一种建立风电机出力仿真模型的方法技术

本发明专利技术涉及一种建立风电机出力仿真模型的方法，该方法包括以下步骤：⑴确定风电机参数：风电机直径，轮毂高度，空气密度，入流风速；⑵确定建模条件；⑶根据质量守恒和动量守恒原理建立风电机尾流风速的方程；⑷模型建立：将入流风速

A method of building wind turbine output simulation model

The invention relates to a method for establishing a wind motor output simulation model, which comprises the following steps: \u2474 determining the wind motor parameters: wind motor diameter, hub height, air density, inflow wind speed; \u2475 determining the modeling conditions; \u2476 establishing the tail flow wind speed equation of the wind motor according to the principles of mass conservation and momentum conservation; \u2475 establishing the model: changing the inflow wind speed

【技术实现步骤摘要】
一种建立风电机出力仿真模型的方法
本专利技术涉及风电
，尤其涉及一种建立风电机出力仿真模型的方法。
技术介绍
在风能资源开发和风电场设计中，需要明确风电机的出力状况。因此准确地模拟风电机的出力性能非常重要，风电机的出力是由风电机特性和大气流场共同决定，在实际情况下，风电机的功率、几何尺寸、机械性能和大气的运动状态都会影响风电机的出力。又因为大气运动状态的多变性、间歇性和流场的复杂不稳定性，在实际风电场中很难用简单的测量方法有效地认识流场对风电机的作用和影响。但是在风电场建设评估和风电场出力预报系统中，都需要对风电场出力进行尽可能准确地估计。因此，通过动力学理论分析和数学建模的方法，对风电场理论出力进行计算和模拟是非常必要的，也是十分重要的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种提高下游风电机的出力效率和土地的利用率的建立风电机出力仿真模型的方法。为解决上述问题，本专利技术所述的一种建立风电机出力仿真模型的方法，包括以下步骤：⑴确定下述风电机参数：风电机直径d，单位m；风电机轮毂高度zh，单位m；空气密度ρ，单位kg/m3；风电机轮毂高度水平入流风速UO，单位m/s；⑵确定建模条件：①假设空气流经风电机时，空气粘性和大气压均不发生剧烈变化；②假设水平气流流经风电机叶浆时，受风电机叶浆旋转扰动影响，在风电机尾部一定空间内形成高湍流区，高湍流区与自由大气存在清晰的分界，将这一高湍流区定义为风电机控制体；③假设在风电机控制体之外，风电机旋转产生的扰动不会对自由大气流场产生影响，但控制体外部的大气水平动量能够穿过控制体的边界面进入控制体内，从而对控制体内空气的水平动量给予补偿；④假设风电机轮毂高度为zh时的风速为Uh；⑶根据质量守恒和动量守恒原理建立风电机尾流风速的方程为：；式中：UW为风电机下游的尾流风速，单位m/s；UO为风电机轮毂高度水平入流风速，单位m/s；dA为积分微元；CT为风机推力系数；AO为风机扫掠面积，即1/8πd2；⑷模型建立：假设Uo-Uw在二维空间中满足高斯型分布：；式中：C（x）表示风电机下游x处尾流中心与边缘风速的标准化最大风速差；r为x处风机尾流中心与控制体边缘的半径距离，单位m；σ为风电机下游Gaussian型风速廓线的方差；ΔU/Uo为标准化风速差；则风电机尾流风速可以表示为：；将入流风速Uo以风速对数廓线代入后，风电机的尾流模型表示为三维正交标架O（x，y，z）中的函数：其中，Uo为风电机轮毂高度水平入流风速；x、y、z表示三维正交标架O（x，y，z）中的空间坐标值；k为尾流控制体扩张率，在陆上风电场中取0.05；，。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术根据现有主流风电机结构特征，建立风电机运行的数学物理模型，利用大气动力学大气边界层理论对风电机运行过程中产生的尾流效应进行了理论上的研究，引入了风电机尾流满足二维空间高斯分布的数学计算公式。利用该方法计算风电机下游不同距离风电机尾流的分布情况，这一模型可以确定风电机之间的最优布局间距，依据此距离可以从理论上解决风电场布局中上下游风电机间的布局问题，为风电场的合理布局提供理论支撑和技术手段。2、本专利技术通过确定风电机的尾流分布情况，解决上下游风电机之间的最优布局间距，有效提高了下游风电机的出力效率，同时可以提高土地的利用率，避免了由于布局不当所造成的发电能力不足和土地利用低的问题。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为本专利技术的风电机下游轮毂高度水平风场变化图。图2为本专利技术的风电机前后垂直风廓线示意图。图3为本专利技术的风电机尾流x-z截面图。图4为本专利技术的风电机尾流x-y截面图。具体实施方式风电机吸收了气流中的部分能量，所以气流经过风电机后，其速度有所下降。在风电场中，前排的风电机会遮挡后排的风电机组，因此坐落在下风向的风电机处的风速就低于上风向的风电机处的风速，这就是尾流效应。风电机到前排的间距越近，前排风电机组对后排风电机组风速的影响越大；而当两排风电机之间的间距较大时，前排风电机对后排风电机的影响就会减小。其原因是当气流经前排风电机向后排风电机流动的过程中，会得到大气垂直向下输送的动量补充，显然前后两排风电机之间的间距越大，得到的补充动量就会越多，风速的尾流效应就会越小。但在实际风电场中，前后排之间的间距是有一定的约束限制的，不会过大，因此风机尾流效应比较明显。尾流效应使得下游的风机实际出力效果有所下降，这对风电场的经济效益有着重要的影响。风电场是由一定数量的风电机按一定的排列规则布局而成的，风电场的整体尾流可以通过将一定数量的单独风机的尾流相叠加的方法来构建尾流模型。因此，单台风电机的尾流模型是构建风电场尾流模型的前提和基础。下面首先通过动量守恒和质量守恒原理，分析构建风电机的尾流物理模型，再将物理模型数值化，从而形成单台风电机的数学物理模型。一种建立风电机出力仿真模型的方法，包括以下步骤：⑴确定下述风电机参数：风电机直径d，单位m；风电机轮毂高度zh，单位m；空气密度ρ，单位kg/m3；风电机轮毂高度水平入流风速UO，单位m/s。⑵确定建模条件：①假设空气流经风电机时，其空气粘性和大气压均不发生剧烈变化；简洁需要，认为这两个变量是定常的。②假设水平气流流经风电机叶浆时，受风电机叶浆旋转扰动影响，在风电机尾部一定空间内形成高湍流区，高湍流区与自由大气存在清晰的分界，将这一高湍流区定义为风电机控制体。③假设在风电机控制体之外，风电机旋转产生的扰动不会对自由大气流场产生影响，但控制体外部的大气水平动量能够穿过控制体的边界面进入控制体内，从而对控制体内空气的水平动量给予补偿。④假设风电机轮毂高度为zh时的风速为Uh。即假设气流在流经风电机时，只在风电机控制体以内空间的空气流场发生变化，在风电机控制体之外，风机旋转产生的搅动不会对空气流场产生影响，但控制体外部的大气水平动量能够穿过控制体的侧壁面进入控制体，从而对控制体中空气的水平动量给予补偿。图1和图2分别是风电机下游空气柱的控制体和风电机周围控制体的示意图。如图1所示，气流流经风电机之后，在风电机的下游形成一个不断扩张的柱状控制体。在风电机下游，随着到风电机距离的增加（即x增加），控制体的横截面面积由最初的Ao（如图1中的横截面a）逐渐增加到Ab（如图1中的横截面b）、再到Ac（如图1中的横截面c）不断增大。同时假设在控制体周围的侧壁面上，有水平速度为Uo的气流流入控制体，用来补偿控制体中的空气动量，从而在一定程度上减弱了风电机尾流。显然，在来自控制体外部的空气水平动量的补充下，随着距离x的增加，风电机尾流会逐渐减弱。于是，估计风电机的尾流最简洁的方法就是定量给出刻画和描述风电机下游一定距离处的风速，风速与自由大气的流速差异本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种建立风电机出力仿真模型的方法，包括以下步骤：/n⑴确定下述风电机参数：风电机直径

【技术特征摘要】
1.一种建立风电机出力仿真模型的方法，包括以下步骤：
⑴确定下述风电机参数：风电机直径d，单位m；风电机轮毂高度zh，单位m；空气密度ρ，单位kg/m3；风电机轮毂高度水平入流风速UO，单位m/s；
⑵确定建模条件：
①假设空气流经风电机时，空气粘性和大气压均不发生剧烈变化；
②假设水平气流流经风电机叶浆时，受风电机叶浆旋转扰动影响，在风电机尾部一定空间内形成高湍流区，高湍流区与自由大气存在清晰的分界，将这一高湍流区定义为风电机控制体；
③假设在风电机控制体之外，风电机旋转产生的扰动不会对自由大气流场产生影响，但控制体外部的大气水平动量能够穿过控制体的边界面进入控制体内，从而对控制体内空气的水平动量给予补偿；
④假设风电机轮毂高度为zh时的风速为Uh；
⑶根据质量守恒和动量守恒原理建立风电机尾流风速的方程为：

；
式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓清，陈伯龙，杨丽薇，李振朝，惠小英，余晔，
申请(专利权)人：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62