荀建敏，蘇麗營(yíng)，宮玉鵬，趙海春

（華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，北京 100872）

0 引言

風(fēng)能是一種沒(méi)有污染的可再生能源，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，風(fēng)能利用的主要趨勢(shì)是發(fā)電[1]。風(fēng)電機(jī)組可以通過(guò)葉輪吸收風(fēng)能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

風(fēng)電機(jī)組功率特性測(cè)試是風(fēng)電機(jī)組型式認(rèn)證之一，功率特性測(cè)試是風(fēng)電機(jī)組準(zhǔn)入制度必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)[2-5]，但風(fēng)電機(jī)組一般都安裝在比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)或者草原，不同的地形及氣流畸變對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率特性測(cè)試時(shí)測(cè)風(fēng)塔安裝處風(fēng)速的測(cè)量有較大的影響，從而與風(fēng)電機(jī)組安裝處的風(fēng)速偏差較大[6-8]。因此，根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)頒布的IEC 61400－12－1標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)研究成果[9-11]，其前期工作需要對(duì)測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行評(píng)估，判定測(cè)試場(chǎng)地地形是否滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400－12－1表1中地形要求，若不滿足，則判定是否進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定，及時(shí)地完成功率特性測(cè)試前期的場(chǎng)地評(píng)估工作。

表1中*表示過(guò)塔基中心的最佳地形擬合平面斜率；**表示連接塔基中心與地形扇區(qū)內(nèi)單獨(dú)某點(diǎn)連線最大斜率；L表示風(fēng)電機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔的間距；H表示風(fēng)電機(jī)組輪轂高度；D表示風(fēng)輪直徑；d表示 測(cè)量位置與被測(cè)風(fēng)電機(jī)組的距離；測(cè)量扇區(qū)外是指風(fēng)電機(jī)組對(duì)測(cè)風(fēng)塔測(cè)量產(chǎn)生影響的角度范圍，測(cè)量扇區(qū)內(nèi)則為360°減去該角度。

表1 測(cè)試場(chǎng)地地形變化要求

對(duì)測(cè)試場(chǎng)地地形進(jìn)行評(píng)估可以通過(guò)人工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)GPS采集特殊點(diǎn)地形數(shù)據(jù)，但是該方法采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)不完全，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文提供的方法是通過(guò)利用美國(guó)國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局（NIMA）和航空航天署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）在2000年2月共同主持實(shí)施的SRTM計(jì)劃而制成的高精度全球三維地圖[12]，再結(jié)合MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、可視化繪圖和解決難題工具箱功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程繪制與處理[13]，擬合出地形的最佳平面，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算地形評(píng)估相關(guān)參數(shù)，從而判定地形是否滿足要求。

1 地形評(píng)估原理

功率特性測(cè)試時(shí)測(cè)風(fēng)塔安裝位置標(biāo)準(zhǔn)距離風(fēng)電機(jī)組L=2.5D，但一般以現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔實(shí)際距離為準(zhǔn)。風(fēng)電機(jī)組在測(cè)風(fēng)塔的上風(fēng)向時(shí)，會(huì)影響測(cè)風(fēng)塔采集的氣象數(shù)據(jù)，故需要?jiǎng)h除該扇區(qū)，即不在評(píng)估范圍內(nèi)，當(dāng)L=2.5時(shí)，根據(jù)以下公式（1）可以計(jì)算出α＝74°，

如表1中所示，需要評(píng)估以風(fēng)電機(jī)組為中心，半徑2L、4L、8L范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)，主要評(píng)估參數(shù)為特定扇區(qū)過(guò)塔基中心的最佳地形擬合平面的斜率與偏離該最佳平面的最小偏差。詳細(xì)的區(qū)域說(shuō)明如圖1所示。

2 地形平面擬合方法

SRTM地形數(shù)據(jù)提供的是大量的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用這些散點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出最佳地形平面且過(guò)塔基中心坐標(biāo)，本文采用MATLAB 中 的 PCA（Principal Components Analysis）方法。

PCA算法是一種常用的基于變量協(xié)方差矩陣對(duì)信息進(jìn)行處理、壓縮和抽提的有效方法，其程序計(jì)算的步驟為：

（1）去均值；

（2）計(jì)算協(xié)方差矩陣及其特征值和特征向量；

（3）計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值大于閾值的個(gè)數(shù)；

（4）降序排列特征值；

（5）去掉較小的特征值；

（6）去掉較大的特征值；

（7）合并選擇的特征值；

（8）選擇相應(yīng)的特征值和特征向量；

（9）計(jì)算白化矩陣；

（10）提取主分量。

利用該算法擬合出三維平面模型距離最小的線性回歸問(wèn)題，通過(guò)MATLAB中Princomp（X）函數(shù)求出擬合平面的法向量，從而得到過(guò)塔基最低點(diǎn)的平面方程為：

圖1 地形評(píng)估區(qū)域

圖2 SRTM等高線地形數(shù)據(jù)

圖3 地形數(shù)據(jù)散點(diǎn)

圖4 地形平面擬合

其中，[xWTyWTzWT]為風(fēng)電機(jī)組塔基中心坐標(biāo)，為擬合平面的法向量。

具體執(zhí)行步驟如下：

（1）風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)緯坐標(biāo)可以利用GPS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到，并且拍攝現(xiàn)場(chǎng)的地形照片用于出具地形評(píng)估報(bào)告；

（2）根據(jù)該機(jī)位的經(jīng)緯坐標(biāo)在網(wǎng)站www.srtm.csi.cgiar.org/selection/inputcoord.asp下載由NASA提供的該機(jī)位半徑8L內(nèi)的SRTM地形數(shù)據(jù)；

（3）在Global Mapper12.0中導(dǎo)入下載的SRTM地形數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)化成等高線地形，分別取出以風(fēng)電機(jī)組為中心半徑為2L、4L、8L的圓并導(dǎo)出地形數(shù)據(jù)到Excel中，包括WGS84坐標(biāo)與海拔高度。

（4）在MATLAB中導(dǎo)入處理的Excel地形散點(diǎn)數(shù)據(jù)；

（5）調(diào)用PCA算法程序，對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到最佳擬合平面的法向量，并且繪制出最佳平面及計(jì)算出不同區(qū)域內(nèi)的最佳地形擬合平面的斜率與偏離該最佳平面的最小偏差。

表2 測(cè)試場(chǎng)地地形計(jì)算結(jié)果

3 工程實(shí)例

以南非某風(fēng)場(chǎng)8#機(jī)組3MW機(jī)組為例，塔筒高度H=90m，葉輪直徑D=113m，風(fēng)電機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔之間的距離L=2.24D=252.8m，風(fēng)電機(jī)組坐標(biāo)WT為（Easting 351457.0，Northing 6211154.3）。

首先根據(jù)風(fēng)電機(jī)組坐標(biāo)WT在網(wǎng)站www.srtm.csi.cgiar.org/selection/inputcoord.asp下載該機(jī)位半徑8L內(nèi)的SRTM地形數(shù)據(jù)，然后在Global Mapper12.0中導(dǎo)入該SRTM地形數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)化成等高線地形，以該機(jī)位為中心截取需要分析的2L、4L與8L半徑區(qū)域內(nèi)的等高線地形數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出到Excel中，如圖2所示。

在MATLAB中分別導(dǎo)入2L、4L與8L區(qū)域內(nèi)的散點(diǎn)地形數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示。

在MATLAB中分別對(duì)導(dǎo)入的2L、4L與8L區(qū)域內(nèi)的散點(diǎn)地形數(shù)據(jù)，使用PCA分析方法進(jìn)行正交回歸擬合，擬合出2L、4L、8L范圍內(nèi)的地形平面，并計(jì)算出各個(gè)區(qū)域內(nèi)不同扇區(qū)過(guò)塔基中心的最佳地形擬合平面的斜率與偏離該最佳平面的最小偏差，如圖4與表2所示。

表1中的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2中計(jì)算的結(jié)果可以看出，地形不滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定。

4 結(jié)論

通過(guò)直接引用由NASA提供的SRTM地形數(shù)據(jù)，基于MATLAB軟件利用PCA算法擬合出地形平面，對(duì)地形的坡度與高度偏差做出評(píng)估，為風(fēng)電機(jī)組的功率特性場(chǎng)地評(píng)估提供了有效的方法與數(shù)據(jù)依據(jù)，具有重要參考意義。

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