CN110046442A - 风机与尾流投影面积叠加计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风机与尾流投影面积叠加计算方法及装置。所述方法包括：将风机的覆盖面等效为风机圆形，并将尾流的覆盖面等效为尾流圆形；将风机圆形及尾流圆形投影至相同平面；根据风机圆形与尾流圆形之间的相对位置关系计算叠加部分的面积。本发明提供的风机与尾流投影面积叠加计算方法及装置提出了全面的叠加面积计算模型，能够提高尾流计算的准确性。

Description

风机与尾流投影面积叠加计算方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风机与尾流投影面积叠加计算方法及装置。

背景技术

随着风电行业的发展，为了追求经济效益最大化，人们期望风电场中放置尽可能多的风机以提高发电量。陆上风场，尤其是海上风场，越来越多的大型风场已经建立或在规划之中。陆上大型风场，以及大多呈阵列排布的海上风场中，相当多数的风机都处在上游风机的尾流影响区域内工作，下游风机输入的是经过上游风机折减的尾流而非环境风，不但造成了发电量的降低，还增大了湍流度和疲劳载荷，尾流效应是风电场规划设计中需要考虑的重要因素。

在计算上游风机对下游风机的影响时，由于下游风机未必恰好处于上游风机的尾流中心处，故而常需要计算上游风机的尾流与下游风机的叠加面积。在计算风场内某一点的流速时，由于其常处于两台风机的尾流的共同影响之中，为了确定这个共同作用区域，也需要计算两台风机尾流的叠加面积。风机、尾流影响区的几何模型在研究中被假设为圆形，于是问题的核心是计算两个圆形的叠加面积。在科研文献和日常工作中，往往以简单的两个圆的边缘叠加来计算面积，这样做在科研中或是在简单地分析中可以接受，但是在需要针对各种风向作用下的中大型风电场进行准确发电量计算时就显得过于粗略了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风机与尾流投影面积叠加计算方法及装置，能够提高尾流计算的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种风机与尾流投影面积叠加计算方法，所述方法包括：将风机尾流的覆盖面等效为圆形；将两个代表不同风机尾流的覆盖面的圆形投影至相同平面；根据两个圆形之间的相对位置关系计算叠加部分的面积。

在一些实施方式中，风机圆形与尾流圆形之间的相对位置关系，包括：风机圆形完全在尾流圆形内、风机圆心在两圆交线的内侧、风机圆心在两圆交线与尾流圆形组成的弓形内、风机圆心在尾流圆形之外。

在一些实施方式中，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足d≤R-r时，风机圆形完全在尾流圆形内部，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

S_int＝S_r

其中，S_int为叠加部分的面积，S_r为风机圆形的面积。

在一些实施方式中，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足时，风机圆心在两圆交线的内侧，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

S_int＝πr²+θ_RR²-(d+x)²tanθ_R-θ_rr²+x²tanθ_r

其中，S_int为叠加部分的面积，θ_R是叠加部分对应在尾流圆形内的圆周角，θ_r是叠加部分对应在风机圆形内的圆周角，x是风机圆形与尾流圆形的两个交点之间的间距的一半。

在一些实施方式中，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足时，风机圆心在两圆交线与尾流圆形组成的弓形内，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

其中，S_int为叠加部分的面积，θ_R是叠加部分对应在尾流圆形内的圆周角，θ_r是叠加部分对应在风机圆形内的圆周角，x是风机圆形与尾流圆形的两个交点之间的间距的一半。

在一些实施方式中，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足R＜d＜R+r时，风机圆心在尾流圆形之外，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

其中，S_int为叠加部分的面积，θ_R是叠加部分对应在尾流圆形内的圆周角。

此外，本发明还提供了一种风机与尾流投影面积叠加计算装置，所述装置包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的风机与尾流投影面积叠加计算方法。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

提出了全面的叠加面积计算模型，能够提高尾流计算的准确性。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明提供的风机与尾流投影面积叠加计算方法的流程图；

图2A是本发明提供的风机圆形与尾流圆形的位置关系示意图；

图2B是本发明提供的风机圆形与尾流圆形的位置关系示意图；

图2C是本发明提供的风机圆形与尾流圆形的位置关系示意图；

图2D是本发明提供的风机圆形与尾流圆形的位置关系示意图；

图2E是本发明提供的风机圆形与尾流圆形的位置关系示意图

图3是本发明提供的风机与尾流投影面积叠加计算装置的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的风机与尾流投影面积叠加计算方法的流程图。参见图1，风机与尾流投影面积叠加计算方法包括：

S11，将风机尾流的覆盖面等效为圆形。

S12，将两个代表不同风机尾流的覆盖面的圆形投影至相同平面。

S13，根据两个圆形之间的相对位置关系计算叠加部分的面积。

对于多个风机组成的风场，除了处在风场边缘直接面对环境风的风机，其它风机的流速输入条件都需要根据风场内其它风机的下游风速和尾流半径判断其输入风速是环境风还是经过上游风机折减后的尾流，是经过一个风机折减后的尾流还是处在多个风机尾流叠加区域。风机半圆(小圆)和上游风机扩散至该处的尾流(大圆)有多者重叠方式，假设d为两圆心距离，R_w风机当地尾流半径，r_t风机尾流半径，利用几种极限重叠方式可以将重叠面积进行分类计算.这几种极限位置如图所示,代表了风机和上游传导至该处的尾流半圆两圆同心(d＝0)、内部相切(d＝R_w-r_t)、风机圆心在尾流半径上(d＝R_w)、两圆外部相切(d＝R_w+r_t)：

实际风场中各种风向、各种距离情况都会遇到，所以上游风机尾流与当前风机的重叠面积计算需要考虑所有几何情况。图2所示为本专利给出的几种关键位置，各位置按其在图中的顺序描述如下：图2A示出了两圆同心的情况。图2B示出了两圆内切的情况。图2C示出了其中一圆圆心在两圆交点连线上的情况。图2D示出了其中一圆圆心在另一圆上的情况。图2E示出了两圆外切的情况。

可以根据图中这几种关键位置，根据两圆关系分为几种情况进行全面的重叠面积计算，模型描述如下：

1.d≤R-r时下游风机完全在尾流半径内，S_int＝S_r；

2.时下游风机圆心在两圆交线内侧，S_int＝πr²+θ_RR²-(d+x)²tanθ_R-θ_rr²+x²tanθ_r；

3.时风机圆心在两圆交线与尾流圆形组成的弓形内，

4.R＜d＜R+r时风机圆心在尾流圆形外，

在有较多风机的风电场中，风机难以避免工作于其它风机的尾流影响区内。尾流影响的存在会影响风电机组的发电量、载荷，对其准确描述能够提高计算的准确性。而计算尾流影响时，必须计算尾流与风机的叠加面积，在当前行业内和科研文献中采用的叠加计算模型大多比较简单，忽略了很多种情况。本发明全面考虑风机与尾流圆形的位置关系，提出了全面的叠加面积计算模型，能够提高尾流计算的准确性，提高整个风电场发电量、载荷计算的精度。

图3示出了本发明风机与尾流投影面积叠加计算装置的结构图。参见图3，风机与尾流投影面积叠加计算装置包括：中央处理单元(CPU)301，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的程序或者从存储部分308加载到随机访问存储器(RAM)303中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM303中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 301、ROM302以及RAM 303通过总线304彼此相连。输入/输出(I/O)接口305也连接至总线304。

以下部件连接至I/O接口305：包括键盘、鼠标等的输入部分306；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分307；包括硬盘等的存储部分308；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分309。通信部分309经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器310也根据需要连接至I/O接口305。可拆卸介质311，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器310上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分308。

特别的，根据本发明实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分309从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质311被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)301执行时，执行本发明的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本发明的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意结合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何恰当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连的表示的方框实际上可以基本并行的执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风机与尾流投影面积叠加计算方法，其特征在于，包括：

将风机的覆盖面等效为风机圆形，并将尾流的覆盖面等效为尾流圆形；

将风机圆形及尾流圆形投影至相同平面；

根据风机圆形与尾流圆形之间的相对位置关系计算叠加部分的面积。

2.根据权利要求1所述的风机与尾流投影面积叠加计算方法，其特征在于，风机圆形与尾流圆形之间的相对位置关系，包括：风机圆形完全在尾流圆形内、风机圆心在两圆交线的内侧、风机圆心在两圆交线与尾流圆形组成的弓形内、风机圆心在尾流圆形之外。

3.根据权利要求2所述的风机与尾流投影面积叠加计算方法，其特征在于，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足d≤R-r时，风机圆形完全在尾流圆形内部，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

S_int＝S_r

其中，S_int为叠加部分的面积，S_r为风机圆形的面积。

4.根据权利要求2所述的风机与尾流投影面积叠加计算方法，其特征在于，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足时，风机圆心在两圆交线的内侧，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

S_int＝πr²+θ_RR²-(d+x)²tanθ_R-θ_rr²+x²tanθ_r

其中，S_int为叠加部分的面积，θ_R是叠加部分对应在尾流圆形内的圆周角，θ_r是叠加部分对应在风机圆形内的圆周角，x是风机圆形与尾流圆形的两个交点之间的间距的一半。

5.根据权利要求2所述的风机与尾流投影面积叠加计算方法，其特征在于，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足时，风机圆心在两圆交线与尾流圆形组成的弓形内，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

其中，S_int为叠加部分的面积，θ_R是叠加部分对应在尾流圆形内的圆周角，θ_r是叠加部分对应在风机圆形内的圆周角，x是风机圆形与尾流圆形的两个交点之间的间距的一半。

6.根据权利要求2所述的风机与尾流投影面积叠加计算方法，其特征在于，当风机圆心与尾流圆心之间的间距d与风机圆形的半径r、尾流圆形的半径R之间满足R＜d＜R+r时，风机圆心在尾流圆形之外，此时，叠加部分的面积按照如下公式计算：

其中，S_int为叠加部分的面积，θ_R是叠加部分对应在尾流圆形内的圆周角。

7.一种风机与尾流投影面积叠加计算装置，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至6任意一项所述的风机与尾流投影面积叠加计算方法。