一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法技术

本发明专利技术公开了属于新能源风力发电技术领域的一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法。包括步骤：1，获取风电机组入流情况、风电机组参数和风电机组运行状态的基本数据；2，根据获取的基本数据计算轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ随下游距离x的线性变化函数；在尾流速度损失分布已知的情况下，或通过高斯速度损失剖面拟合直接获取，相当于已知的输入条件；3，将轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ作为输入值输入到附加湍流度模型中，结合风电机组入流数据得出风电机组远场尾流流向湍流度的预测结果。本发明专利技术可以实现风电机组远场尾流流向湍流度的准确预测，对机组排布优化具有重要的指导意义。排布优化具有重要的指导意义。排布优化具有重要的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法


[0001]本专利技术属于新能源风力发电
，特别涉及一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法。

技术介绍

[0002]流向湍流度是导致风力发电机组疲劳失效的主要原因，以此用来计算风力发电机组的疲劳载荷。因此，利用结构简单、计算效率高的解析模型准确预测风力发电机组尾流区的流向湍流度成为风电企业的迫切要求；有助于提高风电场微观选址的技术水平，降低风力机疲劳载荷、延长风力机使用寿命。
[0003]理论上风力发电机组尾流区的流向湍流度可以用以下公式表达：
[0004][0005]其中，I
u
为风电机组尾流区中的流向湍流度；I0为环境湍流度；ΔI
u
为风电机组运行时产生的附加流向湍流度；它们都是无量纲量。
[0006]在上式中，通常环境湍流度I0分布是已知的，重点是通过对附加流向湍流度的预测，实现尾流区内流向湍流度的计算。而尾流区的附加流向湍流度分布，受到风力发电机组推力系数C
T
、风力发电机组轮毂高度位置环境湍流度I
a
、与机组的轴向距离x、径向距离r等多个因素影响；建立精确的附加流向湍流度计算模型，是提高尾流区流向湍流度计算精度的核心。
[0007]在附加湍流度模型中，主要分为三类(Port
é-
Agel F*,Bastankhah M,Shamsoddin S.Wind-Turbine and Wind-Farm Flows:A Review[J].Boundary Layer Meteorology,2019,174(1):1-59)：第一类是横截面附加流向湍流度呈顶帽分布的Frandsen湍流度模型(Frandsen S,Thgersen ML.Integrated fatigue loading for wind turbines in wind farms by combining ambient turbulence and wakes[J].Multi-Science Publishing Co.Ltd.1999,23(6):327
–
339)；第二类是只考虑上叶尖位置附加流向湍流度变化的Crespo及其类似的湍流度模型(Crespo A,J.Herna
′
ndez J.Turbulence characteristics in wind-turbine wakes[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1996,61(1):71-85)；第三类是横截面附加流向湍流度呈双高斯分布，附加流向湍流度最大值在叶尖处的Takeshi湍流度模型(Ishihara T,Qian GW*.A new Gaussian-based analytical wake model for wind turbines considering ambient turbulence intensities and thrust coefficient effects[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2018,177:275-292)。
[0008]其中，Frandsen湍流度模型未考虑与环境湍流度的映射关系，附加流向湍流度的预测局限于轮毂中心位置处，尾流截面处的附加流向湍流度呈顶帽分布与工程实际明显不符。
[0009]Crespo及其类似的湍流度模型大多局限于机组上叶尖位置处的附加流向湍流度，并未对尾流截面处的湍流分布情况加以考虑。
[0010]Takeshi湍流度模型的思路是：先假定附加流向湍流度沿轮毂中心线呈双高斯轴对称分布，最大值位置位于叶尖处，再考虑来流剪切层的影响对垂直方向上的不对称性进行修正。其对附加流向湍流度的分析较为全面，但存在以下问题：
[0011](1)未考虑尾流发展过程中膨胀特性对附加流向湍流度最大值位置的影响，只在小湍流度、小推力系数，尾流膨胀较小，可近似为不膨胀的情况下适用；在其它情况下，则存在明显误差，由此进行的高斯分布也将因为顶点位置的不准确出现较大偏差。
[0012](2)在对垂直方向上附加流向湍流度的不对称性进行修正时，未考虑轮毂高度以上来流剪切对不对称性的影响，且地面修正范围未在展向y方向加以限制，认为只与垂直高度z有关，与地面对风电机组附加流向湍流度的影响仅在机组尾流区中的特性明显不符。
[0013](3)数据验证时所采用的入流湍流度为3.5％、机组推力系数为0.36等部分实验过于理想；在工程应用中具有很大的局限性。
[0014]综上所述，上述附加湍流度模型能全面引起风电机组流向湍流度的预测结果不准确问题。

技术实现思路

[0015]本专利技术的目的是提出一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法，其特征在于，所述方法包括：
[0016]步骤1：获取风电机组入流情况、风电机组参数和风电机组运行状态的基本数据；
[0017]步骤2：根据步骤1获取的基本数据计算轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ随下游距离x的线性变化函数；在尾流速度损失分布已知的情况下，或通过高斯速度损失剖面拟合直接获取，相当于已知的输入条件；
[0018]步骤3：将步骤1的基本数据和步骤2中轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ作为输入值输入到附加湍流度模型中，结合风电机组入流数据得出风电机组远场尾流流向湍流度的预测结果。
[0019]所述步骤1获取风电机组基本数据具体包括：风电机组来流环境湍流度I0的分布、风电机组轮毂高度位置环境湍流度I
a
、轮毂高度z
h
、风轮直径D、机组推力系数C
T
。
[0020]所述步骤2获取的基本数据计算轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ随下游距离x的线性变化函数具体包括：
[0021]步骤201：将风电机组轮毂高度位置环境湍流度I
a
、风轮直径D、机组推力系数C
T
输入到尾流速度损失剖面标准差σ的求解公式中，计算σ＝k
w
x+σ0，
[0022]其中，系数k
w
＝0.3837I
a
+0.003678，表示尾流膨胀率；表示风轮处位置处尾流速度损失剖面标准差。
[0023]所述步骤3将轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ作为输入值输入到附加湍流度模型中，结合风电机组入流数据得出风电机组远场尾流流向湍流度的预测结果具体包括：
[0024]步骤301：根据附加流向湍流度模型中双高斯分布假设，以轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ作为输入，求取附加流向湍流度最大值位置与轮毂中心线的径向距离r
1/2
、附加流向湍流度呈高斯分布时的标准偏差σ
T
，其中
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1：获取风电机组入流情况、风电机组参数和风电机组运行状态的基本数据；步骤2：根据步骤1获取的基本数据计算轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ随下游距离x的线性变化函数；在尾流速度损失分布已知的情况下，或通过高斯速度损失剖面拟合直接获取，相当于已知的输入条件；步骤3：将步骤1的基本数据和步骤2中轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ作为输入值输入到附加湍流度模型中，结合风电机组入流数据得出风电机组远场尾流流向湍流度的预测结果。2.根据权利要求1所述一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法，其特征在于，所述步骤1获取风电机组基本数据具体包括：风电机组来流环境湍流度I0的分布、风电机组轮毂高度位置环境湍流度I
a
、轮毂高度z
h
、风轮直径D、机组推力系数C
T
。3.根据权利要求1所述一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法，其特征在于，所述步骤2获取的基本数据计算轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ随下游距离x的线性变化函数具体包括：步骤201：将风电机组轮毂高度位置环境湍流度I
a
、风轮直径D、机组推力系数C
T
输入到尾流速度损失剖面标准差σ的求解公式中，计算σ＝k
w
x+σ0，其中，系数k
w
＝0.3837I
a
+0.003678，表示尾流膨胀率；表示风轮处位置处尾流速度损失剖面标准差。4.根据权利要求1所述一种风力机远场尾流流向湍流度计算方法，其特征在于，所述步骤3将轮毂高度水平面内尾流速度损失剖面标准差σ作为输入值输入到附加湍流度模型中，结合风电机组入流数据得出风电机组远场尾流流向湍流度的预测结果具体包括：步骤301：根据附加流向湍流度模型中双高斯分...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛铭纬，黄智，李莉，刘永前，韩爽，阎洁，孟航，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：