一种风力发电机群尾流建模的方法与流程

本发明涉及风力发电，尤其涉及一种风力发电机群尾流建模的方法。

背景技术：

1、风电因其清洁且可再生的特性，已是新能源开发利用的重要组成部分之一。风机机组是最为普遍的风力发电装置。然而，当风力发电机群在风电场运行时，由于风电场的规模有限，一些风机将不可避免的处于周围风机的尾流之中。因此，准确地评估尾流区的速度分布对于优化风机布局提高发电量，具有重要的意义。

2、目前，解析尾流模型依靠原理简单、计算快速等优点，已经成为最常采用的尾流评估模型。虽然人们已经进行了大量研究并提出了很多经典解析尾流模型，但是这些模型往往仅适用于单台风力发电机，对于多台风力发电机共存时，多台风机尾流的叠加影响，相关研究则比较薄弱。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是为了构造一种风力发电机群尾流建模的方法，能够在多台风机共存时，充分考虑风机间的上下游关系，给出精确的尾流结果。以提高对风力机尾流区流场的预测精度，为发电量评估、风机排布优化等提供重要的技术支持。

2、本发明提供一种风力发电机群尾流建模的方法，该方法包括如下步骤；

3、步骤1：获取入流条件，根据来流方向得到风机在来流方向上的投影距离s，并根据所述投影距离s对风机进行上下游排序；

4、步骤2：获得上游风机对所有下游风机的尾流膨胀系数k；获得风机对所有上游风机影响后的风速uwi；

5、步骤3：依次循环步骤2，直至n个风机尾流后的风速计算完成，建立风力发电机群尾流叠加模型。

6、优选地，入流条件包括风机的空间坐标轮毂高度hhi，风机直径di，风速ui，风向θi，推力系数cti，来流方向粗糙度z0或尾流膨胀系数k，其中，i为风机的编号。

7、优选地，述投影距离s，是指根据来流方向计算风机在来流方向上的投影距离s为如下公式：

8、

9、其中，式(1)中表示步骤3中的风机空间坐标。表示来流方向的单位矢量坐标。，

10、

11、优选地，步骤2获得上游风机对所有下游风机的尾流膨胀系数k；

12、

13、式中(3)式(3)中hh表示风机的轮毂高度，z0表示粗糙度。

14、优选地，获得风机对所有上游风机影响后的风速uwi，是指所述上游所有风机单独造成风速亏损后尾流风速的最小值；获得uwi的步骤如下：

15、步骤1根据park尾流模型,风机下游距离x位置处尾流区的风速u*表达式为：

16、

17、式(4)中u0为上游来流风速，ct为风机推力系数，r为风机半径，k为尾流膨胀系数；

18、步骤2对所述模型表达式进行修正，所述修正模型同样假定尾流模型的尾流区呈线性扩张，尾流区径向风速呈高斯对称分布,则尾流径向半径为r时风速u为：

19、

20、式(5)中，a、b为待估算系数；

21、所述修正模型同样满足park尾流模型的2个假设：

22、1)假设风机下游x位置处的尾流径向半径为rx，在径向±rx处风速恢复为来流风速u0，则有：

23、

24、2)假设修正模型与park模型的尾流半径相同，且质量通量相等，则有：

25、

26、步骤3基于高斯分布特征，在rx的置信区间[-2.58σ,2.58σ]时,可以计算出99％的尾流速度值，超出所述置信区间，则视为小概率事件；因此，取：

27、rx＝2.58σ                   (8)

28、将(8)带入(6)中，得出：

29、

30、由于较小，可以将项忽略不计，得出：

31、b＝u0                      (10)

32、再将(8)、(10)带入(7)中，得出：

33、a+2rx·u0＝u*·2rx

34、a＝(u*-u0)·2rx                      (11)

35、步骤4将(4)、(8)、(10)、(11)带入(6)中，得出：

36、

37、优选地，根据尾流区的风速u，计算上游i号风机对下游j号风机影响后，j号风机尾流后的风速亏损δuwi-j，其计算过程如下：

38、

39、

40、rwi-j＝ri+kisi-j   (15)

41、

42、

43、其中uwi为i号风机在上游尾流叠加影响后的风速，rwi-j为i号风机扩展至j号风机位置处的尾流径向半径，ri为i号风机的叶轮半径，ki为i号风机的尾流膨胀系数，si-j为j号风机在i号风机来流风向上的投影距离，为i号风机的空间坐标，为j号风机的空间坐标，rwi-j为在i号风机尾流影响下的j号风机处的尾流径向半径。

44、其中，根据风机尾流后的风速亏损δuwi-j，获取风机对所有上游风机影响胡的风速uwi，该风速uwi为上游所有风机单独造成风速亏损后尾流风速的最小值；

45、uwj＝uj-max{δuwi-j|δuw1-j,δuw2-j,…,δuwn-j}   (18)

46、其中，式(10)中，uj为j号风机的来流风速；δuwi-j为i号风机对下游j号风机影响后，j号风机的尾流亏损。i为自然数，j为自然数。

47、优选地，步骤3：依次循环步骤2，直至n个风机尾流后的风速计算完成，建立风力发电机群尾流叠加模型完成，是指根据步骤2依次循环计算上游i号风机对下游j号风机影响后，j号风机尾流后的风速亏损δuwi-j，再获取上游n个风机单独造成风速亏损后尾流风速的最小值uwi，直至n个风机尾流后的风速计算完成，所述风力发电机群尾流叠加模型完成。

48、本发明实施例提供一种风力发电机群尾流建模的方法，解决了对于多台风力发电机共存时，多台风机尾流的叠加影响问题，本发明技术方案是通过来流方向建立风机上下游关系，并在此基础上考虑了风机尾流计算中的上下游风机叠加影响，从而提高了多台风机存在时，尾流计算结果的准确性；同时也继承了单方程尾流模型在尾流计算中形式简单、容易编码、计算高效的优点；新模型为风机阵列优化应用提供更有效的支持。

技术特征：

1.一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，所述入流条件包括风机的空间坐标轮毂高度hhi，风机直径di，风速ui，风向θi，推力系数cti，来流方向粗糙度z0或尾流膨胀系数k，其中，i为风机的编号。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，所述投影距离s，是指根据来流方向计算风机在来流方向上的投影距离s为如下公式：

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，所述步骤2获得上游风机对所有下游风机的尾流膨胀系数k；

5.根据权利要求1所述的一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，所述获得风机对所有上游风机影响后的风速uwi，是指所述上游所有风机单独造成风速亏损后尾流风速的最小值；获得uwi的步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，根据所述尾流区的风速u，计算上游i号风机对下游j号风机影响后，j号风机尾流后的风速亏损δuwi-j，其计算过程如下：

7.根据权利要求6所述的一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，根据所述风机尾流后的风速亏损δuwi-j，获取风机对所有上游风机影响后的风速uwi，所述风速uwi为所述上游所有风机单独造成风速亏损后尾流风速的最小值；

8.根据权利要求1所述的一种风力发电机群尾流建模的方法，其特征在于，所述步骤3：依次循环步骤2，直至所有风机尾流后的风速计算完成，建立风力发电机群尾流叠加模型完成，是指根据步骤2依次循环计算上游i号风机对下游j号风机影响后，j号风机尾流后的风速亏损δuwi-j，再获取上游n个风机单独造成风速亏损后尾流风速的最小值uwi，直至n个风机尾流后的风速计算完成，所述风力发电机群尾流叠加模型完成。

技术总结
本发明提供一种风力发电机群尾流建模的方法，解决了对于多台风力发电机共存时，多台风机尾流的叠加影响的问题，本发明技术方案是通过来流方向建立风机上下游关系，并在此基础上考虑了风机尾流计算中的上下游风机叠加影响，从而提高了多台风机存在时，尾流计算结果的准确性；同时也继承了单方程尾流模型在尾流计算中形式简单、容易编码、计算高效等优点；建立新的模型可以为风机阵列优化等相关应用提供更有效的支持。本发明应用于风力发电技术领域。

技术研发人员：彭怀午,陈彬,刘军涛,李乾,韩毅,李华祥,张日葵
受保护的技术使用者：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13