專利名稱：一種基于風(fēng)速重采樣技術(shù)的風(fēng)速譜獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電過程中基于離散風(fēng)速序列連續(xù)化與重采樣技術(shù)的瞬時(shí)風(fēng)速譜獲取方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，與傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)力發(fā)電不依賴礦物能源，也沒有碳排放等環(huán)境成本，風(fēng)力發(fā)電逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展以及風(fēng)力發(fā)電容量的快速增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組瞬時(shí)響應(yīng)的分析得到越來越多的重視。作為實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電塔架與機(jī)組風(fēng)載響應(yīng)分析必不可少的條件之一，風(fēng)速譜的測(cè)定對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工程運(yùn)行和狀態(tài)分析具有十分重要的意義。風(fēng)速譜的測(cè)定包括兩個(gè)方面的內(nèi)容一是風(fēng)速測(cè)量傳感器，二是基于所選擇的風(fēng)速測(cè)量傳感器采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速譜的計(jì)算。對(duì)于風(fēng)速測(cè)量傳感器，目前常用的主要有如下幾類1)皮拖管式風(fēng)速計(jì)該傳感器測(cè)風(fēng)速的方法為一種間接測(cè)算法，即通過皮托管一壓差計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定出風(fēng)速的速壓值，然后通過風(fēng)速與速壓的關(guān)系求算出相應(yīng)的風(fēng)速值。2)熱式風(fēng)速計(jì)該傳感器測(cè)速的方法是測(cè)試處于通電狀態(tài)下傳感器因風(fēng)而冷卻時(shí)產(chǎn)生的電阻變化，利用其在氣流中的熱量散失強(qiáng)度與氣流速度之間的關(guān)系來測(cè)量流速。其靈敏度隨風(fēng)速的增大而減小，具有明顯的非線性，比較適合于微風(fēng)的測(cè)量。3)超音波式風(fēng)速計(jì)該傳感器測(cè)速的方法是在某個(gè)方向上順風(fēng)、逆風(fēng)條件下，根據(jù)發(fā)射施加激勵(lì)脈沖起到接收收到第一個(gè)脈沖止的超聲傳播時(shí)間測(cè)得該方向上的風(fēng)速。4)葉輪式風(fēng)速計(jì)風(fēng)杯風(fēng)速儀的感應(yīng)部分一般由三個(gè)或四個(gè)半球形或拋物錐形的空心杯殼組成。杯殼固定在互成120°角的三叉星形支架上或互成90°角的十字形支架的等長旋臂上。杯的凹面順著同一方向排列，整個(gè)橫架則固定在能旋轉(zhuǎn)的垂直軸上。由于凹面和凸面所受的風(fēng)壓力不相等，在風(fēng)杯受到扭力作用時(shí)開始旋轉(zhuǎn)，根據(jù)風(fēng)杯轉(zhuǎn)速與風(fēng)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系測(cè)定風(fēng)速。目前在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用的測(cè)風(fēng)儀器中，風(fēng)杯風(fēng)速儀因?yàn)槠涑杀据^低，使用方便， 并且基本不需要維護(hù)，成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)上最常用的測(cè)風(fēng)傳感器。對(duì)于風(fēng)杯風(fēng)速儀的風(fēng)速譜計(jì)算，現(xiàn)在常用風(fēng)速譜測(cè)定方法是通過風(fēng)速傳感器測(cè)得某段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)后，根據(jù)各種先驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)譜進(jìn)行擬合獲得。但是，文獻(xiàn)研究已經(jīng)表明各種經(jīng)驗(yàn)譜都有其局限性，與真實(shí)風(fēng)速譜存在比較大的誤差。并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)譜擬合得到的實(shí)際上是某一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速譜，而對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)風(fēng)載荷響應(yīng)分析或振動(dòng)分析，則需要獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所收到的瞬時(shí)風(fēng)載荷。因此，如何通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上常用的風(fēng)杯風(fēng)速儀得到瞬時(shí)風(fēng)速譜，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)載荷分析或振動(dòng)分析具有十分重要的意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種基于樣條技術(shù)對(duì)風(fēng)杯風(fēng)速儀輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行擬合處理，并對(duì)擬合得到的連續(xù)風(fēng)速信號(hào)進(jìn)行重采樣處理，通過傅里葉變換得到風(fēng)速譜的方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于風(fēng)速重采樣技術(shù)的風(fēng)速譜獲取方法，其特征在于該方法包括以下步驟
步驟A在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝一個(gè)風(fēng)杯式風(fēng)速儀，并對(duì)風(fēng)速儀輸出的脈沖間隔與實(shí)時(shí)風(fēng)速進(jìn)行采集，獲取實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列IV1, V2, . . . , Vk,. . . VJ , η為正整數(shù)，k為區(qū)間[1， η]上的正整數(shù)；
步驟B利用三次樣條對(duì)實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列進(jìn)行連續(xù)化處理，獲取連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線.一入 ，
步驟C確定采樣頻率與采樣長度，對(duì)連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，并進(jìn)行頻譜分析，得到實(shí)際的瞬時(shí)風(fēng)速譜。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的方法以樣條計(jì)算和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，基于樣條技術(shù)對(duì)風(fēng)杯風(fēng)速儀輸出的脈沖信號(hào)采樣后得到的實(shí)時(shí)風(fēng)速序列進(jìn)行連續(xù)化處理獲取連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線，并對(duì)連續(xù)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行重采樣處理，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)載荷分析或振動(dòng)分析提供精確的瞬時(shí)風(fēng)載荷信息，提高載荷分析或振動(dòng)分析結(jié)論的有效性。
1、本發(fā)明利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中常用的風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)進(jìn)行瞬時(shí)風(fēng)速譜的測(cè)定，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，易于在現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)上應(yīng)用。
2、相對(duì)于現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中只通過風(fēng)杯式風(fēng)速儀獲取某段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速均值而言，本發(fā)明提供的方法能夠?qū)︼L(fēng)速儀輸出的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集與處理，獲取相應(yīng)的風(fēng)速■i並曰ο
3、本發(fā)明提供的方法運(yùn)用了樣條處理技術(shù)與重采樣技術(shù)，大大降低了風(fēng)杯式風(fēng)速儀自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的瞬時(shí)風(fēng)速時(shí)程檢測(cè)誤差。
4、本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)分析與機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，也可以應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)分析和預(yù)測(cè)控制。


圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)。
圖2為本發(fā)明裝置工作原理圖。
圖3為基于風(fēng)速重采樣技術(shù)的風(fēng)速譜獲取方法的處理流程。圖4為基于風(fēng)速重采樣技術(shù)的風(fēng)速譜獲取方法測(cè)得的一種實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列。 圖5為基于圖4的一種連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線。 圖6為基于圖5的一種瞬時(shí)風(fēng)速譜。
具體實(shí)施例方式1、本發(fā)明由風(fēng)杯式風(fēng)速儀、數(shù)據(jù)采集裝置、PC上位機(jī)三部分構(gòu)成，本發(fā)明的方法應(yīng)用于PC上位機(jī)軟件，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例框圖如圖1所示。其中，風(fēng)杯式風(fēng)速儀安裝于風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，風(fēng)杯式風(fēng)速儀的脈沖輸出信號(hào)輸入至數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置通過RS485串口與PC上位機(jī)連接。2、本發(fā)明裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。風(fēng)杯式風(fēng)速儀在風(fēng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，在風(fēng)速與脈沖頻率之間建立了線性關(guān)系，將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的脈沖信號(hào)輸出，數(shù)據(jù)采集裝置中的脈沖整形電路在對(duì)風(fēng)杯式風(fēng)速儀輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形后，輸入至單片機(jī)的外部中斷接口，采用非均勻時(shí)間間隔采樣方法實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速儀輸出的脈沖間隔與實(shí)時(shí)風(fēng)速的采集，獲取實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列，數(shù)據(jù)采集裝置把采集到的風(fēng)速離散序列通過裝置的RS485串口發(fā)送至 PC上位機(jī)。3、風(fēng)杯式風(fēng)速儀在風(fēng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)并每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度觸發(fā)一個(gè)脈沖，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，在與該中斷對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中，可以獲得每次脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，設(shè)第k次觸發(fā)脈沖的時(shí)間記為Tk，則根據(jù)公認(rèn)的指示可以得到該時(shí)刻的實(shí)時(shí)風(fēng)速vk，可以表示為Vk = a/ (Tk-Tk^1) +b 式(1)其中，a與b為常數(shù)，Tk為第k次觸發(fā)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間，Tk^1為第k-Ι次觸發(fā)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間。4、數(shù)據(jù)采集裝置采集到風(fēng)杯式風(fēng)速儀脈沖輸出的離散時(shí)間序列ITtl, T1, T2,..., !^^，!^^，!^...，?。回?，??！為正整數(shù)，！^為區(qū)間[l，n]上的正整數(shù)，根據(jù)式⑴可以計(jì)算得到與離散時(shí)間序列相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列IV1, V2, ... , Vk^1, Vk, . . . , VJ , η為正整數(shù)，k為區(qū)間[1，η]上的正整數(shù)，對(duì)該離散序列運(yùn)用三次樣條進(jìn)行連續(xù)化處理，從而得到連續(xù)的風(fēng)速時(shí)程曲線，其具體過程如下根據(jù)三次樣條插值函數(shù)建立采樣時(shí)刻t上對(duì)應(yīng)的分段插值多項(xiàng)式V (t)，即
權(quán)利要求
1.一種基于風(fēng)速重采樣技術(shù)的風(fēng)速譜獲取方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟A在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝一個(gè)風(fēng)杯式風(fēng)速儀，并對(duì)風(fēng)速儀輸出的脈沖間隔與實(shí)時(shí)風(fēng)速進(jìn)行采集，獲取實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列IV1, . . . , Vk, . . . VJ , η為正整數(shù)，k為區(qū)間[1，η]上的正整數(shù)；步驟B利用三次樣條對(duì)實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列進(jìn)行連續(xù)化處理，獲取連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線； 步驟C確定采樣頻率與采樣長度，對(duì)連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，并進(jìn)行頻譜分析，得到實(shí)際的瞬時(shí)風(fēng)速譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)速重采樣技術(shù)的風(fēng)速譜獲取方法，其特征在于獲取連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線的方法如下根據(jù)三次樣條插值函數(shù)建立采樣時(shí)刻t上對(duì)應(yīng)的分段插值多項(xiàng)式V (t)，即
全文摘要
一種基于風(fēng)速重采樣技術(shù)的風(fēng)速譜獲取方法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝一個(gè)風(fēng)杯式風(fēng)速儀，并對(duì)風(fēng)速儀輸出的脈沖間隔與實(shí)時(shí)風(fēng)速進(jìn)行采集，獲取實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列{V1，V2，...，Vk，...Vn}，n為正整數(shù)，k為區(qū)間[1，n]上的正整數(shù)；利用三次樣條對(duì)實(shí)時(shí)風(fēng)速離散序列進(jìn)行連續(xù)化處理，獲取連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線；確定采樣頻率與采樣長度，對(duì)連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，并進(jìn)行頻譜分析，得到實(shí)際的瞬時(shí)風(fēng)速譜。本發(fā)明基于樣條技術(shù)對(duì)風(fēng)杯風(fēng)速儀輸出的脈沖信號(hào)采樣后得到的實(shí)時(shí)風(fēng)速序列進(jìn)行連續(xù)化處理獲取連續(xù)風(fēng)速時(shí)程曲線，并對(duì)連續(xù)風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行重采樣處理，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)載荷分析或振動(dòng)分析提供精確的瞬時(shí)風(fēng)載荷信息。
文檔編號(hào)G01P5/06GK102539825SQ20101057749
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者尤林, 胡建中, 許中奎, 許飛云, 賈民平, 鐘秉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué), 揚(yáng)州神州風(fēng)力發(fā)電機(jī)有限公司