三维尾流模型的建立方法、装置、设备及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术实施例公开了一种三维尾流模型的建立方法、装置、设备及存储介质。首先基于预设尾流模型及质量守恒定律进行预测，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布，然后获取来流风速的风切变曲线，并根据风切变曲线计算旋转角度，再然后对初始垂直高度的尾流风速的高斯分布按照旋转角度进行旋转修正，获得修正垂直高度的尾流风速的高斯分布，再然后对水平面的尾流速度进行预测，获得水平面尾流风速的高斯分布，最后根据修正垂直高度的尾流风速的高斯分布和水平面尾流风速高斯分布建立三维尾流模型。本发明专利技术实施例提供的三维尾流模型的建立方法，可以提高尾流模型预测尾流区风速分布的准确性，进而可以应用于风电场的布局优化以及风功率预测。

Method, Device, Equipment and Storage Medium for Establishing Three-dimensional Wake Model

【技术实现步骤摘要】
三维尾流模型的建立方法、装置、设备及存储介质
本专利技术实施例涉及风力发电
，尤其涉及一种三维尾流模型的建立方法、装置、设备及存储介质。
技术介绍
随着常规化石能源的不断消耗以及人们环保意识的增强，风能作为清洁无污染的可再生能源越来越得到世界各国的重视。据世界风能协会的最新报道，截至2017年年底，世界风机总装机容量达到539GW，并且总发电量可以满足全球电力需求的5％以上。然而风电产业在全世界各地快速发展的同时，也面临着众多亟待解决的问题。其中，尾流效应作为影响风电场布局优化以及发电量预测的重要因素而被得以广泛研究。风在流经上游风力机后，风速降低、湍流强度增大在下游形成尾流区的现象，称之为尾流效应。在当今具有多排风机布置的大型风电机组群内，尾流效应的存在不仅使下游风机出力下降、结构疲劳载荷增大，而且会影响到风力机的整体功率输出，相关研究也已表明风机尾流造成的平均功率损失接近10％-20％。因此，获得尾流区风速分布的准确数学表达式即尾流模型，对风电场内风力机的布局优化以及经济性运行起着至关重要的作用。当前针对风电场尾流模型的研究，主要分为两类。一类是以Jensen尾流模型为代表的一维(1D)尾流模型，该模型在推导计算过程中，忽略湍流影响，假设尾流区半径与风机下游距离成线性增长关系，并且认为尾流区风速在径向分布为定值，且Jensen模型忽略湍流强度的影响严重低估了尾流的恢复。基于尾流区速度分布呈现高斯分布的特点，第二类以Jensen-Gaussian为代表的二维(2D)尾流模型被众多学者所提出，该类模型以风力机轮毂高度风速为来流风速，推导计算轮毂高度平面内的风速分布模型。虽然2D尾流模型经与实测数据验证很好的预测了风力机轮毂高度处水平面的风速分布情况，并且对于所处平坦地形的风电场(风力机轮毂高度一致)布局优化具有很好的效果，但是对于地处复杂地形且风力机轮毂中心高度不一致的风电场，仅有二维尾流模型很难预测出尾流区内风力机轮毂高度处所面临的风速分布情况。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种三维尾流模型的建立方法、装置、设备及存储介质，以实现风电场三维尾流模型的建立，可以提高尾流模型的准确性，以优化风电场内风力机的布局。第一方面，本专利技术实施例提供了一种三维尾流模型的建立方法，包括：基于预设尾流模型及质量守恒定律进行预测，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布，其中，所述预设尾流模型包括Jensen模型和/或2DJensen-Gauss模型，初始垂直高度的尾流风速的高斯分布的计算公式如下：其中，z表示距离轮毂中心的高度，uref为测风塔或激光雷达在已知高度zref测得的风速，zhub为风机轮毂中心高度；a为轴流诱导因子，由推力系数CT确定，CT＝4a(1-a)，r0为风力机转子半径；δz为高斯分布的标准差，与尾流半径rz的关系是rz＝2.58δz＝kzx+r0，kz为垂直高度尾流膨胀系数，其中，经验系数Kn取值为0.4，KJensen为膨胀系数，CT为轴向推力系数，x为距离风机的距离，D为风力机直径，Iv为垂直高度的湍流强度；获取来流风速的风切变曲线，并根据所述风切变曲线计算旋转角度；其中，风切变曲线的公式如下：其中，uref为测风塔或激光雷达在已知高度zref测得的风速，zhub为风机轮毂中心高度，z+zhub为距离地面高度，a0为风剪切指数，根据风电场所处区域的地形和大气环境决定，工程中风切变指数a0由公式求出，v1和v2为已知高度z1和z2的实测风速；对初始垂直高度的尾流风速的高斯分布按照所述旋转角度进行旋转修正，获得修正垂直高度的尾流风速的高斯分布，其中，旋转修正后的垂直高度的尾流风速的高斯分布的计算公式如下：其中，u代表u(x，z)，α表示旋转角度；(M，0)表示旋转点的坐标；对水平面的尾流速度进行预测，获得水平面尾流风速的高斯分布，公式如下：其中，y表示在水平面上距离轮毂中心的距离，δy为高斯分布的标准差，与尾流半径ry的关系是ry＝2.58δy＝kyx+r0，ky为水平面尾流膨胀系数，经验系数Kn取值为0.4，KJensen为膨胀系数，CT为轴向推力系数，x为距离风机的距离，D为风力机直径，Iu为水平面的湍流强度；C为高度参数，此处为未知数；根据所述修正垂直高度的尾流风速的高斯分布和所述水平面尾流风速高斯分布建立三维尾流模型。进一步地，基于预设尾流模型及质量守恒定律进行预测，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布，包括：预测垂直高度的尾流风速的高斯分布，计算公式如下：其中，A、B和δz为未知参数，A为第一参数，B为第二参数，δz为高斯分布的标准差；根据一维高斯分布的密度函数曲线性质及Jensen尾流模型中尾流线性扩张假设确定高斯分布的标准差；基于预设尾流模型确定当垂直高度为尾流半径时，尾流风速与在轮毂处的来流风速相等，计算公式如下：其中，u(zhub)表示轮毂处的来流风速，rz表示尾流半径；当尾流半径趋于无穷大时，近似为0，获得第二参数的值；获取质量守恒定律的计算公式：其中，包括(-rz，-r0)和(r0，rz)两个范围；根据所述第二参数的值和质量守恒定律的计算公式计算第一参数的值；表示如下：将第一参数的值、第二参数的值及高斯分布的标准差代入所述预测垂直高度的尾流风速的高斯分布，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布。进一步地，根据所述风切变曲线计算旋转角度，包括：计算所述风切变曲线中位于轮毂中心点的切线的斜率；根据所述斜率确定旋转角度。进一步地，对初始垂直高度的尾流风速的高斯分布按照所述旋转角度进行旋转修正，获得修正垂直高度的尾流风速的高斯分布，包括：获取初始垂直高度的尾流风速的高斯分布曲线的旋转点，其中，旋转点的坐标为若所述旋转点不是坐标原点，则将所述旋转点平移至坐标原点，平移后的曲线表达式为：采用旋转公式对平移后的曲线按照旋转角度进行旋转，获得旋转后的曲线公式为：将旋转后曲线平移至原旋转点位置处，获得修正垂直高度的尾流风速的高斯分布。进一步地，根据所述修正垂直高度的尾流风速的高斯分布和所述水平面尾流风速高斯分布建立三维尾流模型，包括：根据尾流区轴线上的任意一点计算高度参数，计算公式如下：当x0确定时，可唯一确定u(x0，0，0)，由u(x0，0，0)可确定高度参数C的值；将所述高度参数的值代入所述水平面尾流风速高斯分布的公式中获得三维尾流模型。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种三维尾流模型的建立装置，该装置包括：初始垂直高度的尾流风速的高斯分布获取模块，用于基于预设尾流模型及质量守恒定律进行预测，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布，其中，所述预设尾流模型包括Jensen模型和/或2DJensen-Gauss模型；旋转角度计算模块，用于获取来流风速的风切变曲线，并根据所述风切变曲线计算旋转角度；修正垂直高度的尾流风速的高斯分布获取模块，用于对初始垂直高度的尾流风速的高斯分布按照所述旋转角度进行旋转修正，获得修正垂直高度的尾流风速的高斯分布；水平面尾流风速高斯分布获取模块，用于对水平面的尾流速度进行预测，获得水平面尾流风速高斯分布；三维尾流模型建立模块，用于根据所述修正垂直高度的尾流风速的高斯分布和所述水平面尾流风速高斯分布建立三维尾流模型。进一步地，所述初始垂直高度的尾流风速的高斯分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维尾流模型的建立方法，其特征在于，包括：基于预设尾流模型及质量守恒定律进行预测，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布，其中，所述预设尾流模型包括Jensen模型和/或2D Jensen‑Gauss模型，初始垂直高度的尾流风速的高斯分布的计算公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种三维尾流模型的建立方法，其特征在于，包括：基于预设尾流模型及质量守恒定律进行预测，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布，其中，所述预设尾流模型包括Jensen模型和/或2DJensen-Gauss模型，初始垂直高度的尾流风速的高斯分布的计算公式如下：其中，z表示距离轮毂中心的高度，uref为测风塔或激光雷达在已知高度zref测得的风速，zhub为风机轮毂中心高度；a为轴流诱导因子，由推力系数CT确定，CT＝4a(1-a)，r0为风力机转子半径；δz为高斯分布的标准差，与尾流半径rz的关系是rz＝2.58δz＝kzx+r0，kz为垂直高度尾流膨胀系数，其中，经验系数Kn取值为0.4，KJensen为膨胀系数，CT为轴向推力系数，x为距离风机的距离，D为风力机直径，Iv为垂直高度的湍流强度；获取来流风速的风切变曲线，并根据所述风切变曲线计算旋转角度；其中，风切变曲线的公式如下：其中，uref为测风塔或激光雷达在已知高度zref测得的风速，zhub为风机轮毂中心高度，z+zhub为距离地面高度，a0为风剪切指数，根据风电场所处区域的地形和大气环境决定，由公式求出，v1和v2为已知高度z1和z2的实测风速；对初始垂直高度的尾流风速的高斯分布按照所述旋转角度进行旋转修正，获得修正垂直高度的尾流风速的高斯分布，其中，旋转修正后的垂直高度的尾流风速的高斯分布的计算公式如下：其中，u代表u(x，z)，α表示旋转角度；(M，0)表示旋转点的坐标；对水平面的尾流速度进行预测，获得水平面尾流风速的高斯分布，公式如其中，y表示在水平面上距离轮毂中心的距离，δy为高斯分布的标准差，2.58δy＝kyx+r0，ky为水平面尾流膨胀系数，经验系数Kn取值为0.4，KJensen为膨胀系数，CT为轴向推力系数，x为距离风机的距离，D为风力机直径，Iu为水平面的湍流强度；C为高度参数，此处为未知数；根据所述修正垂直高度的尾流风速的高斯分布和所述水平面尾流风速高斯分布建立三维尾流模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预设尾流模型及质量守恒定律进行预测，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布，包括：预测垂直高度的尾流风速的高斯分布，计算公式如下：其中，A、B和δz为未知参数，A为第一参数，B为第二参数，δz为高斯分布的标准差；根据一维高斯分布的密度函数曲线性质及Jensen尾流模型中尾流线性扩张假设确定高斯分布的标准差；基于预设尾流模型确定当垂直高度为尾流半径时，尾流风速与在轮毂处的来流风速相等，计算公式如下：其中，u(zhub)表示轮毂处的来流风速，rz表示尾流半径；当尾流半径趋于无穷大时，近似为0，获得第二参数的值；获取质量守恒定律的计算公式：其中，包括(-rz，-r0)和(r0，rz)两个范围根据所述第二参数的值和质量守恒定律的计算公式计算第一参数的值；表示如下：将第一参数的值、第二参数的值及高斯分布的标准差代入所述预测垂直高度的尾流风速的高斯分布，获得初始垂直高度的尾流风速的高斯分布。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述风切变曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓霞，李兵兵，王腾渊，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13