摘要
随着绿色能源的发展，风力发电、太阳能发电及水力发电等成为全球研究热点，风力发电机越来越需要提效降载。激光雷达测风仪具有多项优势，使其成为风力发电机上一种具有较高工程意义的解决方案。然而，由于测风原理的限制，很难开发基于激光雷达测风仪的相关控制算法。另外，现有基于来流风速演化模型与泰勒冻结假设的激光雷达风场重建算法，估计效果较差。因此，为提高风力发电机的效率，降低风力发电机的载荷，结合激光雷达测风仪在风力发电机领域的应用优势，本文研究基于激光雷达测风的来流实时风场重建，为激光雷达测风仪在风力发电机上的应用提供理论依据。本文主要研究内容包括： 首先，基于旋涡圆柱模型，推导风力发电机诱导速度，并结合切向涡度分量，得到来流速度模型，该模型描述风力发电机上游风速的演化，是激光雷达测风仪风场重建算法的理论基础。 其次，应用基于动网格的FSI（FluidStructureInteraction，流固耦合）和基于滑移网格的CFD（ComputationalFluidDynamics，计算流体力学）仿真技术，在不同模型、不同风轮转速的条件下，对风力发电机外流场及气动特性进行仿真计算，对比分析来流速度演化模型与仿真风速结果，为后续风场重建算法提供可靠的依据。 进而，根据来流速度模型及仿真结果，提出一种激光雷达测风信息的幅值和相位处理方法，该方法考虑风力发电机运行过程中桨距角和叶尖速比对外流场、气动特性和风速演化的影响，为应对激光雷达测量误差与处理方法误差，使用ARIMA（AutoregressiveIntegratedMovingAverage，差分自回归滑动平均模型）和卡尔曼滤波器优化幅值和相位处理结果。 最后，使用激光雷达测风仪搭建测风实验平台，进行现场测风实验，依据实验数据验证风场重建算法，实验结果证明了风场重建算法幅值和相位处理方法以及测风信息优化处理方法的精度。
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