CN113239646A - 一种基于等效粗糙度风电场建模方法、介质和设备 - Google Patents

一种基于等效粗糙度风电场建模方法、介质和设备 Download PDF

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Abstract

本发明还公开了一种基于等效粗糙度的风电场建模方法、介质和设备，包括以下步骤：根据目标风电场建立三维计算模型；在三维计算模型的入风口处放置风电机模型，得到有风机模型，对有风机模型进行求解获得有风机模型的出风口边界总动量；将有风机模型中的风电机模型删除，获得无风机模型，对无风机模型设置不同的地表粗糙度，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前地表粗糙度为等效粗糙度；根据目标风电场建立整场风电场模型，在整场风电场模型的每个风机位置处建立圆形区域，圆形区域的风电场地表粗糙度设为等效粗糙度，完成整场风电场建模。本发明提高了风电场设计的精度也具有良好的经济性。

Description

一种基于等效粗糙度风电场建模方法、介质和设备
技术领域
本发明属于可再生发电技术领域，具体属于一种基于等效粗糙度风电场建模方法、介质和设备。
背景技术
目前，在对风电场进行计算流体动力学模拟CFD，模拟时需要耗费大量的硬件资源和时间成本。往往在工程设计中难以进行细致的CFD模拟。而采用风电行业专业软件进行模拟又略显粗糙。
其中风电场的建模主要为风电场内风机的处理较为棘手，其建模方法一般采用实际模型建模、致动盘、致动线等方法。根据风机实际几何情况进行建模较为精细，但是增加了建模工作量，大大提高了对模拟计算硬件的要求，收敛性也变差。致动盘和致动线方法相较于实际几何模型建模法进行了一定程度的简化，在牺牲了模拟细节的基础上加快了收敛速度，但是其计算量仍然比较大，必须由有一定技术积累的专门的工程师来操作，还要具备一定规模的计算服务器才能开展计算工作，往往完成一次计算需要耗费数天的时间。对人力和计算资源的较高要求也导致了这种精细模拟只能停留在研究阶段，不能在风电场设计、微观选址等方面的日常业务中应用，目前日常业务中只能采用经过大幅简化的模型进行近似估算。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于等效粗糙度风电场建模方法、介质和设备，解决目前风电场建模难以平衡简化建模、加快收敛速度和计算量的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于等效粗糙度风电场建模方法，包括以下步骤：
根据目标风电场建立三维计算模型；
在三维计算模型的入风口处放置风电机模型，得到有风机模型，对有风机模型进行求解获得有风机模型的出风口边界总动量；
将有风机模型中的风电机模型删除，获得无风机模型，对无风机模型设置不同的地表粗糙度，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前地表粗糙度为等效粗糙度；
根据目标风电场建立整场风电场模型，在整场风电场模型的每个风机位置处建立圆形区域，圆形区域的风电场地表粗糙度设为等效粗糙度，完成整场风电场建模。
进一步的，根据目标风电场建立三维计算模型前，还包括以下步骤：
获取目标风电场的地形、风机排布和风机机型的信息；
根据目标风电场的地形、风机排布和风机机型进行参数化，根据参数化的目标风电场建立三维计算模型。
进一步的，三维计算模型为长方体的计算区域，长为5D，宽为3D和高为H+D，D为风机的直径，H为风机轮毂高度。
进一步的，根据目标风电场建立三维计算模型的具体步骤为：在目标风电场的任一风机位置处取一方形区域，以上述方形区域为目标建立三维计算模型。
进一步的，等效粗糙度的获取过程如下：
将有风机模型中的风机模型删除，仅保留三维计算模型，底部为风电场地形，获得无风机模型，逐渐调整无风机模型的地表粗糙度为不同值，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前的风电场地表粗糙度为等效粗糙度。
进一步的，整场风电场模型中建立的圆形区域为等效粗糙度代替的影响区域，圆形区域的面积等于三维计算模型的面积，圆形区域的圆形直径为
Figure BDA0003083123880000021
D为风电机的直径。
进一步的，整场风电场模型中圆形区域的风电场地表粗糙度设为所得的等效粗糙度，整场风电场模型中的其余面积的粗糙度均采用风电场现场资料进行设置，整场风电场模型的边界条件和初始条件均按实际情况进行设置。
本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
本发明还提供一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种基于等效粗糙度风电场建模方法，将风机对流场的影响用地表对空气的摩擦代替，通过采用两个模型的对比模拟，即有风机模型和无风机模型，当二者模拟的出口边界总动量一致时即可说明风机对空气的阻力与地表对空气的阻力已经一致。这样，将其余风机的影响以等效的粗糙度和等效影响面积代替，即可取代对所有风机的几何建模，因此在整场风电场模拟中不必建立风机模型，在风机位置处设置等效面积的圆形区域和等效粗糙度即可进行近似模拟。简化了计算模型，加快了求解速度，同时也能取得等效的模拟效果。采用本发明，可以对单台风机进行精细模拟，以等效粗糙度将其效果引入整个风电场中，这样使得整个风电场的模拟结果与采用带有风力机模型的整个风电场的CFD模拟效果近似，同时能够实现快速计算，能够在风电场设计、微观选址的日常业务中应用，提高风电场设计的精度和项目经济性，同时也节省了大量的人力和物力。
进一步的，在目标风电场的任一风机位置处取一方形区域建立三维计算模型，仅取一处进行研究，获得等效粗糙度，避免了对整个风电场进行CFD建模模拟，节约了大量的人力和计算资源。
进一步的，通过逐渐更改无风机模型的地表粗糙度从而求得等效粗糙度，在整场风电场模型中通过圆形区域代替风机模型，不需要在整车风电场模型中再建立风机模型，简化了建模工作量，加快了收敛速度，同时以等效模拟为基础保障了模拟结果的可靠性。
进一步的，风机尾流影响区域采用圆形等效面积，避免了现有技术中风机尾流影响区域采用方形，从而带来根据风向而改变方形区域方向的复杂操作的问题，操作更加简便。
附图说明
图1为本发明进行流场模拟的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种基于等效粗糙度风电场建模方法，包括以下步骤：
获取目标风电场的地形、风机排布和风机机型的信息；
根据目标风电场的地形、风机排布和风机机型进行参数化，根据参数化的目标风电场建立三维计算模型。
根据参数化的目标风电场建立三维计算模型，；
在三维计算模型的入风口处放置风电机模型，得到有风机模型，对有风机模型进行求解获得有风机模型的出风口边界总动量；
将有风机模型中的风电机模型删除，获得无风机模型，对无风机模型设置不同的地表粗糙度，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前地表粗糙度为等效粗糙度；
根据目标风电场建立整场风电场模型，在整场风电场模型的每个风机位置处建立圆形区域，圆形区域的风电场地表粗糙度设为上述所得的等效粗糙度。
具体的，包括以下步骤：
S1：获取目标风电场的地形、风机排布、风机机型信息；
S2：根据风电场上述的相关信息进行参数化；假定：风电场面积为A，风机尾流的影响集中在下游5D，其中D为风机直径距离处，轮毂高度为H。
S3：建立三维CFD模型，风机模型置于紧邻CFD模型的入风口处，得到有风机模型，CFD模型的计算区域长5D、宽3D和高H+D；
S4：针对某一入风口的边界条件对上述有风机模型进行求解计算，获得流场分布；
S5：将S3中有风机模型删除风机模型，获得另一CFD模型，称为无风机模型；
S6：对无风机模型设置一个较小的地表粗糙度，并逐步增大粗糙度进行计算，直至获得的流场与S4所得流场分布在数值上得差异在较小范围内，记录此粗糙度为等效粗糙度。
S7：计算等效面积。如果风机尾流影响区域采用方形，则会因风向改变而改变此方形区域的位置，为了避免该处理，采用圆形等效面积，即认为以等效粗糙度代替的影响区域为以风机位置为中心的圆形，其面积等于S3所述之方形。等效圆形直径为
Figure BDA0003083123880000051
S8：根据风电场地形数据建立整场CFD模型，在每个风机位置处直径为
Figure BDA0003083123880000052
的圆形范围内粗糙度设置为S6所得的等效粗糙度，其余面积粗糙度采用风电场现场资料进行设置。其它边界条件和初始条件均按实际情况进行设置，对风电场进行数值模拟。
实施例1
S1：当某风电场风机分布图，如图一左侧所示，其风机直径为D，轮毂高度为H。
S2：建一个长方体的计算区域，长5D、宽3D、高H+D，底部为风电场地形。将风机几何模型或致动盘放置于长方体宽3D的一侧处。根据风电场实际情况设置初始条件和边界条件对这个计算区域进行模拟。
S3：将上述模型中的风机模型删除，仅保留长5D、宽3D、高H+D的长方体计算区域，底部为风电场地形。调整地形粗糙度进行多次计算，直至本模型计算的出风口边界的总动量与上述含有风机的模型的出风口边界的总动量一致为止，该粗糙度即为等效粗糙度。
S4：建立整场风电场模型，在风电场模型中的所有风机位置处建立圆形区域，直径均为
Figure BDA0003083123880000061
圆形内的风电场地表粗糙度设置为等效粗糙度，其余按风电场现场数据给出的粗糙度设置。
S5：根据上述粗糙度进行风场模拟计算，无须考虑再添加风机模型。
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于等效粗糙度风电场建模的操作，包括：
根据目标风电场建立三维计算模型；
在三维计算模型的入风口处放置风电机模型，得到有风机模型，对有风机模型进行求解获得有风机模型的出风口边界总动量；
将有风机模型中的风电机模型删除，获得无风机模型，对无风机模型设置不同的地表粗糙度，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前地表粗糙度为等效粗糙度；
根据目标风电场建立整场风电场模型，在整场风电场模型的每个风机位置处建立圆形区域，圆形区域的风电场地表粗糙度设为等效粗糙度，完成整场风电场建模。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关风电场建模的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
根据目标风电场建立三维计算模型；
在三维计算模型的入风口处放置风电机模型，得到有风机模型，对有风机模型进行求解获得有风机模型的出风口边界总动量；
将有风机模型中的风电机模型删除，获得无风机模型，对无风机模型设置不同的地表粗糙度，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前地表粗糙度为等效粗糙度；
根据目标风电场建立整场风电场模型，在整场风电场模型的每个风机位置处建立圆形区域，圆形区域的风电场地表粗糙度设为等效粗糙度，完成整场风电场建模。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于等效粗糙度风电场建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据目标风电场建立三维计算模型；
在三维计算模型的入风口处放置风电机模型，得到有风机模型，对有风机模型进行求解获得有风机模型的出风口边界总动量；
将有风机模型中的风电机模型删除，获得无风机模型，对无风机模型设置不同的地表粗糙度，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前地表粗糙度为等效粗糙度；
根据目标风电场建立整场风电场模型，在整场风电场模型的每个风机位置处建立圆形区域，圆形区域的风电场地表粗糙度设为等效粗糙度，完成整场风电场建模。
2.根据权利要求1所述的一种基于等效粗糙度风电场建模方法，其特征在于，根据目标风电场建立三维计算模型前，还包括以下步骤：
获取目标风电场的地形、风机排布和风机机型的信息；
根据目标风电场的地形、风机排布和风机机型进行参数化，根据参数化的目标风电场建立三维计算模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于等效粗糙度风电场建模方法，其特征在于，三维计算模型为长方体的计算区域，长为5D，宽为3D和高为H+D，D为风机的直径，H为风机轮毂高度。
4.根据权利要求3所述的一种基于等效粗糙度风电场建模方法，其特征在于，根据目标风电场建立三维计算模型的具体步骤为：在目标风电场的任一风机位置处取一方形区域，以上述方形区域为目标建立三维计算模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于等效粗糙度风电场建模方法，其特征在于，等效粗糙度的获取过程如下：
将有风机模型中的风机模型删除，仅保留三维计算模型，底部为风电场地形，获得无风机模型，逐渐调整无风机模型的地表粗糙度为不同值，直至无风机模型的出风口边界总动量与有风机模型的出风口边界总动量一致，则无风机模型当前的风电场地表粗糙度为等效粗糙度。
6.根据权利要求1所述的一种基于等效粗糙度风电场建模方法，其特征在于，整场风电场模型中建立的圆形区域为等效粗糙度代替的影响区域，圆形区域的面积等于三维计算模型的面积，圆形区域的圆形直径为
Figure FDA0003083123870000021
D为风电机的直径。
7.根据权利要求1所述的一种基于等效粗糙度风电场建模方法，其特征在于，整场风电场模型中圆形区域的风电场地表粗糙度设为所得的等效粗糙度，整场风电场模型中的其余面积的粗糙度均采用风电场现场资料进行设置，整场风电场模型的边界条件和初始条件均按实际情况进行设置。
8.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法。
9.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法的指令。
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