大值的平均值

方案五，在方案四的基础上，求出叶根对应的差异值DIFre1、塔顶对应的差异值DIFre2和塔底对应的差异值DIFre3，为叶根、塔顶和塔底对应的差异值分别分配一个权重k1、k2和k3，求出叶根、塔顶和塔底三个位置下对应的差异总值DIFre_sum＝k1*DIFre1+k2*DIFre2+k3*DIFre3。

方案六，在方案五的基础上，叶根对应的差异值塔顶对应的差异值塔底对应的差异值

方案七，在方案五的基础上，k1:k2:k3＝1:1:1。

方案八，在方案一的基础上，m＝15，n＝3。

方案九，在方案一的基础上，步骤(1)中，进行工况仿真时，参考偏航、风剪切系数和湍流强度。

方案十，本发明的一种极端风速模型风种子选择装置，包含：仿真单元：用于对待选的m个风种子进行工况仿真；均值单元：用于求出每个风种子工况仿真下至少两个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，所述位置为风力发电机组的组成部分；差值单元：用于求出的载荷变量最大值与最大值的平均值，对于每个风种子，求出对应的各位置的载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值，为各位置的差异值对应分配一个权重，利用权重计算方法，求出每个风种子不同位置下对应的差异总值；选取单元：用于选取差异总值最小的n个风种子为目标风种子，n为所需目标风种子个数；m>n，且m和n均为自然数。

方案十一，在方案十的基础上，均值单元中，所述位置为风力发电机组的叶根和塔顶，求出叶根对应的载荷变量最大值和最大值的平均值以及塔顶对应的载荷变量最大值和最大值的平均值

方案十二，在方案十一的基础上，差值单元中，求出叶根对应的差异值DIFre1和塔顶对应的差异值DIFre2，为叶根和塔顶对应的差异值分别分配一个权重k1和k2，求出叶根和塔顶两个位置下对应的差异总值DIFre_sum＝k1*DIFre1+k2*DIFre2。

方案十三，在方案十的基础上，均值单元中，所述位置为风力发电机组的叶根、塔顶和塔底，求出叶根对应的载荷变量最大值和最大值的平均值塔顶对应的载荷变量最大值和最大值的平均值以及塔底对应的载荷变量最大值和最大值的平均值

方案十四，在方案十三的基础上，差值单元中，求出叶根对应的差异值DIFre1、塔顶对应的差异值DIFre2和塔底对应的差异值DIFre3，为叶根、塔顶和塔底对应的差异值分别分配一个权重k1、k2和k3，求出叶根、塔顶和塔底三个位置下对应的差异总值DIFre_sum＝k1*DIFre1+k2*DIFre2+k3*DIFre3。

方案十五，在方案十四的基础上，叶根对应的差异值塔顶对应的差异值塔底对应的差异值

方案十六，在方案十四的基础上，k1:k2:k3＝1:1:1。

方案十七，在方案十的基础上，m＝15，n＝3。

方案十八，在方案十的基础上，仿真单元中，进行工况仿真时，参考偏航、风剪切系数和湍流强度。

方案十九，本发明的一种极端风速模型风种子选择方法，包含以下步骤：(1)对待选的m个风种子进行工况仿真；(2)求出每个风种子工况仿真下一个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，所述位置为风力发电机组的组成部分；(3)根据步骤(2)求出的载荷变量最大值与最大值的平均值，对于每个风种子，求出所述位置的载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值；(4)选取差异值最小的n个风种子为目标风种子，n为所需目标风种子个数；m>n，且m和n均为自然数。

方案二十，在方案十九的基础上，m＝15，n＝3。

方案二十一，本发明的一种极端风速模型风种子选择装置，包含：仿真单元：用于对待选的m个风种子进行工况仿真；均值单元：用于求出每个风种子工况仿真下一个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，所述位置为风力发电机组的组成部分；差值单元：用于根据均值单元求出的载荷变量最大值与最大值的平均值，对于每个风种子，求出所述位置的载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值；选取单元：用于选取差异值最小的n个风种子为目标风种子，n为所需目标风种子个数；m>n，且m和n均为自然数。

方案二十二，在方案二十一的基础上，m＝15，n＝3。

本发明的有益效果是：采用本发明的技术方案，对风种子进行工况仿真，统计每个风种子工况仿真下位置的载荷变量的最大值、最大值的平均值，以及载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值，进而选取出差异值或差异总值最小的风种子为目标风种子；这样的选择过程缩短了风种子选择所耗费的时间，相应地也缩短了载荷计算周期和整机设计的周期，同时避免了某个或几个极端风速模型导致载荷异常，确保了载荷计算结果的合理性，在保证风机安全运行的前提下降低了风机设计成本。

附图说明

图1为一种极端风速模型风种子选择方法实施例1中载荷工况仿真计算的详细要求；

图2为一种极端风速模型风种子选择方法实施例3中风种子选择的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

根据实际情况，需要从待选的m个风种子中选出n个目标风种子(m和n都为自然数，且m大于n)进行载荷计算。例如根据GL2010规范要求，需要从15个风种子中选取出3个风种子为目标风种子(即m＝15，n＝3)，接下来就以m＝15，n＝3为例进行详细介绍极端风速模型风种子的选择方法。

一种极端风速模型风种子选择方法实施例1

首先，对这15个风种子进行工况仿真。例如，按照图1要求在blade软件中进行工况仿真载荷计算。根据GL2010规范要求采用EWM1风种子用于载荷仿真计算时考虑±20°、0°偏航，风剪切系数及湍流强度均为0.11，共有15(不同初值的风种子)*3(考虑3个偏航角度)＝45个仿真工况；采用EWM50风种子用于载荷仿真计算时考虑±8°、0°度偏航，风剪切系数及湍流强度均为0.11，共有15(不同初值的风种子)*3(考虑3个偏航角度)＝45个仿真工况。

求出这15个风种子工况仿真下一个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，例如以风力发电机组的叶根(blade_root)位置为例，求出各风种子对应的叶根载荷变量最大值Mxy1和最大值的平均值根据求出的叶根对应的载荷变量最大值Mxy1与最大值的平均值求出每个风种子对应的叶根位置的载荷变量最大值Mxy1与最大值的平均值的差异值DIFre1。根据求得的每个风种子对应的差异值DIFre1，选取出具有最小DIFre1的3个风种子为目标风种子。

上述计算差异值DIFre1只是为了从这15个风种子中选取出载荷变量最大值Mxy1与最大值的平均值(即DIFre1)最接近的风种子，因此，差异值DIFre1的具体计算方法不限，如可以利用或进行计算。

一种极端风速模型风种子选择方法实施例2

本实施例与一种极端风速模型风种子选择方法实施例1的不同之处在于：需要求出这15个风种子工况仿真下两个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，例如以风力发电机组的叶根(blade_root)位置和塔顶(tower_top)位置为例，求出这15个风种子对应的叶根载荷变量最大值Mxy1和最大值的平均值以及塔顶载荷变量最大值Mxy2和最大值的平均值根据求出的叶根对应的载荷变量最大值Mxy1与最大值的平均值求出每个风种子对应的叶根位置的载荷变量最大值Mxy1与最大值的平均值的差异值DIFre1；根据求出的塔顶对应的载荷变量最大值Mxy2与最大值的平均值求出每个风种子对应的塔顶位置的载荷变量最大值Mxy2与最大值的平均值的差异值DIFre2。

接下来利用权重计算方法，求得每个风种子对应的两个位置(即叶根和塔顶)下的差异总值DIFre_sum。例如，给定每个风种子叶根位置的差异值DIFre1的权重为k1，给定每个风种子塔顶位置的差异值DIFre2的权重为k2，那么差异总值DIFre_sum＝k1*DIFre1+k2*DIFre2。对于权重，可以按照k1:k2＝1:1选取；如果重点关注某一部位的载荷，也可以调整相应权重比例(如重点关注叶根位置的载荷时，可以增加叶根对应的权重k1)。

选取差异总值DIFre_sum最小的3个风种子为目标风种子进行荷载计算。

除了上述利用权重计算方法选取目标风种子外，也可以根据其他统计方法(如求解最小均方差)来选取差异总值最小的风种子进行载荷计算。

一种极端风速模型风种子选择方法实施例3

本实施例与一种极端风速模型风种子选择方法实施例2的不同之处在于：除了需要求出这15个风种子工况仿真下叶根和塔顶这两个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值之外，还需要求出这15个风种子工况仿真下塔底(tower_bottom)这个位置对应的载荷变量Mxy3的最大值和最大值的平均值

如图2所示，本实施例在考虑±8°、0°度偏航，风剪切系数及湍流强度均为0.11这三种工况下EWM50风种子“15选3”的选择方法步骤为：

(1)对15个风种子进行工况仿真，其中这15个风种子对应为wind_seed_1、wind_seed_2、…、wind_seed_14、wind_seed_15；

(2)求出15个风种子中每个风种子三种工况仿真下对应的叶根(blade_root)载荷变量Mxy1的最大值塔顶(tower_top)载荷变量Mxy2的最大值以及塔底(tower_bottom)载荷变量Mxy3的最大值其中每个风种子考虑3个偏航角度的工况对应为lc1、lc2和lc3；分别求出15个风种子中每个风种子对应的叶根、塔顶和塔底的载荷变量最大值的平均值和

(3)分别求出每个风种子对应的叶根、塔顶和塔底位置的载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值DIFre1、DIFre2以及DIFre3，以及每个风种子在这3个位置下的差异总值DIFre_sum。

叶根对应的DIFre1可以利用公式求解，相应地，塔顶对应的塔底对应的如一种极端风速模型风种子选择方法实施例1中所述，差异值的计算方法并不局限于一种具体的计算方法，能满足从待选风种子中选取出载荷变量最大值与最大值的平均值最接近的风种子即可。

可以利用权重计算方法来求解每个风种子在这3个位置下的差异总值DIFre_sum，当然也可以采用其他统计方法(如求解最小均方差)。利用权重计算方法进行求解时，给定每个风种子叶根位置的差异值DIFre1的权重为k1，给定每个风种子塔顶位置的差异值DIFre2的权重为k2，给定每个风种子塔底位置的差异值DIFre3的权重为k3，那么差异总值DIFre_sum＝k1*DIFre1+k2*DIFre2+k3*DIFre3。对于权重，可以按照k1:k2:k3＝1:1:1选取；如果重点关注某一部位的载荷，也可以调整相应权重比例(如重点关注叶根位置的载荷时，可以增加叶根对应的权重k1)。

选取相对相差总值DIFre_sum最小的3个风种子为目标风种子。当然，可以根据实际需要选取所需数量的风种子。

采用本实施例的选择方法，减少了风种子选择耗费的时间，对应的缩短了载荷计算的周期和整机设计的周期，并且排除了某个或某些极端风模型导致的异常极限载荷，保证机组的安全运行。将本实施例应用到2MW微风速机型上，从仿真计算到评估载荷选择风种子约20分钟，并且相对于其它方法关键部件载荷降低约5％。

此外，虽然本实施例只是以叶根、塔顶和塔底这3个位置为例进行风种子选取方法的叙述，显然，风种子选取方法并不局限于这3个位置。即，风种子选取方法可以选取其他的3个(当然也可以是2个、1个)位置进行荷载计算，也可以选取多于3个的位置进行载荷计算，只需要在本实施例上进行相应地改变。

一种极端风速模型风种子选择装置实施例1

一种极端风速模型风种子选择装置，包括：仿真单元：用于对待选的m个风种子进行工况仿真；均值单元：用于求出每个风种子工况仿真下一个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，所述位置为风力发电机组的组成部分；差值单元：用于根据均值单元求出的载荷变量最大值与最大值的平均值，对于每个风种子，求出所述位置的载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值；选取单元：用于选取差异值最小的n个风种子为目标风种子，n为所需目标风种子个数；m>n，且m和n均为自然数。

一种极端风速模型风种子选择装置实施例2

一种极端风速模型风种子选择装置，包含：仿真单元：用于对待选的m个风种子进行工况仿真；均值单元：用于求出每个风种子工况仿真下至少两个位置对应的载荷变量最大值和最大值的平均值，所述位置为风力发电机组的组成部分；差值单元：用于求出的载荷变量最大值与最大值的平均值，对于每个风种子，求出对应的各位置的载荷变量最大值与最大值的平均值的差异值；为各位置的差异值对应分配一个权重，利用权重计算方法，求出每个风种子不同位置下对应的差异总值；选取单元：用于选取差异总值最小的n个风种子为目标风种子，n为所需目标风种子个数；m>n，且m和n均为自然数。

上述各单元是与上面的方法实施例相对应的功能模块。本发明的方法运行于风种子选择装置中，方法实施例中的全部或部分流程，是通过计算机程序或者计算机程序配合硬件来完成的。装置实施例即是与方法实施例相对应的一个功能模块构架。