考虑大气稳定度的充分发展风电场等效粗糙度计算方法技术

本发明专利技术涉及风电场等效建模和风电场微观选址技术领域，具体提供一种考虑大气稳定度的充分发展风电场等效粗糙度计算方法，旨在解决现有方法对风电场等效粗糙度的计算不够完善的问题。为此目的，本发明专利技术的方法包括：获取风电机组的参数；获取大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子；获取风电场的无量纲尾流附加涡粘系数；根据所述风电机组的参数、所述影响因子和所述风电场的无量纲尾流附加涡粘系数，计算风电场的等效粗糙度。本发明专利技术的方法不仅考虑了大气稳定度的影响，而且考虑了风电场对大气稳定度的反作用，因此可以快速、简单、准确地计算出风电场边界层在不同情况下的等效粗糙度，为大型风电场的优化设计提供支持。持。持。

【技术实现步骤摘要】
考虑大气稳定度的充分发展风电场等效粗糙度计算方法


[0001]本专利技术涉及充分发展风电场等效建模和风电场微观选址
，具体提供一种考虑大气稳定度的风电场等效粗糙度计算方法。

技术介绍

[0002]粗糙度是衡量地面对风摩擦力大小的指标之一，一般来说，地面越平坦光滑，粗糙度越小。在对数风廓线中，粗糙度表示风速为零的高度。若将风电机组视为“粗糙元”，则由于风电场的存在使得粗糙度增加，此时的粗糙度称之为风电场等效粗糙度。风电场等效粗糙度实际上是将风电场等效为一种特殊的“地形”，其受影响的主要因素有风电机组排布间距、风轮直径、轮毂高度、风电机组的运行状态、原本的地面粗糙度以及大气稳定度。对于大型风电场来说，准确预测风电场等效粗糙度，对于风电场微观选址、功率预测以及提高风电场经济效益都有十分重要的意义。
[0003]风电场等效粗糙度的计算是非常复杂的，但对于大型风电场来说，其下游大部分流动状态趋于稳定，可近似看作充分发展风电场。这为建立风电场等效粗糙度模型提供了便利。大型风电场与大气边界层发生强烈的相互作用，是影响粗糙度精确评估的重要因素，其相互作用可描述如下：一方面，风电场复杂的尾流效应可破坏大气边界层原有的动量平衡，显著影响大气边界层垂向动量输运，改变大气边界层的稳定性。另一方面，大气稳定度可改变大气边界层原本的湍流特性，反过来影响风电机组的尾流效应。两者相互影响，不断迭代，最终达到一个平衡的状态。
[0004]实际风电场运行过程中，大气稳定度并不总是维持在中性条件下。从小时级别的时间尺度来看，从第一天的正午到午夜再到第二天的正午，大气稳定度分别处于不稳定到稳定再到不稳定的状态。即使是从长期的统计平均来看，某地点的大气稳定度通常也会偏离中性。因此需要评估不同大气稳定度下的风电场等效粗糙度。
[0005]在商用的风资源分析软件WAsP中，采用的是简单的基于风电场可视化参数(风轮直径、轮毂高度、风电机组的平均占地面积)计算的Lettau模型。
[0006]E&F模型将中性条件下的风电场大气边界层沿垂直方向分为两个应力层，相应地得到两个对数律的平均速度表达式。
[0007]Calaf(top down)模型在E&F模型的基础上考虑了三个应力层结构，其速度分布更符合充分发展风电场的大涡模拟结果。
[0008]P&R模型在E&F模型的基础上考虑了大气稳定度修正，但是没有考虑风电场对大气稳定度的反作用，以及风电场边界层的三个应力层结构。
[0009]以上模型对风电场等效粗糙度的计算均不够完善。

技术实现思路

[0010]本专利技术旨在解决上述技术问题，即，解决现有模型对风电场等效粗糙度的计算均不够完善的问题。
[0011]在第一方面，本专利技术提供一种考虑大气稳定度的风电场等效粗糙度计算方法。该方法包括以下步骤：
[0012]获取风电机组的参数；
[0013]获取大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子；
[0014]获取风电场的无量纲尾流附加涡粘系数；
[0015]根据所述风电机组的参数、所述影响因子和所述风电场的无量纲尾流附加涡粘系数，计算风电场的等效粗糙度。
[0016]在上述风电场等效粗糙度计算方法的优选实施方式中，“根据所述风电机组的参数、所述影响因子和所述风电场的无量纲尾流附加涡粘系数，计算风电场的等效粗糙度”的步骤具体包括根据下列等式计算风电场的等效粗糙度：
[0017][0018]其中，D为风电机组的风轮直径，z
h
风电机组的轮毂高度；
[0019]w(L
hi
)为轮毂高度以上大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子，w(L
lo
)为轮毂高度以下大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子；
[0020]为风电场的无量纲尾流附加涡粘系数，C
T
是风轮的推力系数，S
x
和S
y
分别是风电机组流向和展向间距相对风轮直径的无量纲参数。
[0021]在上述风电场等效粗糙度计算方法的优选实施方式中，所述轮毂高度以上大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子w(L
hi
)通过下列等式确定：
[0022][0023]其中，和分别为轮毂高度以上不同高度处的大气稳定度修正函数。
[0024]在上述风电场等效粗糙度计算方法的优选实施方式中，所述轮毂高度以下大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子w(L
lo
)通过下列等式确定：
[0025][0026]其中，和分别为轮毂高度以下不同高度处的大气稳定度修正函数。
[0027]在上述风电场等效粗糙度计算方法的优选实施方式中，所述风电场的无量纲尾流附加涡粘系数通过下列等式确定：
[0028][0029]其中，κ是卡门常数，u
*
为摩擦速度；(zh)为轮毂高度平面经过时间和空间平均后的风速。
[0030]在上述风电场等效粗糙度计算方法的优选实施方式中，所述风电场是大型风电场的充分发展区域。
[0031]在第二方面，本专利技术提供一种充分发展风电场发电功率估算方法，该方法包括下列步骤：
[0032]根据以上所述的考虑大气稳定度的风电场等效粗糙度计算方法计算风电场的等效粗糙度；
[0033]根据计算出的等效粗糙度，确定充分发展风电场轮毂高度的风速；
[0034]根据充分发展风电场轮毂高度的风速，对风电机组风速
‑
功率曲线进行线性插值来估算风电场的发电功率。
[0035]在上述风电场发电功率估算方法的优选实施方式中，通过下列等式确定充分发展风电场轮毂高度的风速：
[0036][0037]其中，z
0，hi
为等效粗糙度，u
*hi
为充分发展风电场轮毂高度以上摩擦速度，D为风电机组的风轮直径，z
h
风电机组的轮毂高度，w(L
hi
)为轮毂高度以上大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子，为风电场的无量纲尾流附加涡粘系数，κ是卡门常数。
[0038]在上述风电场发电功率估算方法的优选实施方式中，所述获取风电场内部轮毂高度以上摩擦速度u
*hi
通过下列等式确定：
[0039][0040]其中，u
*inflow
是入流摩擦速度，δ是边界层高度，Z
0，lo
表示地面粗糙度，Z
0，hi
表示风电场等效粗糙度，L
inflow
是入流风廓线的莫宁
‑
奥布霍夫长度，L
hi
是轮毂高度以上的莫宁
‑
奥布霍夫长度，ψ
m
是无量纲的稳定性参数。
[0041]在第三方面，本专利技术提供一种风电场微观选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑大气稳定度的充分发展风电场等效粗糙度计算方法，其特征在于包括下列步骤：获取风电机组的参数；获取大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子；获取风电场的无量纲尾流附加涡粘系数；根据所述风电机组的参数、所述影响因子和所述风电场的无量纲尾流附加涡粘系数，计算风电场的等效粗糙度。2.根据权利要求1所述的充分发展风电场等效粗糙度计算方法，其特征在于，“根据所述风电机组的参数、所述影响因子和所述无量纲尾流附加涡粘系数，计算风电场的等效粗糙度”的步骤具体包括根据下列等式计算风电场的等效粗糙度：其中，D为风电机组的风轮直径，z
h
风电机组的轮毂高度；w(L
hi
)为轮毂高度以上大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子，w(L
lo
)为轮毂高度以下大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子；为风电场的无量纲尾流附加涡粘系数，C
T
是风轮的推力系数，S
x
和S
y
分别是风电机组流向和展向间距相对风轮直径的无量纲参数。3.根据权利要求2所述的充分发展风电场等效粗糙度计算方法，其特征在于，所述轮毂高度以上大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子w(L
hi
)通过下列等式确定：其中，和分别为轮毂高度以上不同高度处的大气稳定度修正函数。4.根据权利要求2所述的充分发展风电场等效粗糙度计算方法，其特征在于，所述轮毂高度以下大气稳定度与风电场相互作用对等效粗糙度的影响因子w(L
lo
)通过下列等式确定：其中，和分别为轮毂高度以下不同高度处的大气稳定度修正函数。5.根据权利要求2至4中任一项所述的充分发展风电场等效粗糙度计算方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，刘建平，李大伟，张爱玲，汪渊，孙建军，赵帮林，索生阳，王国旗，郭豪，葛铭纬，李宝良，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：