CN112434252A - 一种考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，属于风电机组尾流计算技术领域。首先根据风电场的局地环境，获得风电场的局地环境参数，然后计算风电场所在环境的大气稳定度函数，再将得到的大气稳定度函数作为输入，利用Monin‑Obukhov相似理论计算地表摩擦速度，然后依次计算得到近地层的流向速度脉动、近地层的流向湍流强度和近地层的展向湍流强度，建立轮毂高度的展向湍流强度近地层的展向湍流强度的正比关系，得到轮毂高度的展向湍流强度，然后依次计算得到尾流扩张系数、初始尾流半径和尾流半径，计算尾流区速度亏损厚，最后得到尾流区的速度分布。该方法极大地拓展了尾流计算方法的应用范围，提高了计算结果的准确性。

Description

一种考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法

技术领域

本发明属于风电机组尾流计算技术领域，具体涉及一种考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法。

背景技术

目前工程中应用最为广泛的风电机组尾流计算方法是Jensen等人发展的线性尾流模型。该模型基于以下两个假设，一是尾流宽度随着离风力机下游的距离线性增长，二是垂直于风力机轴向的尾流平面内速度均匀分布(Top-hat假设)。Pena等人将Jensen模型和Sexbierum实测数据和CFD仿真结果进行对比，发现Jensen模型预测的速度和实际情况相比有较大的差距，认为应该发展更加高级的尾流模型。为此，Frandsen等人放弃了Top-hat假设，提出了一种新的尾流模型。Tian等人认为风力机尾流区内速度呈余弦规律分布，并考虑风力机引起的湍流作用，发展了一个2D_k尾流模型。风洞实验测量和数值仿真结果表明，真实的风力机尾流区内速度近似呈高斯分布，因此Bastankhah等人提出了一种基于高斯分布函数的二维尾流模型，该模型得到了一系列风场测量和风洞实验的验证。由此可以看出，高斯函数能较好的描述尾流区内的速度亏损分布特点。该模型的主要缺陷是模型包含的尾流半径计算模型中的参数需要通过对实验测量或数值仿真结果进行拟合得到，目前主要有三种不同的计算方法。Niayifar等人通过分析大涡模拟数据后建议尾流扩张系数和环境湍流强度呈正比，Fuertes等人沿用这一思想并采用风场实测数据拟合提出了一个新的模型，Ishihara等人通过对风洞测量结果进行拟合得到了一个关于湍流强度和风力机推力系数的非线性模型。

从以上分析可以看出，高斯尾流模型中的尾流扩张半径需要采用经验公式来确定，通常认为尾流扩张半径包含的的模型参数和流向湍流强度有关，而风力机尾流主要是在垂向和侧向扩张，因此将模型参数和流向湍流强度关联并不合理。另外，实际风电场中精确的湍流强度的获取非常困难，计算湍流强度的误差通常会导致模型参数计算不准确，导致尾流速度亏损预测不准。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，极大地拓展了尾流计算方法的应用范围，提高了计算结果的准确性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据风电场的局地环境，获得风电场的局地环境参数；

步骤2：计算风电场所在环境的大气稳定度函数；

步骤3：将步骤2得到的大气稳定度函数作为输入，利用Monin-Obukhov相似理论计算地表摩擦速度；

步骤4：根据步骤3得到的地表摩擦速度依次计算得到近地层的流向速度脉动、近地层的流向湍流强度和近地层的展向湍流强度I_v,s；

步骤5：建立轮毂高度的展向湍流强度I_v.h与步骤4得到的近地层的展向湍流强度I_v,s的正比关系：I_v.h＝γI_v,s，其中γ为经验系数，得到轮毂高度的展向湍流强度I_v.h；

步骤6：根据步骤5得到的轮毂高度的展向湍流强度I_v.h，依次计算得到尾流扩张系数、初始尾流半径和尾流半径；

步骤7：根据步骤6得到的尾流半径计算尾流区速度亏损；

步骤8：根据步骤7得到的尾流区速度亏损计算得到尾流区的速度分布。

优选地，步骤1中，风电场的局地环境参数包括来流速度U_∞、地表粗糙度z₀、Obukhov长度L和当地纬度φ。

进一步优选地，步骤2中，通过下式计算得到大气稳定度函数ψ_m(ζ)：

其中，

是无量纲稳定度参数，z为法向坐标，中间变量t＝(1-15ζ)^1/4。

进一步优选地，步骤3中，通过下式计算得到地表摩擦速度u_*：

其中κ是冯卡门常数，z_h是机组轮毂高度。

进一步优选地，步骤4中，近地层的流向速度脉动：σ_u,s＝2.5u_*；

近地层的流向湍流强度：

近地层的展向湍流强度

其中，f＝2Ωsin(φ)，

f为科氏力，地球自转周期Ω＝7.29×10^-5rad/s。

进一步优选地，步骤6中，尾流扩张系数k_w＝0.223I_v,h+0.022；

初始尾流半径∈＝-1.91k_w+0.34；

尾流半径σ根据

求得，其中x为流向坐标。

进一步优选地，步骤7中，尾流区速度亏损ΔU根据下式求得：

其中，r为尾流区内平行于风轮平面内任一点到该平面内轮毂高度处的距离，D为风轮直径，C_t为对应来流风速下的推力系数。

进一步优选地，步骤8中，尾流区的速度分布U_w＝U_∞-ΔU。

优选地，步骤5中，0.2≤γ≤2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，创造性地引入MOST理论(Monin-Obukhov相似理论)，MOST理论包含了地表粗糙度和大气稳定度，使得本发明提出的计算方法能同时考虑地表粗糙度和大气热稳定度对风电机组尾流发展的影响，极大地拓展了尾流计算方法的应用范围。传统的尾流计算方法认为，尾流扩张系数和流向湍流强度相关，而真实情况下风电机组尾流在展向进行扩张，本发明提出的尾流计算方法将尾流扩张系数和展向湍流强度建立联系，使尾流计算方法能反映真实的尾流扩张情况，提高计算结果的准确性。

进一步地，经验系数γ根据当地的大气热稳定度来确定，通常在0.2～2中取值，风况越稳定，γ取值越小，风况越不稳定，γ取值越大，进一步提高计算结果的准确度。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为实施例中构建尾流计算方法使用的控制体示意图；

图3为不同尾流计算方法得到的尾流区速度亏损分布图。

具体实施方式

下面以附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了验证本发明提出的尾流计算方法的有效性，下面将该方法计算的不同工况下尾流速度分布与文献中报道的大涡模拟结果和风洞实验结果进行对比，主要对比尾流扩张系数以及不同地表粗糙度和大气稳定度工况下的速度亏损分布。本发明对比的实例数据来源于参考文献[1]。

本发明采用图2所示的控制体，按照图1所示步骤构建尾流计算方法。在图2中，U_∞是来流速度，U_w是尾流区速度，r是尾流区内平行于风轮平面内任一点到该平面内轮毂高度处的距离，D表示风轮直径。

下面以一个具体实施例对本发明的实施方式进行进一步的说明：

步骤1)：给定输入参数U_∞＝8.5m/s,z_h＝70m,D＝80m,z₀＝0.05m,L＝∞,φ＝47°,C_t＝0.8。

步骤2)：由L＝∞可知ζ＝0，代入大气稳定度函数得到ψ_m(0)＝0。

步骤3)：利用Monin-Obukhov相似理论计算地表摩擦速度u_*＝0.47m/s。

步骤4)：利用经验公式计算近地层内的流向速度脉动大小σ_u,s＝1.175m/s，并依据定义计算流向湍流强度I_u,s＝0.138，进一步可以算出展向湍流强度I_v,s＝0.11。

步骤5)：根据本发明提出的线性关系式，取γ＝1.0，可以计算出I_v,h＝0.11。

步骤6)：依据文献报道的公式计算尾流计算方法的扩张系数，得到k_w＝0.025，∈＝0.293，进而可以计算出尾流半径随x的变化规律

步骤7)：依据步骤6)得到的尾流半径σ可以计算尾流区速度亏损

即图3中对应的分布规律。

图3给出了不同尾流计算方法得到的尾流区速度亏损与大涡模拟结果对比情况。在整个尾流区内，本发明提出的尾流计算方法预测的速度亏损都与大涡模拟结果更接近，优于BP2014方法和FMP2018方法。

[1]Cheng W-C,Porté-Agel F.A simple physically-based model for wind-turbine wake growth in a turbulent boundary layer.Bound-Layer Meteorol 2018:1–10.

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据风电场的局地环境，获得风电场的局地环境参数；

步骤2：计算风电场所在环境的大气稳定度函数；

步骤3：将步骤2得到的大气稳定度函数作为输入，利用Monin-Obukhov相似理论计算地表摩擦速度；

步骤4：根据步骤3得到的地表摩擦速度依次计算得到近地层的流向速度脉动、近地层的流向湍流强度和近地层的展向湍流强度I_v,s；

步骤5：建立轮毂高度的展向湍流强度I_v.h与步骤4得到的近地层的展向湍流强度I_v,s的正比关系：I_v.h＝γI_v,s，其中γ为经验系数，得到轮毂高度的展向湍流强度I_v.h；

步骤6：根据步骤5得到的轮毂高度的展向湍流强度I_v.h，依次计算得到尾流扩张系数、初始尾流半径和尾流半径；

步骤7：根据步骤6得到的尾流半径计算尾流区速度亏损；

步骤8：根据步骤7得到的尾流区速度亏损计算得到尾流区的速度分布。

2.如权利要求1所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤1中，风电场的局地环境参数包括来流速度U_∞、地表粗糙度z₀、Obukhov长度L和当地纬度φ。

3.如权利要求2所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤2中，通过下式计算得到大气稳定度函数ψ_m(ζ)：

其中，

是无量纲稳定度参数，z为法向坐标，中间变量t＝(1-15ζ)^1/4。

4.如权利要求3所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤3中，通过下式计算得到地表摩擦速度u_*：

其中κ是冯卡门常数，z_h是机组轮毂高度。

5.如权利要求4所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤4中，近地层的流向速度脉动：σ_u,s＝2.5u_*；

近地层的流向湍流强度：

近地层的展向湍流强度

其中，f＝2Ωsin(φ)，

f为科氏力，地球自转周期Ω＝7.29×10^-5rad/s。

6.如权利要求5所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤6中，尾流扩张系数k_w＝0.223I_v,h+0.022；

初始尾流半径∈＝-1.91k_w+0.34；

尾流半径σ根据

求得，其中x为流向坐标。

7.如权利要求6所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤7中，尾流区速度亏损ΔU根据下式求得：

其中，r为尾流区内平行于风轮平面内任一点到该平面内轮毂高度处的距离，D为风轮直径，C_t为对应来流风速下的推力系数。

8.如权利要求7所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤8中，尾流区的速度分布U_w＝U_∞-ΔU。

9.如权利要求1所述的考虑风电场局地环境因素的尾流计算方法，其特征在于，步骤5中，0.2≤γ≤2。

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