CN110427714A - 基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法，涉及杆塔绕流效应的风电机组输出功率模型设计领域，针对风电场中杆塔对下游风电机组的遮挡影响，建立电力杆塔的绕流模型时，应用了亚临界雷诺值下的圆柱绕流模拟结果，并对风速变化曲线进行拟合，建立杆塔的风速绕流模型；将杆塔绕流风速模型与尾流效应、山体地形和随机风向结合，其中尾流模型引用了Jensen尾流模型，山体地形模型引入两山峰的贝尔模型，并且运用风电机组的功率特性模型计算计及杆塔绕流时考虑尾流效应、山体地形和随机风向下的风电场输出功率，并且通过仿真计算研究杆塔绕流对风电机组输出功率的影响。本发明对风电机组和杆塔的微观选址有重要参考价值。

Description

基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究 方法

技术领域

本发明涉及杆塔绕流效应的风电机组输出功率模型设计领域，具体为一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法。

背景技术

近年来，随着世界经济的迅猛发展，人类对能源的需求成倍增长，能源工业也以前所未有的规模发展。风电场研究和建设取得了很大进步，各种影响因素下的风电机组风速模型研究已经较为成熟。

随着风电装机容量的逐年增加，风电场所在地微环境对风电场风速的影响日益凸显，进而影响风电机组输出功率，其中风电场中存在众多连接电缆线路以传输电能的混凝土结构电力杆塔，不合适的杆塔位置对风电机组输出功率的影响不可忽视，这一点已被风电场工程实践与运行所证实。对实际风电场的调研结果表明：在特定情况下风力发电组的输出功率与理论计算值之间的差异性较大，通过详细统计每台风电机组的风况和功率，发现当杆塔处于某一机组迎风方向时，该风电机组输出功率明显降低。

由此可见，建立风电机组杆塔绕流效应的输出功率模型，评估杆塔绕流对风电机组输出功率的影响，是提高风电机组风能利用率和提高风电场的经济效益的重要解决措施之一。

发明内容

本发明为了解决分析风电场中电力杆塔遮挡对下游风电机组迎风风速削弱作用的问题，提供了一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法。

本发明提出了一种基于亚临界雷诺值的杆塔绕流风速模型，该模型计及了尾流效应、山体地形、随机风向三个因素，研究了杆塔绕流对风电机组输出功率的影响，通过理论评估值与山西某风电场的实际监测数据的对比，分析杆塔绕流效应对风电机组输出功率的影响。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法，包括以下步骤：

S1：采集风电场的历史风速风向数据：采集一年内每15分钟的平均风速和风向，将风向角分为m等份，即每个扇区基于历史风向数据得到每L分钟之内风向角在扇区出现的概率，将统计得到的概率值作为待建风电场地区的风向频率；

S2：生成山体地形模型：参考经典的贝尔山体模型，将两个经典的单峰贝尔模型进行组合，建立模拟风电场地形的双峰的贝尔模型，该模型的函数为：

其中，H₁为左侧山峰的高度，H₂为右侧山峰的高度，x₁、x₂分别为两山峰峰值的横坐标，x₃为两山峰交界处横坐标，L₁、L₂分别为两山峰的迎风坡面长度；

S3：研究障碍物绕流特性，通过大涡模拟法对风速绕流进行数值模拟，得到障碍物的风速绕流曲线；将杆塔近似为圆柱体进行绕流分析，参考亚临界雷诺值下的圆柱绕流仿真结果对杆塔的风速绕流进行建模；亚临界雷诺值下整个圆柱绕流区域的风场趋向于稳定，来流风V₀与x轴方向相同，y轴垂直于来流风向，V轴表征风速大小；由x方向上的风速变化特性可以看出，在风经过杆塔之后，由于障碍物的绕流特性，风在刚经过杆塔时的一段区域内风向与来流方向相反，并且随着距离x的增加，大小逐渐趋近于初始风速V₀；由沿y轴方向的风速变化特性可以看出，在x恒定的某一空间位置，绕流风速V_x,y随着y绝对值的增加而增大；

S4：建立杆塔的风速遮挡模型，根据来流风向的方向距杆塔的远近，将风经过杆塔后的影响区域，划分为绕流区、过渡区和稳流区：

其中y＝0时沿x轴的风速V_x的变化特性曲线可拟合为：

其中，λ₁为空气密度修正系数，反映了风速衰减的幅度，λ₂为摩擦系数，与杆塔的材质有关；D为杆塔的直径，x＝2D处风速为0，为绕流区和过渡区的临界点；x＝20D处为过渡区和稳流区的临界点；绕流区、过渡区和稳流区内沿y轴的风速变化趋势不同，沿y方向的风速变化曲线为分段函数，x＝x₀时，沿y轴的风速变化特性曲线拟合为：

其中：A₁～A₃为绕流区的特征参数，由绕流区风速变化曲线拟合计算所得：

过渡区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合的分段函数为：

其中：B₁～B₃为过渡区的特征参数，由过渡区风速变化曲线拟合计算所得：

稳流区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合函数为：V_x0,y＝(sin(Cy)+1)·V_x0，其中，C为稳流区特征参数，由稳流区风速变化曲线拟合计算所得：得到x＝x₀处的风速V_x0后，进而通过沿y方向上的风速变化曲线，即V_x0,y风速曲线，可以得出空间内任意位置(x₀,y₀)处的风速V_x0,y0，为了表征风经过杆塔后的衰减特性，设定杆塔的风速衰减系数d_t为：d_t＝1-V_x,y/V₀；

S5：建立计及杆塔绕流的风电机组输出功率模型：计及杆塔绕流效应的风电机组风速模型建立时参考风电机组尾流效应的理论：初始风速V₀在经过上游机组WT₁后，部分风能被WT₁吸收，尾流部分风速大小降为V₁；速度为V₁的尾流风经过杆塔绕流后大小变为V_T，V_T的大小与杆塔和下游机组的相对位置有直接关系；V_T和V₁的关系为：V_T＝V₁×(1-d_t)＝V₀·(1-d_t)(1-d_w)；

在山体地形和随机风向的影响下，杆塔和风电机组的相对位置发生改变，从而影响杆塔对下游机组的绕流遮挡面积以及下游机组的风速，计算考虑杆塔的绕流影响时，可将遮挡模型分解为：上游风电机组单独对下游机组的影响模型以及上游杆塔单独对下游机组的风速影响模型：

杆塔单独对下游风电机组的绕流遮挡面积A_T的计算为：

其中D_T为杆塔绕流在下游机组投影面积的宽度，Δh为杆塔与下游风电机组的高度差，r为风电机组叶轮半径；

综合每台风电机组和杆塔单独对下游机组WT_i的尾流、绕流风速及遮挡面积，求出每台风电机组的等效输入风速V_Ti：其中β_m为遮挡系数，β_m＝A_Tm/A_ri，A_Tm为下游机组WT_i被杆塔m遮挡的面积，M为风电场中的杆塔数量，V_mi为被杆塔m影响下的WT_i的风速；

S6：评估杆塔绕流对风电机组输出功率的影响，按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比；

S7：评估以山体地形为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，针对风电场山尖处的风电机组进行仿真，其中以山体地形为变量，通过等比例增加或减小基础山体模型中短峰和高峰的高度值，得到不同的山体坡度；按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比；

S8：评估以随机风向为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，针对不同的风向，对不同风向下的风电机组绕流效应进行评估：按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比。

本发明提出了一种杆塔绕流效应的风速模型并对其对风电机组输出功率的影响进行评估。包括步骤一：采集风电场的历史风速风向数据；生成步骤二：生成山体地形模型；生成步骤三：研究障碍物绕流特性；生成步骤四：建立杆塔的风速遮挡模型；生成步骤五：建立计及杆塔绕流的风电机组输出功率模型；生成步骤六：评估杆塔绕流对风电机组输出功率的影响；生成步骤七：评估以山体地形为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响；生成步骤八：评估以随机风向为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响。

本发明为了提高风电场的风能利用率，从功率最大化的角度出发，提出了一种杆塔绕流效应的风速模型。建立电力杆塔的绕流模型时，应用了亚临界雷诺值下的圆柱绕流模拟结果，并对风速变化曲线进行拟合，建立杆塔的风速绕流模型。将杆塔绕流风速模型与尾流效应、山体地形和随机风向结合，其中尾流模型引用了Jensen尾流模型，山体地形模型引入两山峰的贝尔模型，并且运用风电机组的功率特性模型计算计及杆塔绕流时考虑尾流效应、山体地形和随机风向下的风电场输出功率，并且通过仿真计算研究杆塔绕流对风电机组输出功率的影响。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明将绕流现象融入山体地形和随机风向中，详述杆塔绕流对下游风电机组输出功率的影响。具体为基于亚临界雷诺值建立风吹过杆塔后的动态时序非定向风速模型，建立杆塔的风速绕流模型，并将杆塔绕流模型与经典的风电机组影响因素即尾流、山体地形及随机风向结合，建立考虑杆塔绕流的风电机组风速模型。本发明生成的杆塔绕流模型提高了风能的利用率和风电场的经济性，从而提高了本方法在实际工程实用中的可行性。本发明也可以使得风电场在初期建设时避免杆塔对风的过度遮挡，提高风电机组的风能利用率，减少风电场的风功率损失，为风电场的运行规划提供了建议和依据。研究成果对风电机组和杆塔的微观选址有重要参考价值。

附图说明

图1为本发明统计历史风向得到的风向概率分布图。

图2为双峰的贝尔模型。

图3为障碍物绕流影响示意图。

图4为杆塔绕流下风速分别沿x和y方向的变化特性。

图5为考虑杆塔的风电机组尾流效应模型。

图6为计及杆塔、地形、随机风向的尾流与绕流效应模型。

图7为风电机组和杆塔排布位置示意图。

图8为输出功率仿真结果与实测功率比较。

图9为随机风向对风电机组影响仿真结果。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法，包括以下步骤：

S1：采集风电场的历史风速风向数据：采集一年内每15分钟的平均风速和风向，将风向角分为m等份，即每个扇区基于历史风向数据得到每L分钟之内风向角在扇区出现的概率，将统计得到的概率值作为待建风电场地区的风向频率，如图1所示；

S2：生成山体地形模型：参考经典的贝尔山体模型，将两个经典的单峰贝尔模型进行组合，建立模拟风电场地形的双峰的贝尔模型，如图2所示，该模型的函数为：

其中，H₁为左侧山峰的高度，H₂为右侧山峰的高度，x₁、x₂分别为两山峰峰值的横坐标，x₃为两山峰交界处横坐标，L₁、L₂分别为两山峰的迎风坡面长度；

S3：研究障碍物绕流特性，如图3所示，通过大涡模拟法对风速绕流进行数值模拟，得到障碍物的风速绕流曲线；将杆塔按照圆柱体进行绕流分析，参考亚临界雷诺值下的圆柱绕流仿真结果对杆塔的风速绕流进行建模；亚临界雷诺值下整个圆柱绕流区域的风场趋向于稳定，来流风V₀与x轴方向相同，y轴垂直于来流风向，V轴表征风速大小；由x方向上的风速变化特性可以看出，在风经过杆塔之后，由于障碍物的绕流特性，风在刚经过杆塔时的一段区域内风向与来流方向相反，并且随着距离x的增加，大小逐渐趋近于初始风速V₀；由沿y轴方向的风速变化特性可以看出，在x恒定的某一空间位置，绕流风速V_x,y随着y绝对值的增加而增大；

S4：建立杆塔的风速遮挡模型，根据来流风向的方向距杆塔的远近，将风经过杆塔后的影响区域，划分为绕流区、过渡区和稳流区，如图4所示：

其中y＝0时沿x轴的风速V_x的变化特性曲线可拟合为：

其中，λ₁为空气密度修正系数，反映了风速衰减的幅度，λ₂为摩擦系数，与杆塔的材质有关；D为杆塔的直径，x＝2D处风速为0，为绕流区和过渡区的临界点；x＝20D处为过渡区和稳流区的临界点；绕流区、过渡区和稳流区内沿y轴的风速变化趋势不同，沿y方向的风速变化曲线为分段函数，x＝x₀时，沿y轴的风速变化特性曲线拟合为：

其中：A₁～A₃为绕流区的特征参数，由绕流区风速变化曲线拟合计算所得：

过渡区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合的分段函数为：

其中：B₁～B₃为过渡区的特征参数，由过渡区风速变化曲线拟合计算所得：

稳流区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合函数为：V_x0,y＝(sin(Cy)+1)·V_x0，其中，C为稳流区特征参数，由稳流区风速变化曲线拟合计算所得：得到x＝x₀处的风速V_x0后，进而通过沿y方向上的风速变化曲线，即V_x0,y风速曲线，可以得出空间内任意位置(x₀,y₀)处的风速V_x0,y0，为了表征风经过杆塔后的衰减特性，设定杆塔的风速衰减系数d_t为：d_t＝1-V_x,y/V₀；

S5：建立计及杆塔绕流的风电机组输出功率模型：如图5所示，计及杆塔绕流效应的风电机组风速模型建立时参考风电机组尾流效应的理论：初始风速V₀在经过上游机组WT₁后，部分风能被WT₁吸收，尾流部分风速大小降为V₁；速度为V₁的尾流风经过杆塔绕流后大小变为V_T，V_T的大小与杆塔和下游机组的相对位置有直接关系；V_T和V₁的关系为：V_T＝V₁×(1-d_t)＝V₀·(1-d_t)(1-d_w)；

在山体地形和随机风向的影响下，杆塔和风电机组的相对位置发生改变，从而影响杆塔对下游机组的绕流遮挡面积以及下游机组的风速，计算考虑杆塔的绕流影响时，可将遮挡模型分解为：上游风电机组单独对下游机组的影响模型以及上游杆塔单独对下游机组的风速影响模型，如图6所示：

杆塔单独对下游风电机组的绕流遮挡面积A_T的计算为：

其中D_T为杆塔绕流在下游机组投影面积的宽度，Δh为杆塔与下游风电机组的高度差，r为风电机组叶轮半径；

综合每台风电机组和杆塔单独对下游机组WT_i的尾流、绕流风速及遮挡面积，求出每台风电机组的等效输入风速V_Ti：其中β_m为遮挡系数，β_m＝A_Tm/A_ri，A_Tm为下游机组WT_i被杆塔m遮挡的面积，M为风电场中的杆塔数量，V_mi为被杆塔m影响下的WT_i的风速；

S6：评估杆塔绕流对风电机组输出功率的影响，按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，风电机组和杆塔排布如图7所示，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比，如图8所示；可以得出，考虑杆塔绕流效应的风速模型仿真得到的风电场输出功率更贴近风电场的实测功率，能够更精确地预测风电场的输出功率；

S7：评估以山体地形为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，针对风电场山尖处的风电机组进行仿真，其中以山体地形为变量，通过等比例增加或减小基础山体模型中短峰和高峰的高度值，得到不同的山体坡度；按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比，结果表明，对于单台风电机组而言，杆塔绕流效应对单台风电机组输出功率影响严重，山体坡度的增加，提高了杆塔和下游风电机组的相对位置，降低了杆塔对下游机组绕流效应的影响，从而降低了杆塔对输出功率的削弱作用；与经典的山体地形仅削弱下游风机的输出功率相比，山体坡度的存在避开了杆塔绕流对下游机组的影响，提高了下游风机接收到的风速，因此充分利用了风能，保证了下游风机输出功率最大；

S8：评估以随机风向为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，如图9所示，针对不同的风向，对不同风向下的风电机组绕流效应进行评估：按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比。结果表明，遮挡风向下杆塔会对下游机组产生遮挡，考虑杆塔绕流后的风电场总输出功率大幅降低，随机风向对考虑杆塔绕流效应的风电机组输出功率产生严重影响。因此在风电场的规划初期，应基于实测的风向数据，避免杆塔相对于风电机组的顺向排布，从而抑制杆塔绕流效应导致的风电机组输出功率波动。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：采集风电场的历史风速风向数据：采集一年内每15分钟的平均风速和风向，将风向角分为m等份，即每个扇区基于历史风向数据得到每L分钟之内风向角在扇区出现的概率，将统计得到的概率值作为待建风电场地区的风向频率；

S2：生成山体地形模型：参考经典的贝尔山体模型，将两个经典的单峰贝尔模型进行组合，建立模拟风电场地形的双峰的贝尔模型，该模型的函数为：

其中，H₁为左侧山峰的高度，H₂为右侧山峰的高度，x₁、x₂分别为两山峰峰值的横坐标，x₃为两山峰交界处横坐标，L₁、L₂分别为两山峰的迎风坡面长度；

S3：研究障碍物绕流特性，通过大涡模拟法对风速绕流进行数值模拟，得到障碍物的风速绕流曲线；将杆塔按照圆柱体进行绕流分析，参考亚临界雷诺值下的圆柱绕流仿真结果对杆塔的风速绕流进行建模；亚临界雷诺值下整个圆柱绕流区域的风场趋向于稳定，来流风V₀与x轴方向相同，y轴垂直于来流风向，V轴表征风速大小；由x方向上的风速变化特性可以看出，在风经过杆塔之后，由于障碍物的绕流特性，风在刚经过杆塔时的一段区域内风向与来流方向相反，并且随着距离x的增加，大小逐渐趋近于初始风速V₀；由沿y轴方向的风速变化特性可以看出，在x恒定的某一空间位置，绕流风速V_x,y随着y绝对值的增加而增大；

S4：建立杆塔的风速遮挡模型，根据来流风向的方向距杆塔的远近，将风经过杆塔后的影响区域，划分为绕流区、过渡区和稳流区：

其中y＝0时沿x轴的风速V_x的变化特性曲线可拟合为：

其中，λ₁为空气密度修正系数，反映了风速衰减的幅度，λ₂为摩擦系数；D为杆塔的直径，x＝2D处风速为0，为绕流区和过渡区的临界点；x＝20D处为过渡区和稳流区的临界点；绕流区、过渡区和稳流区内沿y轴的风速变化趋势不同，沿y方向的风速变化曲线为分段函数，x＝x₀时，沿y轴的风速变化特性曲线拟合为：

其中：A₁～A₃为绕流区的特征参数，由绕流区风速变化曲线拟合计算所得：

过渡区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合的分段函数为：

其中：B₁～B₃为过渡区的特征参数，由过渡区风速变化曲线拟合计算所得：

稳流区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合函数为：V_x0,y＝(sin(Cy)+1)·V_x0，其中，C为稳流区特征参数，由稳流区风速变化曲线拟合计算所得：得到x＝x₀处的风速V_x0后，进而通过沿y方向上的风速变化曲线，即V_x0,y风速曲线，可以得出空间内任意位置(x₀,y₀)处的风速V_x0,y0，为了表征风经过杆塔后的衰减特性，设定杆塔的风速衰减系数d_t为：d_t＝1-V_x,y/V₀；

S5：建立计及杆塔绕流的风电机组输出功率模型：计及杆塔绕流效应的风电机组风速模型建立时参考风电机组尾流效应的理论：初始风速V₀在经过上游机组WT₁后，部分风能被WT₁吸收，尾流部分风速大小降为V₁；速度为V₁的尾流风经过杆塔绕流后大小变为V_T，V_T的大小与杆塔和下游机组的相对位置有直接关系；V_T和V₁的关系为：V_T＝V₁×(1-d_t)＝V₀·(1-d_t)(1-d_w)；

在山体地形和随机风向的影响下，杆塔和风电机组的相对位置发生改变，从而影响杆塔对下游机组的绕流遮挡面积以及下游机组的风速，计算考虑杆塔的绕流影响时，可将遮挡模型分解为：上游风电机组单独对下游机组的影响模型以及上游杆塔单独对下游机组的风速影响模型：

杆塔单独对下游风电机组的绕流遮挡面积A_T的计算为：

其中D_T为杆塔绕流在下游机组投影面积的宽度，Δh为杆塔与下游风电机组的高度差，r为风电机组叶轮半径；

综合每台风电机组和杆塔单独对下游机组WT_i的尾流、绕流风速及遮挡面积，求出每台风电机组的等效输入风速V_Ti：其中β_m为遮挡系数，β_m＝A_Tm/A_ri，A_Tm为下游机组WT_i被杆塔m遮挡的面积，M为风电场中的杆塔数量，V_mi为被杆塔m影响下的WT_i的风速；

S6：评估杆塔绕流对风电机组输出功率的影响，按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比；

S7：评估以山体地形为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，针对风电场山尖处的风电机组进行仿真，其中以山体地形为变量，通过等比例增加或减小基础山体模型中短峰和高峰的高度值，得到不同的山体坡度；按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比；

S8：评估以随机风向为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，针对不同的风向，对不同风向下的风电机组绕流效应进行评估：按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比。