CN112199908B - 一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，包括以下步骤：建立计算域内的风轮系统网格化模型，得到致动线网格单元；根据致动线网格单元进行致动线模型体积力计算，得到致动线模型体积力；根据致动线模型体积力，求解基于大涡模拟湍流模型的控制方程，得到风电机组尾流流场；根据风电机组尾流流场，通过调整计算参数，得到不同情况下的单台风电机组偏航控制尾流流场；对多个单台风电机组偏航控制尾流流场进行统计，形成偏航控制尾流模型修正参数，修正偏航控制尾流模型。本发明可以解决现有技术中的尾流模型没有考虑风电机组偏航控制情况的技术问题。

Description

一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法。
背景技术
尾流是一种流动结构，表现为风电机组上游的自然风经过运行的风电机组后，由于机组吸收了部分风能转化为机械能，导致机组下游风速有一定程度的减弱，同时由于风轮阻挡切割了气流流动，导致了湍流强度增加。近年来。我国风电场以及风电机组日趋大型化的趋势与海上风电场开发限制日益增多之间的矛盾愈发突出，多个风电机组尾流间的相互作用，甚至相邻风电场间尾流的相互作用所导致的尾流损失可达5％-20％。
在众多减少尾流损失的技术方案中，目前通过调整风电机组的主动偏航角度，改变尾流发展形势，被认为是最具潜力的风电场尾流优化方法之一。但大多数对尾流进行描述的尾流模型的核心，是基于地形简单或中等复杂的小型风电场且风电机组完全正常运行情况下进行的开发，与目前大型风电场开展偏航尾流控制、减少尾流损失的目标并不相符。
目前在风力发电领域内最为常用的尾流模型为以下两种，分别为：以半经验模型为主导的Park/Jensen模型为首的一维线性扩张尾流模型，如图1所示；以Eddy Viscosity模型为代表的二维轴对称涡粘尾流模型，如图2所示。
以上两种尾流模型都是不考虑控制因素的前提下，对尾流的风速扩散情况进行描述的模型，对于没有特殊尾流控制策略的风电场尾流评估比较适用，但并不适用于考虑风电机组偏航控制的尾流情况。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，解决现有技术中的尾流模型没有考虑风电机组偏航控制情况的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，在第一种可实现方式中，包括以下步骤：
建立计算域内的风轮系统网格化模型，得到致动线网格单元；
根据致动线网格单元进行致动线模型体积力计算，得到致动线模型体积力；
根据致动线模型体积力，求解基于大涡模拟湍流模型的控制方程，得到风电机组尾流流场；
根据风电机组尾流流场，通过调整计算参数，得到不同情况下的单台风电机组偏航控制尾流流场；
对多个单台风电机组偏航控制尾流流场进行统计，形成偏航控制尾流模型修正参数，修正偏航控制尾流模型。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，采用致动线方法对风轮系统网格化模型进行建模，将风轮旋转面单独处理为一个旋转域。
结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，致动线模型体积力计算，具体按以下步骤进行：
采用叶素动量理论，将叶片沿径向切分为N个叶素；
计算每个叶素产生的升力、阻力；
对偏航角度进行一次坐标变化，从叶片坐标系转换到全局坐标系，得到全局坐标系下X轴、Y轴、Z轴三个方向的体积力分量；
将升力、阻力通过使用高斯权函数进行空间分布，将体积力分布在以致动单元为球心的球体内；
按以下公式计算得到致动区域内任意一点i(x,y,z)的体积力fi：
Figure BDA0002728021810000021
在上述公式中：Vi表示第i个致动点网格单元体积；(xi，yi，zi)表示第i个致动点网格单元中心坐标；Ii表示点(x，y，z)到点(xi，yi，zi)的距离；ε表示高斯光顺因子。
结合第一种可实现方式，在第四种可实现方式中，基于大涡模拟湍流模型的控制方程包括Euler方程、Navier-Stokes方程。
结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，计算参数包括入流风速、湍流强度、偏航角度。
结合第五种可实现方式，在第六种可实现方式中，入流风速以2m/s为间隔，计算3m/s-25m/s；湍流强度以4％为间隔，计算2％-10％；偏航角度以5°为间隔，计算-30°-+30°。
结合第一种可实现方式，在第七种可实现方式中，偏航控制尾流模型修正参数按以下公式计算：
Dw(L，δ，Ti，U∞)＝Y+ζw，rotation(L，δ，Ti，U∞)+ζw，yaw(L，δ，Ti，U∞)
在上述公式中：Y表示计算机组轮毂中心Y方向位置；ζw，rotation表示在没有偏航控制情况下机组叶片转动带来的尾流中心偏转；ζw，yaw表示考虑偏航控制下的尾流中心偏转；L表示计算机组轮毂中心与下游距离；δ表示主动偏航角度；Ti表示湍流强度；U∞表示自然来流风速。
结合第七种可实现方式，在第八种可实现方式中，计算偏航控制尾流模型修正参数时，以尾流区尾流速度恢复96％作为边界指标，确定尾流扩展宽度。
第二方面，提供了一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型，在第九种可实现方式中，使用第一到第八任意一种可实现方式提供的修正方法对偏航控制尾流模型进行修正。
第三方面，提供了一种电子设备，在第十种可实现方式中，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；
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现第一到第八任意一种可实现方式提供的基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法。
由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
1.基于流体力学方法，在数值仿真环境搭建能够考虑偏航控制状态的风电机组风轮系统模型，通过多入流风况仿真计算，得到不同情况下风电机组尾流发展结果，订正现有尾流模型。
2.通过订正的尾流模型反应了风电机组主动偏航的影响，能够在风电场场群尾流控制优化中直接使用，用于评估下游风电机组的发电量水平，能够帮助场群控制优化策略设计时进行全场功率最大的寻优，同时还能进行偏航状态下尾流对风电机组安全性校核的工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明背景技术中的一维线性扩张尾流模型示意图；
图2为本发明背景技术中的二维轴对称涡粘尾流模型示意图；
图3为本发明实施例1的计算域形状示意图；
图4为本发明实施例1的旋转域形状及致动线网格单元示意图；
图5为本发明实施例1的偏航角度正负定义示意图；
图6为本发明实施例1的尾流中心偏移值Dw的示意图；
图7为本发明实施例1的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本实施例提供了一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，包括以下步骤：
建立计算域内的风轮系统网格化模型，得到致动线网格单元；
根据致动线网格单元进行致动线模型体积力计算，得到致动线模型体积力；
根据致动线模型体积力，求解基于大涡模拟湍流模型的控制方程，得到风电机组尾流流场；
根据风电机组尾流流场，通过调整计算参数，得到不同情况下的单台风电机组偏航控制尾流流场；
对多个单台风电机组尾流流场进行统计，形成偏航控制尾流模型修正参数，修正偏航控制尾流模型。
以下对实施例1工作原理进行详细说明，如图7所示，按以下步骤进行：
步骤1.建立计算域内的风轮系统网格化模型，得到致动线网格单元
建立风轮系统网格化模型时，首先选取一定长、宽尺寸的范围作为计算域。在本实施例中，建立10倍风轮直径尺寸入流尺寸，20倍风轮直径尾流发展尺寸作为计算域。
采用致动线(ALM)方法对风轮系统网格化模型进行建模，建模时不需要考虑叶片的真实几何外形，忽略机舱、塔筒、地形的影响。如图3所示，整个计算域为一个圆柱体。风轮旋转面单独处理为一个旋转域，按叶片位置分布将图4所示的网格定义为致动线网格单元。
通过本步骤建立的风轮系统网格化模型，可以忽略地形对计算的影响。
步骤2.根据致动线网格单元进行致动线模型体积力计算，得到致动线模型体积力
致动线模型就是用虚拟的、带有体积力分布的线来代替旋转的叶片，是一种全三维的瞬态气动模型。致动线模型体积力的计算，采用叶素动量理论，将叶片沿径向切分为N个叶素，每个叶素产生的升力、阻力按以下公式(1)、(2)进行计算：
Figure BDA0002728021810000061
Figure BDA0002728021810000062
在上述公式(1)、(2)中：ρ表示密度；Uref表示空气与叶片的相对速度；c表示当地弦长；Cl(α)表示升力系数，Cd(α)表示阻力系数；α表示当地攻角；dr表示叶素宽度。
Uref和α，可以通过叶片截面上的速度三角形计算得到，按以下公式(3)、(4)、(5)进行计算：
Figure BDA0002728021810000063
Figure BDA0002728021810000064
α＝Φ-γ (5)
在上述公式(3)、(4)、(5)中：Ω表示旋转角速度；r表示叶素所在位置半径；Uz表示轴向速度，Uθ表示切向速度，γ表示当地桨距角。
由于风轮面存在偏航角度，针对偏航角度需要进行一次坐标变化，分别绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵如下：
Figure BDA0002728021810000065
按公式(1)、(2)计算得到的升力、阻力，不能直接作为体积力加载到Navier-Stokes方程中，需要先经过坐标旋转，转换到叶片坐标系，经过坐标转换得到作用在翼形上的法向力dFn和切向力dFt，坐标转换方程如公式(6)、(7)：
dFn＝dFl*cosΦ+dFd*sinΦ (6)
dFt＝dFl*sinΦ-dFd*cosΦ (7)
然后再经过旋转，从叶片坐标系转换到全局坐标系，求得全局坐标系下(x,y,z)三个方向的体积力分量(Fx,Fy,Fz)。
计算得到的升力、阻力通过使用高斯权函数进行空间分布，将体积力分布在以致动单元为球心的球体内，采用的体积力分布高斯权函数如公式(8)：
Figure BDA0002728021810000071
结合公式(8)的函数，致动区域内任意一点i(x,y,z)的体积力fi可以通过公式(9)计算得到：
Figure BDA0002728021810000072
在上述公式(9)中：Vi表示第i个致动点网格单元体积；(xi，yi，zi)表示第i个致动点网格单元中心坐标；Ii表示点(x，y，z)到点(xi，yi，zi)的距离；ε表示高斯光顺因子，值越大，体积力分布越集中。
通过本步骤的技术方案，考虑偏航角度的致动线(ALM)，采用叶素动量(BEM)理论加载气动力到网格点。
步骤3.根据致动线模型体积力，求解基于大涡模拟湍流模型的控制方程，得到风电机组尾流流场
将致动模型体积力fi作为源项输入到控制方程，然后求解控制方程获得尾流流场。控制方程可选用Euler方程或Navier-Stokes方程。在本实施例中，选用Navier-Stokes方程，Navier-Stokes方程是基于大涡模拟(LES)湍流模型的控制方程，简称N-S方程。求解N-S方程的计算流体动力学(CFD)模型具体按公式(10)进行计算：
Figure BDA0002728021810000073
在上述公式(10)中：vi表示流体速度，μ表示流体运动粘度系数，ρ表示流体密度，P表示流体压力，
Figure BDA0002728021810000074
表示流体非定常项；
Figure BDA0002728021810000075
表示流体对流项；
Figure BDA0002728021810000076
表示单位质量流体的压力差；
Figure BDA0002728021810000077
表示单位质量流体粘性力。
通过本步骤，计算得到的机组尾流流场，为多台机组尾流流场。
步骤4.根据风电机组尾流流场，通过调整计算参数，得到不同情况下的单台风电机组偏航控制尾流流场
在本实施例中，计算参数包括入流风速、湍流强度、偏航角度。具体的，入流风速以2m/s为间隔，计算3m/s-25m/s；湍流强度以4％为间隔，计算2％-10％；偏航角度以5°为间隔，计算-30°-+30°，偏航角度正负定义如图5所示。
步骤5.对多个单台风电机组偏航控制尾流流场进行统计，形成偏航控制尾流模型修正参数Dw，修正现有尾流模型
对不同情况下的多个单台风电机组偏航控制尾流流场进行统计分析，形成偏航控制尾流模型修正参数Dw，修正现有的尾流模型。具体的，以风速恢复到入流风速96％作为尾流边界指标，确定尾流扩展宽度；以尾流宽度中心线与风轮中心线的距离作为偏航通知影响下的尾流中心偏移值Dw，如图6所示。Dw按公式(11)进行计算：
Dw(L，δ，Ti，U∞)＝Y+ζw，rotation(L，δ，Ti，U∞)+ζw，yaw(L，δ，Ti，U∞) (11)
在上述公式(11)中：Y表示计算机组轮毂中心Y方向位置；ζw，rotation表示在没有偏航控制情况下机组叶片转动带来的尾流中心偏转；ζw，yaw表示考虑偏航控制下的尾流中心偏转；L表示计算机组轮毂中心与下游距离；δ表示主动偏航角度；Ti表示湍流强度；U∞表示自然来流风速。
在本实施例中，利用制动线(ALM)机组模型考虑风电机组的偏航控制，根据致动线(ALM)方法叶素动量(BEM)理论在网格中加载单台风电机组风轮系统的数值仿真模型。此仿真模型能够通过调整致动线中力的求解体现机组的偏航控制状态，在计算流体动力学(CFD)仿真环境中实现偏航控制对尾流的影响仿真；最后以尾流中心偏移值作为尾流修正参数。
通过本实施例的技术方案，基于流体力学方法，在数值仿真环境搭建能够考虑偏航控制状态的风电机组风轮系统模型，通过多入流风况仿真计算，得到不同情况下风电机组尾流发展结果，订正现有尾流模型。通过订正的尾流模型反应了风电机组主动偏航的影响，能够在风电场场群尾流控制优化中直接使用，用于评估下游风电机组的发电量水平，能够帮助场群控制优化策略设计时进行全场功率最大的寻优，同时还能进行偏航状态下尾流对风电机组安全性校核的工作。
实施例2
在本实施例中，提供了一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型，该模型可以是以半经验模型为主导的Park/Jensen模型为首的一维线性扩张尾流模型，如图1所示；也可以是以Eddy Viscosity模型为代表的二维轴对称涡粘尾流模型，如图2所示。对于这两类尾流模型，均可以使用实施例1提供的修正方法进行修正，得到修正后的风电机组偏航控制尾流模型。
实施例3
在本实施例中，提供了一种电子设备，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；
当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现实施例1提供的基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立计算域内的风轮系统网格化模型，包括：选取预设长、宽尺寸的范围作为计算域；采用致动线方法对风轮系统网格化模型进行建模，将整个计算域作为一个圆柱体，将风轮旋转面单独处理为一个旋转域，按叶片位置分布得到致动线网格单元；
根据致动线网格单元进行致动线模型体积力计算，包括：采用叶素动量理论，将叶片沿径向切分为N个叶素；计算每个叶素产生的升力、阻力；对偏航角度进行一次坐标变化，从叶片坐标系转换到全局坐标系，得到全局坐标系下X轴、Y轴、Z轴三个方向的体积力分量；将升力、阻力通过使用高斯权函数进行空间分布，将体积力分布在以致动单元为球心的球体内；按以下公式计算得到致动区域内任意一点i(x，y，z)的体积力fi：
Figure FDA0003649826810000011
在上述公式中：Vi表示第i个致动点网格单元体积；(xi，yi，zi)表示第i个致动点网格单元中心坐标；Ii表示点(x，y，z)到点(xi，yi，zi)的距离；ε表示高斯光顺因子；得到致动线模型体积力；
根据致动线模型体积力，求解基于大涡模拟湍流模型的控制方程，得到风电机组尾流流场；所述基于大涡模拟湍流模型的控制方程包括Euler方程、Navier-Stokes方程；
根据风电机组尾流流场，通过调整计算参数，得到单台风电机组偏航控制尾流流场；
对多个单台风电机组偏航控制尾流流场进行统计，按以下公式计算偏航控制尾流模型修正参数：
Dw(L，δ，Ti，U∞)＝Y+ζw，rotation(L，δ，Ti，U∞)+ζw，yaw(L，δ，Ti，U∞)
在上述公式中：Y表示计算机组轮毂中心Y方向位置；ζw，rotation表示在没有偏航控制情况下机组叶片转动带来的尾流中心偏转；ζw，yaw表示考虑偏航控制下的尾流中心偏转；L表示计算机组轮毂中心与下游距离；δ表示主动偏航角度；Ti表示湍流强度；U∞表示自然来流风速；
根据所述修正参数修正偏航控制尾流模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，其特征在于：所述计算参数包括入流风速、湍流强度、偏航角度。
3.根据权利要求2所述的一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，其特征在于：所述入流风速以2m/s为间隔，计算3m/s-25m/s；所述湍流强度以4％为间隔，计算2％-10％；所述偏航角度以5°为间隔，计算-30°-+30°。
4.根据权利要求1所述的一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法，其特征在于：计算偏航控制尾流模型修正参数时，以尾流区尾流速度恢复96％作为边界指标，确定尾流扩展宽度。
5.一种基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型，其特征在于：使用根据权利要求1-4任一所述的修正方法对偏航控制尾流模型进行修正。
6.一种电子设备，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权利要求1-4中任一所述的基于流体力学的风电机组偏航控制尾流模型修正方法。
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