一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑风力机相互干涉的大型风电场中尺度数值模拟方法。该方法首先获取目标风电场风力机的基础数据；利用基础数据对每台风力机进行数值建模；然后在数值建模中，加入风力机亚网格干涉模型，通过修正同一网格内每台风力机的大气来流条件，从而提升大型风电场中尺度数值模拟的准确性。最后将建模结果耦合至数值天气预报模型，开展大型风电场的数值模拟研究。相比与传统风电场中尺度数值建模方法，本发明专利技术的建模方法的准确性及鲁棒性更好，更适合用于针对大型风电的场内干涉和整场的尾流特性等研究。场的尾流特性等研究。场的尾流特性等研究。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法


[0001]本专利技术属于数值模拟领域，具体涉及一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法。

技术介绍

[0002]风能作为一种清洁可再生能源正在飞速发展。然而，缺乏前期评估与规划的盲目发展容易造成经济与资源的浪费。因此，准确的评估和分析目标场址的风资源以及风电场自身运行特性变得极其重要。近些年，中尺度数值模拟分析方法凭借较低经济、时间成本以及研究范围广等优点，逐渐成为分析风资源以及风电场尾流特性的常用工具。例如，申请号：CN202011237572.3采用中尺度数值模型WRF结合前处理工具WPS开发了基于Linux系统开发了一套中尺度风资源分析自动化系统。申请号：CN202011237154.4依旧基于WRF模式，利用全球再分析数据集将2km的中尺度风资源信息降尺度至200m，得到更为精细化的区域风资源。
[0003]然而，上述方法都未考虑风电场本身对风资源的影响且无法分析风电场的运行特性。原因在于风力机运行对大气的影响并未考虑，即未针对风力机进行建模分析。目前，风电场模型多基于数据建模，未考虑风力机的物理特性。申请号：CN201710280318.3通过将风力机输出功率进行等值群分，针对不同区域利用数据算法构建一种风电场等值模型，并评估了其有效性。申请号：CN202011099920.5利用机器学习方法对不同风电场区域的速度和功率之间关系进行建模并相互关联。通过这样的方法构建了风电场的等效模型。然而，以上建模方法大多脱离实际大气环境，物理机理未得到解析，较难应对复杂多样的外界环境，导致模型实用性欠佳。
[0004]针对大规模风电场的中尺度数值模拟，国内外常用的模拟手段为耦合风电场参数化模型，即Fitch模型。该模型将风力机视为制动盘作用于来流大气，造成大气动量与湍流动能的变化。然而，由于模式的中尺度特性，存在多个风力机位于同一网格内，而网格内风机的亚网格特性未被解析，导致同一网格内的风力机具有相同的大气响应。这一近似高估了风力机的大气作用，造成了模拟的误差。因此，模型有待进一步的发展与改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现在技术中存在的问题，并提供一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法步骤如下：一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法，该方法步骤如下：
[0007](1)采集目标风电场各风力机的基础信息数据；所述基础信息数据包括地理位置信息、风力机几何物理信息以及风力机运行特性
[0008](2)利用步骤(1)中基础信息数据对整个风电场进行参数化建模；每个风力机被视为制动盘(drag disk)，风力机对来流大气施加一个动量汇，将来流大气动能转化为电能和
湍流动能；通过基于步骤(1)的风力机基础信息数据计算获得风力机与大气的作用源项，即瞬态动量变化项、湍流动能变化项和功率输出；
[0009](3)针对存在多台风力机的单一计算网格，需要考虑各风力机之间的相互干涉效应，通过修正每台风力机的来流大气速度以提高大型风电场数值建模的准确性；采用时间差分的思想构建亚网格内考虑风力机相互干涉的模型，以修正同一网格内的风力机的相互干涉所造成的来流速度误差。具体为：在某一计算时间步长内，将同一网格的风力机依次放置到网格中去；在每次放置的时间间隔内，将放置的风力机作为制动盘作用于来流大气，造成大气流场的动量亏损；该动量亏损以既定函数衰减，并扩散至下一个放置的风力机；以此往复，同一网格内每台风力机均将受到其上游风力机的作用，从而实现不同来流速度，最终获得修正后的动量变化项、湍流动能变化项和功率输出；
[0010](4)将修正后的动量变化项、湍流动能变化项和功率输出耦合至数值预报模式WRF，将风电场建模过程嵌入WRF模式的行星大气边界层(PBL)参数化方案中，从而最终实现考虑风力机相互干涉的大规模风电场流动及运行特性的中尺度数值评估与预测。
[0011]进一步地，步骤(1)中，所述地理位置信息包括风电场场址以及各风力机的经纬度信息；所述风力机几何物理信息包括轮毂高度和风轮旋转面半径；所述风力机运行特性包括功率曲线和推力曲线。
[0012]进一步地，所述的WRF模型为天气预报模式，版本为WRF version 4.3。
[0013]进一步地，所述的大气边界层(PBL)参数化方案具体为MYNN2.5方案。
[0014]进一步地，所述的衰减函数为高斯衰减函数。
[0015]进一步地，步骤(3)中，单一计算网格中第n+1放置的风机的受到的来流速度为：
[0016][0017]其中u,v为来流速度的水平速度分量，|U|为来流速度标量，Δu，Δv为已放置的第n个风力机造成的动量亏损量，其计算方法为：
[0018][0019][0020]其中，N
ij
为网格(i,j)内的风力机数量，A
ijk
为风轮旋转面在网格(i,j)垂直层k上截取的面积，Δz
k
为垂直层k与垂直层k+1之间的垂直距离，C
T
为推力系数，Δt为WRF模式的时间步长，Δt/(N
ij
‑
1)为放置时间间隔，α和β分别为空间和排布修正系数，空间修正因子限定了动量亏损完全扩散的最大范围(亚网格中最小尺度)，排布修正因子规定了动量亏损以高斯函数的形式衰减并逐渐向周围扩散。
[0021]本专利技术的有益效果：本专利技术建立的改进大型风电场中尺度数值建模方法是对传统方法的创新和改进，具有更高准确性，对网格分辨率敏感性低以及强鲁棒性等优点。改进的风电场数值模型可针对大规模风电场或风电场群，模拟范围上百甚至上千平方公里，单个网格包含多个风力机情况时改进效果更优。
附图说明
[0022]图1为模型运行步骤的流程示意图；
[0023]图2为风机网格计算模拟精度示意图；
[0024]图3为模型网格敏感性对比验证图；
[0025]图4为模型流场对比图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。
[0027]本专利技术主要构建了一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法，模拟和分析大规模风电场周围的大气运动以及风电场运行特性。具体步骤如下：
[0028]1)采集目标风电场各风力机的基础信息数据。主要包括地理位置信息(风电场场址以及各风力机的经纬度信息)、风力机几何物理信息(轮毂高度和风轮旋转面半径)以及风力机运行特性(功率曲线和推力曲线)。其中，位置信息用于确定计算域及每台风力机在计算域中的相对位置，风力机的几何物理和运行特性信息用于后续的参数化建模计算步骤。
[0029]2)利用步骤1)中基础数据对整个风电场进行参数化建模。WRF作为开源的中尺度数值模式，拥有一系列大气物理运动的参数化方法，例如，大气边界层、大气辐射、积云等。基于Fortran语言，WRF允本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法，其特征在于，该方法步骤如下：(1)采集目标风电场各风力机的基础信息数据；所述基础信息数据包括地理位置信息、风力机几何物理信息以及风力机运行特性(2)利用步骤(1)中基础信息数据对整个风电场进行参数化建模；每个风力机被视为制动盘(drag disk)，风力机对来流大气施加一个动量汇，将来流大气动能转化为电能和湍流动能；通过基于步骤(1)的风力机基础信息数据计算获得风力机与大气的作用源项，即瞬态动量变化项、湍流动能变化项和功率输出；(3)针对存在多台风力机的单一计算网格，需要考虑各风力机之间的相互干涉效应，通过修正每台风力机的来流大气速度以提高大型风电场数值建模的准确性；采用时间差分的思想构建亚网格内考虑风力机相互干涉的模型，以修正同一网格内的风力机的相互干涉所造成的来流速度误差。具体为：在某一计算时间步长内，将同一网格的风力机依次放置到网格中去；在每次放置的时间间隔内，将放置的风力机作为制动盘作用于来流大气，造成大气流场的动量亏损；该动量亏损以既定函数衰减，并扩散至下一个放置的风力机；以此往复，同一网格内每台风力机均将受到其上游风力机的作用，从而实现不同来流速度，最终获得修正后的动量变化项、湍流动能变化项和功率输出；(4)将修正后的动量变化项、湍流动能变化项和功率输出耦合至数值预报模式WRF，将风电场建模过程嵌入WRF模式的行星大气边界层(PBL)参数化方案中，从而最终实现考虑风力机相互干涉的大规模风电场流动及运行特性的中尺度数值评估与预测。2.根据权利要求1所述的一种改进的大型风电场中尺度数值建模方法，其特征在于，步骤(1)中，所述地理位...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春雷，王强，罗坤，樊建人，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：