一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法技术

本发明专利技术涉及一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法，包括：基于实际坐标系，通过坐标旋转，建立辅助坐标系；在辅助坐标系中，采用风机尾流模型，确定风机尾流区域各点的风速；通过坐标转换，将尾流区域各点在辅助坐标系中的坐标转换为实际坐标系中的坐标。本发明专利技术提供的技术方案可实现风向偏转条件下，计算风电机组的尾流分布位置，及尾流区域内任意点的风速值。该发明专利技术适用于任意风向偏转角度，适用于各种尾流模型，可用于计算风电机组间的尾流影响、风电场的尾流影响。

A method for determining the wake of a wind turbine with different wind directions

The invention relates to a wind turbine in different wind angle wake determination method, including: the actual coordinate system based on the coordinate rotation, an auxiliary coordinate system; the auxiliary coordinate system, using the wind wake model, determine the wind flow velocity of each point of the tail region; through coordinate transformation, the wake region each point in the coordinate system of coordinate conversion in the actual coordinate system. The technical scheme provided by the invention can realize the tail flow distribution position of the wind turbine and the wind speed value at any point in the wake region under the condition that the wind direction is deflected. The invention is suitable for deflection angles of any wind direction, and is suitable for various wakes models, and can be used to calculate the influence of the tail flow of the wind motor groups and the tail flow influence of the wind farm.

【技术实现步骤摘要】
一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法
本专利技术涉及一种风力发电
的计算方法，具体涉及一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法。
技术介绍
随着风电技术的快速发展，以及风力发电在电力系统中比重的持续增加，大型风电场通常由几百台甚至上千台风电机组组成。为准确分析风电场的发电能力及对下游风机的影响，风机的尾流计算越来越受到关注。风机的尾流效应是指风经过风机后，由于风轮吸收了部分风能，风机下游风速会出现一定程度的突变减小；随着风向下游流动，在湍流混合作用下尾流影响范围不断扩大，而风速逐渐恢复的现象。尾流效应对风速的影响与风电机组的风能转换效率、风电机组排布、风电场地形特点、风特性等因素有关，一般来说，尾流效应带来的风电场年发电量损失大约在2％-20％之间。此外，尾流效应还会引起湍流的增加，降低下游风机的寿命。早期对尾流效应的研究主要为实验研究，包括风洞实验与风场实测。著名的风洞实验如2000-2005年荷兰能源研究中心(ECN)的DNW实验。著名的风场测试如Tjaereborg、Nibe和Sexbierum测试。这些研究通过测量尾流区域的风速分布，并与未受尾流影响的风速进行对比，研究尾流的影响因素与变化规律。尾流模型是描述风力机尾流结构的数学模型，用于计算风力机尾流区域的风速分布。基于试验研究结果，人们建立了各种各样的尾流模型，现有的尾流模型可以分为三大类：基于实验总结的半经验模型、基于祸流理论的模型、基于N-S方程的CFD模型。涡流模型与CFD模型虽然在汁算精度上较高，但其对计算资源的要求很高，尤其是用于风场微观选址优化计算与风电场集群功率预报时，冗长的计算时间是工程应用所不能接受的。这使得半经验模型被广泛应用，半经验模型具有结构相对简单、计算精度较高、计算时间较短等优点，非常适合在风场微观选址优化计算与风电场集群功率预报时使用。半经验模型中，Jensen模型、Larsen模型应用较为广泛。Riso实验室的N.O.Jensen基于理想风力机一维动量理论提出了适用于平坦地形的尾流模型，该模型是商用风场与风资源计算软件Wasp、WindPRO、WindFarm的尾流模型基础。G.C.Larsen假定下风向不同位置的风速衰减具有相似性，并且风速只会发生中等程度的衰减，提出了一种基于普朗特湍流边界层方程的渐近式，该模型被广泛使用，也是欧洲风电机组标准II(EuropeanWindTurbineStandardsII)的推荐尾流模型。以上尾流模型均假设计算坐标系的X轴与来流风向一致，当风向偏转时，坐标系必须随着风向一同偏转才能进行计算。对于单台风机，由于风机叶轮可实时偏航，能保证风机轴线与风向一致，满足模型的假设条件。但要计算风机间的尾流影响或风电场的尾流效应，特别是需要对比不同风向等条件下的尾流影响，则需要建立固定、统一的坐标系，此时必须考虑风向偏转的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法，该方法提出了一种风向偏转条件下，风电机组尾流计算方法，可实现风向偏转条件下，计算风电机组的尾流分布位置，及尾流区域内任意点的风速值。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：1)基于实际坐标系，通过坐标旋转，建立辅助坐标系；2)在辅助坐标系中，采用风机尾流模型，确定风机尾流区域各点的风速；3)通过坐标转换，将尾流区域各点在辅助坐标系中的坐标转换为实际坐标系中的坐标。进一步地，所述步骤1)中，设实际坐标系为XOY，来流风向角θ，将XOY坐标系逆时针旋转θ，形成辅助坐标系X′OY′。进一步地，所述步骤2)中，风机尾流模型包括但不限于Jensen模型和Larsen模型；所述Jensen模型描述如下：设风机叶轮平面T，计算平面为S，S到T的距离为x，则平面S内的风速均一，且是与x相关的函数，针对任意T-S平面距离x，计算尾流影响半径R(x)及S平面内风速v(x)，公式如下：R(x)＝R0+kx式中：R0：风机轮毂半径；CT：风机推力系数；k：尾流扩张系数；v0：来流风速，未受尾流影响区域的平均风速；x：计算平面到风机叶轮平面的距离，且x≥0；R(x)：风机下风向，与风机叶轮平面距离为x的平行平面中，风机尾流扩张半径；v(x)：风机下风向，与风机叶轮平面距离为x的平行平面中，尾流扩张半径内的风速；所述Larsen模型描述如下：设计算点P到风机叶轮平面T的垂直距离为x，到风机叶轮轴线的垂直距离为y，则P点的风速是与x、y相关的函数，计算P点的风速v(x，y)及P点所处垂直平面内的尾流影响半径R(x)，公式如下：式中：A：风机叶轮的扫风面积；c1：为一无量纲值；x：计算点到风机叶轮平面的垂直距离，且x≥0；y：计算点到风机轴线的垂直距离，且y≤R(x)；v(x，y)：风机下风向尾流区域内，与风机叶轮平面距离为x，与风机轴线距离为v的点位处的风速；在辅助坐标系X′OY′中，风向与X′轴一致，符合无风向偏转条件；采用风机尾流模型，确定尾流区域内任意点P(x0，y0)对应的尾流影响半径R(x0)与尾流风速v(x0)或v(x0，y0)。进一步地，所述步骤3)中，已知P点风速及在辅助坐标系中的坐标(x0，y0)，根据夹角关系β＝α+θ，计算P点在实际坐标系中的坐标(x1，y1)，包括如下步骤：(1)计算坐标原点与P点的连线长r：(2)如果r＝0，则x1＝x0、y1＝y0；否则进入下一步计算；(3)计算坐标原点与P点的连线与X′轴夹角α：(4)计算坐标原点与P点的连线与X轴夹角β：β＝α+θ；(5)计算P点(P点的坐标在辅助坐标系X′OY′中为P(x0，y0)，在实际坐标系XOY中为P(x1，y1))在坐标系XOY中的坐标：与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有的优异效果是：本方法是风电机组尾流模型的精细化研究。传统的风电机组尾流模型仅适用于来流风速与坐标系的X轴一致的情况，对于风电场尾流计算等需要考虑来流风向偏转的情况，无法进行计算。1.本方法解决了这一问题，实现了风向偏转条件下，计算风电机组的尾流分布位置，及尾流区域内任意点的风速值。2.本方法适用于任意风向角：对0～360°风向偏转，均可进行计算。3.本方法适用于各种尾流模型：对Jensen尾流模型、Larsen尾流模型，其它尾流模型均适用。4.本方法可用于计算风电场尾流效应：由于传统尾流模型的局限性，计算坐标系必须随风向变化，因而无法采用统一的坐标系，计算不同风向条件下风电场的尾流叠加效应。本专利技术方法可用于建立统一坐标系，计算任意风向条件下多台风机或风电场的尾流影响范围与叠加效应。附图说明图1是本专利技术提供的Jensen尾流模型示意图；图2是本专利技术提供的Larsen尾流模型示意图；图3是本专利技术提供的无风向偏转条件下，风机尾流分布示意图；图4是本专利技术提供的风向偏转条件下，风机尾流分布示意图；图5是本专利技术提供的辅助坐标系中，风机尾流分布示意图；图6是本专利技术提供的实际坐标系与辅助坐标系的关系图；图7是本专利技术提供的求解(x1，y1)的逻辑图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明。以下描述和附图充分地示出本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：1)基于实际坐标系，通过坐标旋转，建立辅助坐标系；2)在辅助坐标系中，采用风机尾流模型，确定风机尾流区域各点的风速；3)通过坐标转换，将尾流区域各点在辅助坐标系中的坐标转换为实际坐标系中的坐标。

【技术特征摘要】
1.一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：1)基于实际坐标系，通过坐标旋转，建立辅助坐标系；2)在辅助坐标系中，采用风机尾流模型，确定风机尾流区域各点的风速；3)通过坐标转换，将尾流区域各点在辅助坐标系中的坐标转换为实际坐标系中的坐标。2.如权利要求1所述的风电机组尾流确定方法，其特征在于，所述步骤1)中，设实际坐标系为XOY，来流风向角θ，将XOY坐标系逆时针旋转θ，形成辅助坐标系X′OY′。3.如权利要求1所述的风电机组尾流确定方法，其特征在于，所述步骤2)中，风机尾流模型包括但不限于Jensen模型和Larsen模型；在辅助坐标系X′OY′中，风向与X′轴一致，符合无风向偏转条件；采用风机尾流模型，确定尾流区域内任意点P(x0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜文玲，冯双磊，王勃，王伟胜，刘纯，胡菊，宋宗朋，赵艳青，王铮，杨红英，张菲，孙辰军，王永，魏明磊，丁坤，路亮，摆念宗，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，国网河北省电力公司，国网甘肃省电力公司，甘肃省电力公司风电技术中心，
类型：发明
国别省市：北京,11