CN110968942A - 一种基于周边环境的风电机组的性能评估方法 - Google Patents

一种基于周边环境的风电机组的性能评估方法 Download PDF

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宋柯
冯俊恒
郭敏
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刘二恩
岳红轩
苏凤宇
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Abstract

本发明涉及一种基于周边环境的风电机组的性能评估方法，步骤为(1)对障碍物和风电机组进行建模；(2)采用矩形截面风沿设定间隔的位置角对所述风电机组进行扫略，并判断障碍物对风电机组是否造成影响；(3)对风电机组没有影响的位置角进行剔除，得到对风电机组有影响的位置角；(4)构建所述有影响的位置角的流体模型；(5)根据所述流体模型，对风电机组模型进行有障碍仿真计算；(6)根据所述有障碍仿真计算的结果进行评估。该评估过程考虑了障碍物对风电机组的实际影响，因此仿真结果更加准确，评估结果更加可靠，而且仅对剔除后的有影响的位置角进行仿真分析，可以提高模型仿真计算的效率。

Description

一种基于周边环境的风电机组的性能评估方法
技术领域
本发明涉及一种基于周边环境的风电机组的性能评估方法。
背景技术
风力发电机组利用风轮将风能转换为转动的机械能，又利用发电机、变流器等装置将机械能转换为电能。理想情况下，风速比较稳定流入风轮平面，经叶片形成对机组有利的扭矩和不利的推力效应，扭矩决定机组的发电性能，推力效应及其他耦合作用对机组产生不利承载情况。但实际由于湍流强度、风向变化、尾流效应等不利风资源条件会导致机组发电性能降低、承载情况增加，使机组部件存在风险。
风力发电机组一般建在山地和丘陵地带，地形较为复杂，一般机组周边会存在陡坡、峭壁、断崖或者其他宽大建筑物，这些障碍物会对风电机组的安全性和发电性能产生影响，现有通过风电机组之间的距离或者等效的方式对整体风电机组群进行建模，建模方式比较粗糙，仿真分析与实际结果不符，导致对风电机组的分析评估不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于周边环境的风电机组的性能评估方法，以解决现有对风电机组的性能评估不准确的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供基于周边环境的风电机组的性能评估方法，步骤为
(1)对障碍物和风电机组进行建模；
(2)采用矩形截面风沿设定间隔的位置角对所述风电机组进行扫略，并判断障碍物对风电机组是否造成影响；
(3)对没有影响的位置角进行剔除，得到对风电机组有影响的位置角；
(4)构建所述有影响的位置角的流体模型；
(5)根据所述流体模型，对风电机组模型进行有障碍仿真计算；
(6)根据所述有障碍仿真计算的结果进行评估。
本发明的有益效果是:本发明通过逐个对单台风电机组及其设定距离的障碍物进行建模，并且通过设定间隔的位置角对风电机组进行扫略，然后将障碍物对风电机组造成影响的位置角进行剔除，从而构建出障碍物对风电机组会造成影响的位置角的流体模型，然后进行仿真分析、评估；该过程考虑了障碍物对风电机组的实际影响，因此仿真结果更加准确，评估结果更加可靠，而且仅对剔除后的有影响的位置角进行仿真分析，可以提高模型仿真计算的效率。
进一步的，所述评估为：将所述有障碍物仿真计算的结果与无障碍物情况下对风机模型进行无障碍仿真计算的结果进行对比分析。
进一步的，判断障碍物对风电机组造成影响的方法为：矩形截面风流过机组时与障碍物相交。
进一步的，有障碍仿真计算的结果和无障碍仿真计算的结果均包括流速，根据有障碍仿真计算的流速与无障碍仿真计算的流速之间的变化量评价风电机组发电性能。
进一步的，风电机组发电量AEP的计算方式为：
Figure BDA0002268432110000021
其中，N是流速划分的bins数量，即指流速仿真的次数，Nh是一年内的小时数；Vi为折算后的第i个bin的平均流速值；F(Vi)为流速小于第i个流速Vi时的累计概率；Vi-1为折算后的第i-1个bin的平均流速值；F(Vi-1)为流速小于第i-1个流速Vi-1时的累计概率；Pi为折算后的第i个bin的平均功率值，Pi-1为折算后的第i-1个bin的平均功率值。
进一步的，所述障碍物和风电机组之间的距离小于10倍风轮直径。
附图说明
图1为本发明风电机组的性能评估方法流程图；
图2为本发明包含障碍物和风电机组的模型示意图；
图3为本发明包含障碍物和风电机组的模型的主视图；
图4为本发明矩形截面风扫略示意图；
图5为本发明中某一位置角下的流体域示意图；
图6为本发明中无障碍物的流体模型仿真结果图；
图7为本发明中有障碍物的流体模型仿真结果图；
附图标记说明：1、风；2、风电机组；3、障碍物；4、矩形截面风。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。
方法实施例：
本发明通过逐个对单台风电机组及其设定距离的障碍物(例如山坡、固定建筑物)进行建模，并且通过不同位置角对风电机组进行扫略，然后将障碍物对风电机组造成影响的位置角进行剔除，从而构建出障碍物对风电机组会造成影响的位置角的流体模型，然后进行仿真分析、评估，以达到快速、准确进行评估分析的目的，如图1所示为本发明的评估方法的过程。
1)对障碍物和风电机组进行建模；
选取一台风电机组，测量该台风电机组与周边障碍物之间的距离，同时测量障碍物外部形状特征。根据测量的距离进行判断，如果判断障碍物与机组距离大于10倍风轮直径，认为该障碍物对风电机组影响较小，可以忽略该障碍物。如果判断障碍物与风电机组之间的距离小于10倍风轮直径，认为该障碍物对风电机组影响较大，需要进一步评估该障碍物对风电机组的安全和发电性能进行评估。
本发明主要将离风电机组距离较近的障碍物参与风电机组进行建模，能够更加准确、精细的做出评估。因此，根据绘制的障碍物外部形状特征搭建含有风电机组及障碍物的模型，如图2和图3所示。
在本实施例中，台风电机组与周边障碍物之间的距离可以采用激光测距的方式进行测量，当然也可以采用其他类似测量工具进行测量。
2)以矩形截面风对模型的风电机组进行扫略，以判断障碍物对风电机组的主要影响方向；
矩形截面的长度为轮毂中心高度加风轮半径，宽度为风轮直径，扫略范围为从风轮前端20m起至风轮后端80m止。考虑到风向的不确定性，将0-360deg风向角均纳入评估方位，设置扫略机舱的位置角间隔为30deg，方位1、2、3…分别对应图4所示的θ1、θ2、θ3…，该方法可以精确评估周边障碍物与风电机组间的相互作用位置。
在判断障碍对风电机组的主要影响方向时：当矩形截面风流过风电机组时未与障碍物相交时，认为在此矩形截面风的风向下，障碍物对风电机组安全性和发电性能影响较小，甚至是没有影响，因此可以剔除该机舱的位置角。当矩形截面风流过风电机组时与障碍物相交时，认为在矩形截面风的风向下，障碍物对风电机组安全性和发电性能影响较大，因此判断该位置角的矩形截面风会导致障碍物对风电机组造成影响。
3)构建有影响的位置角的流体模型；
根据步骤2)得到的有影响的位置角，搭建有影响的位置角的流体模型，仅对有影响的位置角搭建流体模型，可以提高模型的仿真效率。
如图5所示为流体域的示意图；沿有影响的位置角分别以矩形截面风进行扫略，扫略面范围为流体域建立流体模型；且在流体域中设置风轮平面和障碍物wall边界：对不同的流体域进行网格划分，定义流体域边界层和进出口流动情况，在障碍物边界、风轮平面附近进行网格细化便于更加准确计算流体域内气流场流动情况；其中，流域内的入口、出口和边界层分别定义为：入口定义为速度入口，压力设置为正常气压值，外圆边界和出口定义为opening，可以仿真出气流场的流动情况。
4)对风电机组进行有障碍仿真计算；
对流体域进行CFD(流体力学)流体仿真计算，从仿真计算中获得在周边有障碍物的情况下，如图7所示。不同位置角下叶轮平面内气流的流速、流向和湍流程度。其中，流向为位置角的方向。
流体域内湍流强度ε主要依据流域内流速和流向的变化确定，具体的计算方法如下：
Figure BDA0002268432110000041
其中，u、v、w分别为纵向、横向和竖向3个正交方向上的瞬时流速分量，
Figure BDA0002268432110000042
为设定时间段内平均流速。
5)对无障碍物的风电机组进行仿真计算，仿真结果如图6所示。然后对有障碍物仿真计算结果与无障碍物情况下的无障碍仿真计算结果进行对比分析进行评估；
对风电机组发电性能进行评估：
将不同机舱的位置角有障碍物存在情况下风轮平面内气流的流速，与无障碍物下风轮平面内气流的流速即流动情况进行对比，确定流速的变化量，根据流速的变化量估算该台风机发电性能变化，该台风电机组发电量AEP计算方法如下：
Figure BDA0002268432110000043
其中，N是流速划分的bins数量，在本发明中也可以指流速仿真的次数，Nh是一年内的小时数，即8766h，Vi为折算后的第i个bin的平均流速值；F(Vi)为流速小于第i个流速Vi时的累计概率；Vi-1为折算后的第i-1个bin的平均流速值；F(Vi-1)为流速小于第i-1个流速Vi-1时的累计概率；Pi为折算后的第i个bin的平均功率值，Pi-1为折算后的第i-1个bin的平均功率值。
逐个对每台风电机组进行上述方法进行处理，获得每台风电机组出风口处计量的输出电能。每台风电机组出风口处计量的输出电能的总和为风电场发电量或者是风电场集群的发电量。
对风电机组安全性能进行评估：
将不同机舱的位置角有障碍物存在情况下风轮平面内气流的流速、流向，与无障碍物下风轮平面内气流的流动情况进行对比，确定流速、流向及湍流的变化量；并将仿真获得有障碍物的湍流、流速及流向数据导入Bladed模型(机械模型)中对该台风电机组开展载荷计算，获得风电机组的极限和疲劳载荷，与风电机组设计载荷及各部件的载荷余量进行对比，如果小于机组的设计情况则评估为该障碍物对机组安全性无影响，如果超过机组设计载荷，需要结合部件的强度余量评估机组安全性。
本实施例仅简单介绍了发电性能的评估和安全性能的评估；除此之外，还可以对其他方面进行评估，评估方式与上述风电机组发电量和安全性能的评估方式类同，故不再赘述。
从整体看本发明提出一种载荷仿真等效替代和流体模型仿真计算相结合的方法评估风电机组周边障碍物对机组安全性和发电性能的影响，可以解决目前风资源分析过程中对单台风电机组位点周边特殊障碍物无法精确分析评估的技术问题，考虑风轮及障碍物周边气流场的流动情况，建立更加真实的流体域模型，局部更加细化的边界网格，可以更加精准的判断风电机组在10倍风轮平面内的障碍物对机组发电性能和安全性能的影响，该方法简单、易操作，得到的结果可靠性和准确性较高，且对位置角进行剔除后的分析可以有效的提高仿真效率。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于周边环境的风电机组的性能评估方法，其特征在于，步骤为
(1)对障碍物和风电机组进行建模；
(2)采用矩形截面风沿设定间隔的位置角对所述风电机组进行扫略，并判断障碍物对风电机组是否造成影响；
(3)对没有影响的位置角进行剔除，得到对风电机组有影响的位置角；
(4)构建所述有影响的位置角的流体模型；
(5)根据所述流体模型，对风电机组模型进行有障碍仿真计算；
(6)根据所述有障碍仿真计算的结果进行评估。
2.根据权利要求1所述的基于周边环境的风电机组的性能评估方法，其特征在于，所述评估为：将所述有障碍物仿真计算的结果与无障碍物情况下对风机模型进行无障碍仿真计算的结果进行对比分析。
3.根据权利要求1所述的基于周边环境的风电机组的性能评估方法，其特征在于，判断障碍物对风电机组造成影响的方法为：矩形截面风流过机组时与障碍物相交。
4.根据权利要求2所述的基于周边环境的风电机组的性能评估方法，其特征在于，有障碍仿真计算的结果和无障碍仿真计算的结果均包括流速，根据有障碍仿真计算的流速与无障碍仿真计算的流速之间的变化量评价风电机组发电性能。
5.根据权利要求4所述的基于周边环境的风电机组的性能评估方法，其特征在于，风电机组发电量AEP的计算方式为：
Figure FDA0002268432100000011
其中，N是流速划分的bins数量，即指流速仿真的次数，Nh是一年内的小时数；Vi为折算后的第i个bin的平均流速值；F(Vi)为流速小于第i个流速Vi时的累计概率；Vi-1为折算后的第i-1个bin的平均流速值；F(Vi-1)为流速小于第i-1个流速Vi-1时的累计概率；Pi为折算后的第i个bin的平均功率值，Pi-1为折算后的第i-1个bin的平均功率值。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于周边环境的风电机组的性能评估方法，其特征在于，所述障碍物和风电机组之间的距离小于10倍风轮直径。
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