CN110990963A

CN110990963A - 风机间距优化方法、装置以及计算机可读存储介质

Info

Publication number: CN110990963A
Application number: CN201910954908.9A
Authority: CN
Inventors: 陈荣亮
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: CN110990963B

Abstract

本申请公开了一种风机间距优化方法、装置以及计算机可读存储介质，风机间距优化方法包括：对风机的外流场区域进行网格化处理；计算外流场区域中每个网格点的模拟风速；对每个网格点的模拟风速进行可视化处理，得到模拟风速云图；基于模拟风速云图，将外流场区域分为影响区域和非影响区域，并获取影响区域中影响位置处的影响半径与位置距离的第一函数关系式；获取影响位置处的影响面积与实际风速，以及风机处的影响面积与实际风速的第二函数关系式；根据第一函数关系式和第二函数关系式，获取影响区域中影响位置处的实际风速与位置距离的关系；根据满足预设条件的实际风速对应的位置距离确定风机间距。本申请可准确计算风机之间的最优间距。

Description

风机间距优化方法、装置以及计算机可读存储介质

技术领域

本申请涉及风机领域，特别是涉及一种风机间距优化方法、装置以及计算机可读存储介质。

背景技术

风电产业的迅速发展，对风电技术的要求不断提升。在可利用风能资源不变的情况下，如何提高风能的利用效率是风电行业面临的巨大问题。

目前关于风场间距的设置尚未有科学合理的设置方法或者规定，流体的数值模拟结果可以大致模拟计算出尾流效应的区域范围，受制于离散网络和数据处理过程冗余复杂的影响，工程应用中数值结果往往仅作为参考，工程技术人员仍需要结合经验对间距进行合理设置。此外，依据一系列假设推导得到的经验公式法的参数设定依然有很大的随机性，也需要由大量的数据和经验来确定其参数值。以上情况皆不利于合理规划出风场间距，难以提高风电组的发电效率。

发明内容

本申请提供一种对风机间距优化方法、装置以及计算机可读存储介质，以解决现有技术中难以准确计算风机之间的最优间距的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种风机间距优化方法，所述风机间距优化方法包括：

对所述风机的外流场区域进行网格化处理；

计算所述外流场区域中每个网格点的模拟风速；

对所述每个网格点的模拟风速进行可视化处理，得到模拟风速云图；

基于所述模拟风速云图，将所述外流场区域分为影响区域和非影响区域；

基于所述模拟风速云图，获取所述影响区域中影响位置处的影响半径与位置距离的第一函数关系式；所述影响半径为所述影响位置处与所述风机平行的影响区域的截面半径，所述位置距离为所述影响位置与所述风机的距离；

获取所述影响位置处的影响面积与实际风速，以及风机处的影响面积与实际风速的第二函数关系式；所述影响面积为所述影响位置处与所述风机平行的影响区域的截面面积；

根据所述第一函数关系式和所述第二函数关系式，获取所述影响区域中影响位置处的实际风速与位置距离的关系；

根据满足预设条件的实际风速对应的位置距离确定风机间距。

为解决上述技术问题，本申请提出一种风机间距优化装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述风机间距优化方法的步骤。

为解决上述技术问题，本申请提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述风机间距优化方法的步骤。

区别于现有技术，本申请的有益效果在于：风机间距优化装置对风机的外流场区域进行网格化处理；计算外流场区域中每个网格点的模拟风速；对每个网格点的模拟风速进行可视化处理，得到模拟风速云图；基于模拟风速云图，将外流场区域分为影响区域和非影响区域，并获取影响区域中影响位置处的影响半径与位置距离的第一函数关系式；获取影响位置处的影响面积与实际风速，以及风机处的影响面积与实际风速的第二函数关系式；根据第一函数关系式和第二函数关系式，获取影响区域中影响位置处的实际风速与位置距离的关系；根据满足预设条件的实际风速对应的位置距离确定风机间距。本申请的风机间距优化方法可准确计算风机之间的最优间距。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的风机间距优化方法第一实施例的流程示意图；

图2是图1所示实施例中网格化处理后的风机外流场区域的示意图；

图3是本申请提供的风机间距优化方法第二实施例的流程示意图；

图4是图3所示实施例中界面网格的示意图；

图5是本申请提供的风机间距优化方法第三实施例的流程示意图；

图6是图5所示实施例中模拟的风速云图的示意图；

图7是图5所示实施例中风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的拟合关系示意图；

图8是本申请提供的风机间距优化方法第四实施例的流程示意图；

图9是图8所示实施例中影响位置的影响面积与实际风速的拟合关系示意图；

图10是图1所示实施例中影响位置处的实际风速与位置距离的关系示意图。

图11是本申请提供的风机间距优化装置一实施例的结构示意图；

图12是本申请提供的计算机可读存储介质一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

风能的整体利用效率与风电场位置选择、风力发电机设计以及风电机安装位置等因素息息相关。由于大风场中各风机之间的间隔排布是影响整体风电发电组输出功率的关键因素。气体流过风机时往往会发生扰流和分离，并产生周期性的涡街现象，也称为尾流效应。位于尾流处的气体速度方向会发生不断随机变化，能量耗散严重，因此尾流效应严重降低了后面风力发电机的能量转化率，导致整体风机组的输出效率不高。

目前风电场的间距设置主要由工程技术人员依据经验完成设计，工程技术人员主要利用多年经验总结获得的经验公式计算得到大致合适的距离。一方面，经验公式的计算需要大量历史测量数据来支撑；另一方面，经验公式不具备可扩展性。不同的气候条件和地理环境因素都会改变公式的参数，从而影响公式的准确性。此外，采用流场数值计算方法虽然能准确计算出风机外流场的流动工况，然而受制于离散网络和数据处理冗余复杂等因素的影响，很难直接指导工程实际生产。

因此，为了解决现有技术的问题，本申请将大规模数值模拟计算方法和经验分析公式相结合，可以在没有大量历史测量数据的情况下，采用大规模数值模拟的方法获得某风电场地区的大量模拟数据，从而拟合得到设计经验公式，从而尽可能精确地找到尾流效应较小的临界风机间距，从而提高风电场发电效率，本申请的风机间距优化方法具有广泛的应用前景。

具体请参阅图1，图1是本申请提供的风机间距优化方法第一实施例的流程示意图，本申请的风机间距优化方法应用于一种风机间距优化装置，风机间距优化装置可以为例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、电脑或者可穿戴设备等终端设备，在下述实施例的描述中，统一使用优化装置进行风机间距优化方法的描述。

如图1所示，本实施例的风机间距优化方法具体包括以下步骤：

S101：对风机的外流场区域进行网格化处理。

其中，优化装置获取风电场区域的风机模型，并将风机模型导入风格生成软件进行网格划分，具体请参阅图2。图2中，区域1为风机模型在网格上的体现，区域2为风机产生尾流效应区在网格上的体现。在本实施例中，优化装置可以设置外流场网格总体尺寸为1600m×1140m×650m，也可以设置其他网格尺寸，在此不再赘述。优化装置在外流场网格中生成风机的外流场区域模型后，进一步将外流场区域网格进行细化，具体请参阅图3的风机间距优化方法第二实施例的流程示意图。

S1011：将风机的外流场区域几何模型转换为三角面片格式。

具体地，优化装置首先将风机的几何模型的原始格式转换为三角面片格式文件格式，然后将三角面片格式的几何模型导入网格生成软件中进行网格划分。具体请参阅图4，图4是本实施例中界面网格的示意图。

S1012：将转换后的外流场区域进行网格划分，以获得关于风机的外流场区域的动态计算网格和静态计算网格。

其中，优化装置将转换后的外流场区域进行网格划分的步骤包括：在对外流场进行模拟时，首先将外流场模拟成一个圆柱体，然后对该圆柱体中各个点的状态进行模拟计算。由于风机包括机塔和转子，机塔为静态，转子转动设置在机塔上，为动态。在进行数学模拟时，风机中动静两个状态的元件对外流场的影响无法采用简单的数学模型来表示，相应的计算也很复杂，因此，本实施例中将模拟外流场的计算区域划分为静态计算区域和动态计算区域。其中，静态计算区域对应静态计算网格，动态计算区域对应动态计算网格。

其中，动态计算网格包括转子，静态计算网格包括机塔。

S1013：对外流场区域中的预测影响区域进行网格细化处理。

其中，优化装置进一步细化外流场区域中的预测影响区域，设置动态计算网格的旋转速度为2rad/s，以及设置转子的旋转轴方向为外流场区域坐标系的Y轴方向。同时，优化装置对动态计算网格和静态计算网格的交界面处设置边界条件为自由滑移交互界面。此外，其他的边界面也可以一同设置。

本实施例中，优化装置采用自由交互界面技术区分静态计算网格和动态计算网格，保证数值仿真计算模型能准确地模拟出流体经过风机后产生的尾迹效应，保证后续计算结果的有效性。

S102：计算外流场区域中每个网格点的模拟风速。

其中，优化装置利用流体力学计算软件对动态计算网格和静态计算网格进行瞬态流场计算，当多次计算结果的差值在预设范围内时，输出稳定的模拟风速。进一步地，为了保证风机的外流场区域已经达到完全稳定，优化装置可以设置瞬态流场计算时间为1000s，同时设置每隔10s输出瞬态流场计算的计算结果一次。由此，可以通过计算多组计算结果的比较，控制计算结果的差值在预设范围内，保证输出稳定的模拟风速的准确性。

S103：对每个网格点的模拟风速进行可视化处理，得到模拟风速云图。

其中，优化装置利用可视化软件对每个网格点的模拟风速进行可视化处理，从而得到显示平均速度的模拟风速云图，如图6所示。

S104：基于模拟风速云图，将外流场区域分为影响区域和非影响区域。

其中，优化装置可以根据图6中的模拟风速云图中的速度值大小将外流场区域划分为影响区域和非影响区域。具体地，风机的外流场区域在模拟风速云图中的速度值差异显示为云图中颜色的差距。当相邻区域的颜色差距大于预设色度差时，优化装置可以将此相邻区域的界限作为划分影响区域和非影响区域的界限，以区分影响区域和非影响区域。

S105：基于模拟风速云图，获取影响区域中影响位置处的影响半径与位置距离的第一函数关系式；影响半径为影响位置处于风机平行的影响区域的截面半径，位置距离为影响位置与风机的距离。

其中，优化装置对模拟风速云图的影响区域进行计算，以转子处为原点，获取影响区域与非影响区域之间足够多的边界点的坐标值，即图6中的点1、点2、点3...等一系列的边界点。边界点的坐标值中至少包括该点与转子位置的水平距离，以及该点到Y轴，即转子旋转轴位置的垂直距离，也可以视为影响半径。

进一步地，优化装置根据多个边界点的坐标值拟合出影响区域中影响位置处的影响半径与位置距离的第一函数关系式。具体请参阅图5的风机间距优化方法第三实施例的流程示意图。

S1051：获取影响区域和非影响区域交界处的多个边界点。

具体地，优化装置记录以上选取的边界点的三维坐标。在本实施例中，由于图6为二维切片图，优化装置只需要记录边界点的y坐标和z坐标。

S1052：获取边界点的界面半径和位置距离。

其中，边界点的y坐标的绝对值即与转子的位置距离，边界点的z坐标的绝对值即边界点的界面半径。

S1053：采用最小二乘法拟合多个边界点的界面半径和位置距离，从而获取风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的第一函数关系式。

其中，优化装置采用最小二乘法拟合多个边界点的界面半径和位置距离，得到关于y和z的函数关系式z＝f(y)，其中，z值即为尾流区域的影响半径R。

具体地，优化装置可以首先获取风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的经验公式，即R∝y^1/3；然后根据经验公式拟合多个边界点，拟合结果请参见图7，从而获取风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的第一函数关系式：

R＝18.016y^0.33+134.75

S106：获取影响位置处的影响面积与实际风速，以及风机处的影响面积与实际风速的第二函数关系式；影响面积为影响位置处于风机平行的影响区域的截面面积。

其中，优化装置进一步获取影响位置处的影响面积与实际风速，以及风机处的影响面积与实际风速的第二函数关系式，其中，影响面积为影响位置处于风机平行的影响区域的截面面积。具体计算过程请参阅图8的风机间距优化方法第四实施例的流程示意图。

S1061：获取风机处的流体速度以及风机的转子半径。

具体地，优化装置获取风机处的流体速度，即来流速度，以及风机的转子半径。

S1062：将风机处的流体速度以及风机的转子半径代入第一函数关系式，以计算出尾流区域的流体速度与位置距离的第二函数关系式。

S107：根据第一函数关系式和第二函数关系式，获取影响区域中影响位置处的实际风速与位置距离的关系。

其中，优化装置通过记录不同位置y处的平均流体速度作为经验公式的最小二乘拟合观测点，从而得到的影响区域中影响位置处的实际风速与位置距离的关系经验公式为：

其中，U/U₀中U₀为来流速度，U为尾流区域位置为y处的流体速度，A₀为尾流距离风电机为零时的尾流截面积(与风电机叶片扫过圆的截面积相近)。A(y)为距离y处的尾流效应截面积，由上述第一函数关系式计算得到。由公式知，U/U₀与

成线性关系，通过图9中的经验公式拟合参数数据图拟合得到参数β＝0.54877。如图10所示，此时得到经验公式为：

S108：根据满足预设条件的实际风速对应的位置距离确定风机间距。

其中，优化装置根据上述影响区域中影响位置处的实际风速与位置距离的关系经验公式计算当U/U₀趋向极限时的y的值。

例如，如果假设认为当来流速度恢复至原来速度20m/s的80％时，工程上可认为尾流效应可以忽略时，即U/U₀＝0.8，此时解得方程的解为299.74m作为最优间距，即风机之间的间距至少为300m。如果提高要求，假设当来流速度需要恢复至原速度的90％才可以认为几乎无尾流效应影响，则得到风机之间的最优间距至少为2049.94m。

本申请的风机间距优化方法充分结合了数值计算模型与解析计算公式。数值模型的尾流效应计算的结果直观，经验表达式应用方便，该方法实际上综合了可靠数值计算结果并将其应用到经验公式的参数选择中。一方面能大量减少实施实验收集风场数据的次数，节约金钱和时间成本；另一方面能够根据风机型号的不同、风场位置及气候平均风速的不同等条件变化迅速进行数值模型修改从新获得相关参数。因此，本申请的风机间距优化方法具有很高的使用灵活性，利于工程设计的实现，避免再次实验测量风场不同位置的风速的重复工作量和时间浪费。在尽可能优化风机输出效率的情况下满足设计方案完成修改的时效性和科学性，本申请的风机间距优化方法具有很强的应用价值。

在本实施例中，风机间距优化装置对风机的外流场区域进行网格化处理；计算外流场区域中每个网格点的模拟风速；对每个网格点的模拟风速进行可视化处理，得到模拟风速云图；基于模拟风速云图，将外流场区域分为影响区域和非影响区域，并获取影响区域中影响位置处的影响半径与位置距离的第一函数关系式；获取影响位置处的影响面积与实际风速，以及风机处的影响面积与实际风速的第二函数关系式；根据第一函数关系式和第二函数关系式，获取影响区域中影响位置处的实际风速与位置距离的关系；根据满足预设条件的实际风速对应的位置距离确定风机间距。本申请的风机间距优化方法可准确计算风机之间的最优间距。

为了实现上述风机间距优化方法，本申请还提供了一种风机间距优化方法，具体请参阅图11，图11是本申请提供的风机间距优化装置一实施例的结构示意图。

如图11所示，本实施例的风机间距优化装置200包括处理器21、存储器22、输入输出设备23以及总线24。

该处理器21、存储器22、输入输出设备23分别与总线24相连，该存储器22中存储有计算机程序，处理器21用于执行计算机程序以实现上述实施例的风机间距优化方法。

在本实施例中，处理器21还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器21可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器21还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器21也可以是任何常规的处理器等。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，如图12所示，计算机可读存储介质300用于存储计算机程序31，计算机程序31在被处理器执行时，用以实现如本申请风机间距优化方法实施例中所述的方法。

本申请风机间距优化方法实施例中所涉及到的方法，在实现时以软件功能单元的形式存在并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在装置中，例如一个计算机可读取存储介质。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种风机间距优化方法，其特征在于，所述风机间距优化方法包括：

对所述风机的外流场区域进行网格化处理；

计算所述外流场区域中每个网格点的模拟风速；

2.根据权利要求1所述的风机间距优化方法，其特征在于，

所述对所述风机的外流场区域进行网格化处理，包括：

将所述外流场区域划分为动态计算网格和静态计算网格；所述动态计算网格包括转子，所述静态计算网格包括机塔；

对所述外流场区域中的预测影响区域进行网格细化处理。

3.根据权利要求2所述的风机间距优化方法，其特征在于，

所述计算所述外流场区域中每个网格点的模拟风速，包括：

对所述动态计算网格和所述静态计算网格进行瞬态流场计算，当多次计算结果的差值在预设范围内时，输出稳定的所述模拟风速。

4.根据权利要求2所述的风机间距优化方法，其特征在于，

所述将所述外流场区域划分为动态计算网格和静态计算网格的步骤，包括：

将所述风机的外流场区域几何模型转换为三角面片格式，并将转换后的几何模型进行网格划分，以获得关于所述风机的外流场区域的动态计算网格和静态计算网格。

5.根据权利要求1所述的风机间距优化方法，其特征在于，

基于所述模拟风速云图，获取所述影响区域中影响位置处的影响半径与位置距离的第一函数关系式，包括：

获取所述影响区域和非影响区域交界处的多个边界点；

获取所述边界点的截面半径和位置距离；

根据所述多个边界点的截面半径和位置距离，计算获得所述第一函数关系式。

6.根据权利要求5所述的风机间距优化方法，其特征在于，

所述根据所述多个边界点计算所述风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的第一函数关系式的步骤，包括：

采用最小二乘法拟合所述多个边界点，从而获取所述风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的第一函数关系式。

7.根据权利要求6所述的风机间距优化方法，其特征在于，

所述获取所述风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的第一函数关系式的步骤，包括：

获取所述风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的经验公式；

根据所述经验公式拟合所述多个边界点，从而获取所述风机外流场模型的尾流区域半径与位置距离的第一函数关系式。

8.根据权利要求6所述的风机间距优化方法，其特征在于，

所述获取所述影响位置处的影响面积与实际风速，以及风机处的影响面积与实际风速的第二函数关系式的步骤，包括：

获取所述风机处的流体速度以及所述风机的转子半径；

将所述风机处的流体速度以及所述风机的转子半径代入所述第一函数关系式，以计算出所述尾流区域的流体速度与所述位置距离的第二函数关系式。

9.一种风机间距优化装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8中任一项所述风机间距优化方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8中任一项所述风机间距优化方法的步骤。