CN112163338A - 一种多风电场交互影响下的风速计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计算步骤简单、计算量小的多风电场交互影响下的风速计算方法。包括以下步骤：根据目标风电场的来流风向确定对应的上游风电场；计算对应的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用；根据计算出的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用计算获得目标风电场在该风向情况下受上游风电场影响后的入流风速。本发明提供的方法计算区域小，计算方法简单，计算量较小，计算时间较短，能够快速准确计算出风电场来流风速，符合工程的实际需求。

Description

一种多风电场交互影响下的风速计算方法及装置

技术领域

本发明涉及一种多风电场交互影响下的风速计算方法及装置，属于风电场尾流计算技术领域。

背景技术

在当前全球风能资源高速发展的情况下，风电场的开发在可预期时间内仍将持续稳步增长。对于风资源丰富，建设条件优异的平坦地形，风电场已经广泛分布，未来拟建的风电场必须考虑周边已建成风电场所产生的交互影响，因此开展风电场对风电场之间的尾流干扰效应的影响至关重要。

目前，对于风电场尾流的研究主要集中于单台风力机尾流或者多台风力机尾流的相互叠加，风电场尾流的研究相对较少，工程上主要是通过WAsP，WindSim，WT等计算软件将待建风电场与周边风电场作为整体进行全场计算，相对较为复杂。学术研究领域，学者提出流体数值模拟(CFD)的方法对风电场尾流进行计算，计算区域大，计算方法复杂，计算量巨大，计算时间较长，对计算资源要求也很高，不符合工程的实际需求。

量化研究风电场间在尾流干扰效应作用下的交互影响，建立受上游风电场影响下的风速计算模型，对于未来待建的风电场选址及经济性都有着不可或缺的重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种计算步骤简单、计算量小的多风电场交互影响下的风速计算方法。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种多风电场交互影响下的风速计算方法，包括以下步骤：根据目标风电场的风向确定其对应的上游风电场；计算对应的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用；根据计算出的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用计算获得目标风电场在该风向情况下受上游风电场影响后的入流风速。

进一步的，所述根据目标风电场的风向确定对应的上游风电场的方法包括以下步骤：将目标风电场风向按照风能玫瑰图均匀分为多个扇区，并以正北方为0°方向对扇区顺序编号，且各扇区内所有入流方向均简化为扇区中心方向；根据目标风电场的风向确定该风向对应的扇区；根据该风向对应的扇区确定对应的上游风电场。

进一步的，所述扇区为16个，各扇区范围为22.5°。

进一步的，所述计算上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用的方法包括以下步骤：确定上游风电场的排布方式、风电机每两行之间的距离、各行风力机间距离和目标风电场入流面距离上游风电场出流面之间的距离；建立上游风电场的简化梯台尾流扩散模型，确定上游风电场的长、宽、高、模型中心距地面的距离、上游风电场入流风速和环境湍流强度；计算上游风电场推力系数，当上游风电场的风力机为分散式排布时，计算公式为：

C_T为上游风电场推力系数，N表示上游风电场内的风力机数量，r₀为上游风电场风力机风轮半径，L为上游风电场垂直于入流方向的风电场宽度，C_T0为入流风速对应的推力系数；

基于计算得出的上游风电场推力系数，计算风电场尾流区湍流强度，计算公式如下：

其中，D表示风力机风轮直径，I_w为尾流区湍流强度，I₀为环境湍流强度，I₊为附加湍流强度，C_T为上游风电场推力系数，x为目标风电场内气流流经的第一台风力机到上游风电场出流面的距离；

根据计算得出的上游风电场尾流区湍流强度，修正上游风电场的尾流衰减系数，计算公式为:

其中，k为尾流衰减系数，I_w是上游风电场的尾流区湍流强度，I₀是环境湍流强度；

计算目标风电场入流风速与上游风电场入流风速比值，其公式为：

其中，u_∞为目标风电场入流风速，u₀为上游风电场入流风速，C_T为上游风电场等效简化推力系数，k_c为修正后的上游风电场的尾流衰减系数，x为目标风电场内气流流经的第一台风力机到上游风电场出流面的距离，r₀为风力机风轮半径。

进一步的，所述计算上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用的方法包括以下步骤：根据修正后的尾流衰减系数k_c，得出上游风电场的尾流区水平轮廓线，函数公式为：

其中，L_W表示上游风电场尾流区宽度。

进一步的，计算上游风电场的推力系数的步骤还包括：当上游风电场的风力机为串列式排布时，上游风电场的推力系数计算公式为：

其中，M表示沿入流方向风力机排列的行数，

表示沿风向下每两排间的距离，S_ave表示上游风电场每排间距的平均值，α表示上游风电场后排风力机风速混合系数，β表示全场风速混合系数，

表示上游风电场的风力机位置的平均风速，

为上游风电场平均风速所对应的推力系数。

进一步的，所述风速计算方法还包括以下步骤：依次计算不同扇区对应的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用并根据计算出的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用计算获得对应的目标风电场在该风向情况下受上游风电场影响后的入流风速。

第二方面，本发明提供了一种多风电场交互影响下的风速计算装置，所述装置包括：上游确定模块:根据目标风电场的风向确定对应的上游风电场；

上游干扰计算模块：计算对应的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用；

风速计算模块：根据计算出的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用计算获得目标风电场在该风向情况下受上游风电场影响后的入流风速。

第三方面，本发明还提供了一种多风电场交互影响下的风速计算装置，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述多风电场交互影响下的风速计算方法的步骤。

第四方面，本发明上述还提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述多风电场交互影响下的风速计算方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明建立上游风电场尾流模型，量化上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用，由此研究出目标风电场在上游风电场交互影响下的风速模型。此发明应用于周边风电场交错分布的待建风电场，有利于量化周边风电场所产生的能量损失。目前常见的计算方法主要为采用WAsP或WT等软件将周边所有风电场均纳入计算区域内，计算所有的风力机尾流效应并进行能量损失叠加，相对而言，此发明提供的计算方法计算步骤简单、计算量小、计算时间短、对计算资源要求较低。

附图说明

图1是模型流程图；

图2是风电场风能玫瑰图；

图3是上游风电场风力机特性曲线；

图4是上游风电场尾流模型三维视图；

图5是上游风电场尾流模型俯视图。

图中：1、上游风电场；2、目标风电场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种多风电场交互影响下的风速计算方法，包括以下步骤：

步骤一，如图2所示，将目标风电场2风向按照风能玫瑰图分为16个扇区；各扇区内所有入流方向均简化扇区中心方向。以正北方为0°(360°)方向，各扇区范围为22.5°，并顺序标号为1-16号，1-16扇区中心方向分别为：0°，22.5°，45°…180°…337.5°。

步骤二，在某风向对应的编号为m的扇区，1≤m≤16，确定目标风电场2的上游风电场1，如图4-5所示，将上游风电场1简化成长方体梯台尾流扩散模型，上游风电场1内包含N台风力机，风力机风轮半径为r₀。沿入流风向气流接触到的第一台风力机轮毂中心为原点建立三维坐标系，x轴是以风轮中心为原点，沿入流方向的坐标轴；y轴是以风轮中心为原点，水平面内垂直于入流方向的坐标轴；z轴是以风轮中心为原点，垂直于水平面的坐标轴。三维坐标系内，各风力机风轮中心坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)…(x_i，y_i，z_i)…(x_n，y_n，z_n)，其中(x_i，y_i，z_i)表示上游风电场1内第i台(1≤i≤N)的三维坐标。上游风电场1的入流面为x＝min{x_i}；出流面为x＝max{x_i}；两侧面分别为-y＝min{y_i}-r₀，y＝max{y_i}+r₀；上游风电场1的顶面为z＝max{z_i}+r₀；上游风电场1的底面为z＝min{z_i}-r₀。

步骤三，对于步骤2中上游风电场1的简化模型，引入Jensen模型，建立推力系数计算模型，推力系数计算模型为：

其中，N表示风电场内的风力机数量，r₀为风力机风轮半径，L为上游风电场1垂直于入流方向的风电场宽度，C_Ti风电场内第i台风力机推力系数。

为简化上游风电场1的推力系数计算模型，对于分散式排布的风电场，由于上游风电场1内上游风力机对下游风力机的尾流影响微乎其微，各风力机入流风速均接近于入流风速v₀，推力系数也接近于入流风速对应的推力系数C_T0。因此，分散式排布的上游风电场1推力系数简化为：

对于串列式排布的上游风电场1，风电场内部风力机间相互影响较为复杂，且这种影响机组台数和排布间距的减小而增强，其风力机推力系数求和也相当复杂，图3是上游风电场1风力机特性曲线故建立简化模型：

其中，M表示沿入流方向风力机排列的行数，

表示沿风向下每两排间的距离，S_ave表示上游风电场1每排间距的平均值，α表示风电场后排风力机风速混合系数，β表示全场风速混合系数，

表示上游风电场1内风力机位置的平均风速，

为上游风电场1平均风速所对应的推力系数。

步骤四，基于步骤3中的上游风电场1推力系数，计算上游风电场1尾流区湍流强度，尾流区湍流强度I_w的平方和是环境湍流强度I₀和附加湍流强度I₊的平方和，计算公式为：

其中，C_T为上游风电场1推力系数，x为目标风电场2内气流流经的第一台风力机到上游风电场1出流面的距离。

步骤五，由步骤4中的上游风电场1尾流区湍流强度，修正上游风电场1的Jensen尾流模型的尾流衰减系数，计算公式为:

其中，尾流衰减系数k可按尾流衰减系数表选取，I_w是上游风电场1的尾流区湍流强度，I₀是环境湍流强度。

尾流衰减系数选择表

步骤六，由步骤5的尾流衰减系数k_c，得出上游风电场1的尾流区水平轮廓线：

其中，L_W表示上游风电场1尾流区宽度。

步骤七，根据步骤3-5，得到多风电场交互影响下的风电场风速计算模型，其公式为：

其中，u_∞为目标风电场2入流风速，u₀为上游风电场1入流风速，C_T为上游风电场1等效简化推力系数，k_c为上游风电场1尾流区湍流强度，x为目标风电场2内气流流经的第一台风力机到上游风电场1出流面的距离，r₀为风力机风轮半径。

步骤八，通过步骤7中计算模型，计算目标风电场2在风向m情况下受上游风电场1影响后的入流风速u_mx。

步骤九，根据步骤一中16扇区，依次计算目标风电场2在不同扇区受上游风电场1影响下的入流风速u_1x，u_2x…u_mx...u_16x。

下面通过某平坦地形风电场实际数据对模型进行验证：

步骤一：某平坦地形目标风电场2的主流风向之一为220°，位于目标风电场2的第10扇区内，因此可以计算第10扇区风电场交互影响下的风速u_10x。

步骤二：入流方向220°，主流方向的上游风电场1已经建成并网，上游风电场1采用行列式排布方式，沿入流方向布置8行风力机，每行风力机有10台，风电场每两行之间的距离为7D，各行风力机间距离为8D。目标风电场2入流面距离上游风电场1出流面之间的距离为30D，其中D表示风力机风轮直径。

建立上游风电场1的简化梯台尾流扩散模型，上游风电场1的长宽分别为5840m、3920m，高度为80m，模型中心距离地面80m。在某时刻下，上游风电场1入流风速为10m/s，环境湍流强度为0.08。

步骤三：

计算上游风电场1的推力系数，上游风电场1为串列式排布，故计算模型为：

根据上游风电场1平均风速，对照风力机特性曲线，可以得出C_T为0.8

步骤四：

上游风电场1尾流区附加湍流强度为：

尾流区湍流强度为：

步骤五：

上游风电场1的尾流衰减系数为：

步骤六：

u_∞＝9.87m/s

步骤七：

通过计算，目标风电场2在风向220°情况下受上游风电场1影响后的入流风速为9.87m/s。

实施例二：

一种多风电场交互影响下的风速计算装置，其特征在于，所述装置包括：

上游确定模块:根据目标风电场2的风向确定对应的上游风电场1；

上游干扰计算模块：计算对应的上游风电场1对目标风电场2的尾流干扰作用；

风速计算模块：根据计算出的上游风电场1对目标风电场2的尾流干扰作用计算获得目标风电场2在该风向情况下受上游风电场1影响后的入流风速。

实施例三：

本发明实施例还提供了一种多风电场交互影响下的风速计算装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令实现实施例一所述的方法步骤。

实施例四：

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例一所述的方法步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多风电场交互影响下的风速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据目标风电场的风向确定对应的上游风电场；

计算对应的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用；

根据计算出的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用计算获得目标风电场在该风向情况下受上游风电场影响后的入流风速。

2.根据权利要求1所述的一种多风电场交互影响下的风速计算方法，其特征在于，所述根据目标风电场的风向确定对应的上游风电场的方法包括以下步骤：

将目标风电场风向按照风能玫瑰图均匀分为多个扇区，并以正北方为0°方向对扇区顺序编号，且各扇区内所有入流方向均简化为指向扇区中心方向；

根据目标风电场的风向确定该风向对应的扇区；

根据该风向对应的扇区确定对应的上游风电场。

3.根据权利要求2所述的一种多风电场交互影响下的风速计算方法，其特征在于，所述扇区为16个，各扇区范围为22.5°。

4.根据权利要求2所述的一种多风电场交互影响下的风速计算方法，其特征在于，所述计算上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用的方法包括以下步骤：

确定上游风电场的排布方式、风力机每两行之间的距离、各行风力机间距离和目标风电场入流面距离上游风电场入流面之间的距离；

建立上游风电场的简化梯台尾流扩散模型，确定上游风电场的长、宽、高、模型中心距地面的距离、上游风电场入流风速和环境湍流强度；计算上游风电场推力系数，当上游风电场的风力机为分散式排布时，计算公式为：

C_T为上游风电场等效简化推力系数，N表示上游风电场内的风力机数量，r₀为上游风电场风力机风轮半径，L为上游风电场垂直于入流方向的宽度，C_T0为入流风速对应的推力系数；

基于计算得出的上游风电场推力系数，计算风电场尾流区湍流强度，计算公式如下：

其中，D表示上游风电场内风力机风轮直径，I_w为尾流区湍流强度，I₀为环境湍流强度，I₊为附加湍流强度，C_T为上游风电场等效简化推力系数，x为目标风电场内气流流经的第一台风力机到上游风电场出流面的距离；

根据计算得出的上游风电场尾流区湍流强度，修正上游风电场的尾流衰减系数，计算公式为:

其中，k为尾流衰减系数，I_w是上游风电场的尾流区湍流强度，I₀是环境湍流强度；

计算目标风电场入流风速与上游风电场入流风速比值，其公式为：

其中，u_∞为目标风电场入流风速，u₀为上游风电场入流风速，C_T为上游风电场等效简化推力系数，k_c为修正后的上游风电场的尾流衰减系数，x为目标风电场内气流流经的第一台风力机到上游风电场出流面的距离，r₀为风力机风轮半径。

5.根据权利要求4所述的一种多风电场交互影响下的风速计算方法，其特征在于，所述计算上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用的方法包括以下步骤：根据修正后的尾流衰减系数k_c，得出上游风电场的尾流区水平轮廓线，函数公式为：

其中，L_W表示上游风电场尾流区宽度。

6.根据权利要求4所述的一种多风电场交互影响下的风速计算方法，其特征在于，计算上游风电场的推力系数的步骤还包括：

当上游风电场的风力机为串列式排布时，上游风电场的推力系数计算公式为：

其中，M表示沿入流方向风力机排列的行数，

表示沿风向下每两排间的距离，S_ave表示上游风电场每排间距的平均值，α表示上游风电场后排风力机风速混合系数，β表示全场风速混合系数，

表示上游风电场内风力机位置的平均风速，

为上游风电场平均风速所对应的推力系数。

7.根据权利要求4所述的一种多风电场交互影响下的风速计算方法，其特征在于，所述风速计算方法还包括以下步骤：依次计算不同扇区对应的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用，从而计算获得对应的目标风电场在该风向情况下受上游风电场影响后的入流风速。

8.一种多风电场交互影响下的风速计算装置，其特征在于，所述装置包括：

上游确定模块:根据目标风电场的风向确定对应的上游风电场；

上游干扰计算模块：计算对应的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用；

风速计算模块：根据计算出的上游风电场对目标风电场的尾流干扰作用计算获得目标风电场在该风向情况下受上游风电场影响后的入流风速。

9.一种多风电场交互影响下的风速计算装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作，以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

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