CN113343594A - 基于偏航的风电机组尾流模型计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于偏航的风电机组尾流模型计算方法及装置，该方法包括：获取风电机组运行参数；根据风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度；根据尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量；根据尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型。本发明对于计算风机偏航时风机叶轮后的尾流扩散范围，修正了尾流影响区域随距离的线性扩张，体现了尾流扩散强度及影响范围的非线性特征，可以大幅提高风机偏航时尾流预测的精度。

Description

基于偏航的风电机组尾流模型计算方法及装置

技术领域

本发明涉及风机尾流模型技术领域，具体而言，涉及一种基于偏航的风电机组尾流模型计算方法及装置。

背景技术

在风电场中，气流吹过风力机叶片带动风力机转动，由于风力机的转动及叶片对气流的阻挡作用，在风力机下风向产生尾流作用。在尾流区域内，不仅仅造成风速降低致使风资源利用率降低，同时所产生的湍流、涡流影响会影响下游机组的使用寿命。

风电精细化运行以及进一步提升风电场发电效率，已成为当前和未来风电行业的主要关注点，需要量化尾流效应对发电量的影响。

现有应用比较广泛的尾流模型为简化后的无黏近场尾流模型，如多以半经验模型为主导的尾流模型Park、Jensen尾流模型，其认为近场尾流区域是无黏旋转的，适宜描述机头正对来流，且轴向距离小于5倍风轮直径的速度分布。现有尾流模型未考虑偏航对尾流扩散、强度和范围的影响，尾流预测不够准确。

发明内容

本发明解决的是现有尾流模型未考虑偏航对尾流扩散、强度和范围的影响，尾流预测不够准确的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种基于偏航的风电机组尾流模型计算方法，所述方法包括：获取风电机组运行参数；所述风电机组运行参数包括风机参数及环境数据，所述风机参数包括以下至少一项：叶轮直径、推力系数，所述环境数据包括以下至少一项：空气密度、自由流风速；根据所述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度；根据所述尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量；根据所述尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型。

可选地，所述根据所述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度，包括：根据所述风电机组运行参数、风功率系数与轴向诱导系数的关系，确定偏航风功率系数与所述轴向诱导系数的关系，以及根据所述偏航风功率系数与所述轴向诱导系数的关系确定所述偏航风功率系数；根据所述偏航风功率系数与尾流中线偏转角度的关系，确定尾流中线偏转角度。

可选地，所述根据所述尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量，包括：计算所述尾流中线偏转角度的正切值；对所述正切值的积分得到偏航诱导的尾流横向偏差量。

可选地，所述根据所述尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型，包括：计算尾流区域中不同距离对应的所述尾流横向偏差量，以及根据所述不同距离对应的所述尾流横向偏差量修正尾流扩散状态、尾流扩散强度及范围得到偏航尾流模型。

可选地，所述尾流区域包括近尾流区域、混合尾流区域以及远尾流区域；各所述尾流区域的尾流扩散系数如下：

其中，

为偏航尾流扩散系数，y为与风机的距离。

可选地，所述方法还包括：基于所述偏航尾流模型计算尾流效应对发电量的影响。

可选地，所述尾流中线偏转角度的计算公式如下：

其中，ξ为尾流中线偏转角度，

为偏航风功率系数，x为与风机的距离，k_d为尾流扩散系数，D为风机叶轮直径；

的计算公式如下：

其中，θ为偏航角度，C_t为风轮的推力系数。

可选地，所述尾流横向偏差量的计算公式如下：

其中，y_yaw为尾流横向偏差量。

可选地，对所述尾流横向偏差量的计算公式进行二阶泰勒级数展开，等到所述尾流横向偏差量的近似公式如下：

本发明提供一种基于偏航的风电机组尾流模型计算装置，所述装置包括：参数获取模块，用于获取风电机组运行参数；所述风电机组运行参数包括风机参数及环境数据，所述风机参数包括以下至少一项：叶轮直径、推力系数，所述环境数据包括以下至少一项：空气密度、自由流风速；偏转角度计算模块，用于根据所述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度；横向偏差计算模块，用于根据所述尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量；偏航修正模块，用于根据所述尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型。

本发明实施例对于计算风机偏航时风机叶轮后的尾流扩散范围，修正了尾流影响区域随距离的线性扩张，体现了尾流扩散强度及影响范围的非线性特征，可以大幅提高风机偏航时尾流预测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种基于偏航的风电机组尾流模型计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中风机受力分析原理示意图；

图3为本发明实施例中偏航时尾流示意图；

图4为本发明实施例中一种基于偏航的风电机组尾流模型计算装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种新的偏航尾流模型，对于计算风机偏航时风机叶轮后的尾流扩散范围，修正了尾流影响区域随距离的线性扩张，体现了尾流扩散强度及影响范围的非线性特征，可以大幅提高风机偏航时尾流预测的精度。

参见图1所示的一种基于偏航的风电机组尾流模型计算方法的流程示意图，采用风机参数及环境数据计算偏航状态下叶轮后尾流扩散面积及尾流偏转角度等数据，包括以下步骤：

S102，获取风电机组运行参数。该风电机组运行参数包括风机参数及环境数据，该风机参数包括以下至少一项：叶轮直径D、推力系数C_t，该环境数据包括以下至少一项：空气密度ρ、自由流风速U₀。

S104，根据上述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度。

首先，计算在偏航作用下的水平、垂直作用力f_x、f_z，包括以下步骤：

依据上述风电机组运行参数及风力机发电原理，计算未偏航时的横向受力如下：

其中，f为未偏航时的横向受力，A为叶轮扫掠面积。

参见图2所示的风机受力分析原理示意图，θ为偏航角度，将f分解为偏航时的横向受力f_x与纵向受力f_z，由自由流风速U₀得到偏航后风速为U₀cosθ，则偏航时的横向受力f_x与纵向受力f_z如下：

其次，根据风电机组运行参数、风功率系数与轴向诱导系数的关系，确定偏航风功率系数与轴向诱导系数的关系，以及根据偏航风功率系数与轴向诱导系数的关系确定偏航风功率系数。

依据风功率系数与轴向诱导系数a的关系：

C_p＝4a(1-a)

计算得到偏航风功率系数

与轴向诱导系数a的关系为：

其中，θ为偏航角度，C_t为风轮的推力系数。

然后，根据偏航风功率系数与尾流中线偏转角度的关系，确定尾流中线偏转角度，该尾流中线偏转角度的计算公式如下：

其中，x为与风机的距离，k_d为尾流扩散系数。

S106，根据尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量。

通过计算尾流中线偏转角度的正切值，然后对正切值的积分得到偏航诱导的尾流横向偏差量。偏航诱导的尾流横向偏差量可通过对尾流中线偏转角度正切值的积分，如下：

其中，y_yaw为尾流横向偏差量。

对上述积分公式进行二阶泰勒级数展开，等到偏航诱导的尾流横向偏差量的近似公式：

S108，根据尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型。

参见图3所示的偏航时尾流示意图，将尾流区域进行分区为：近尾流(1)、混合尾流(2)以及远尾流(3)，各尾流区域的尾流扩散系数如下：

其中，

为偏航尾流扩散系数，x为与风机的距离。

依据尾流区域特点，针对不同尾流区域的

采取线性平滑处理，对不同x值计算尾流横向偏差量，最终计算出偏航后尾流扩散状态、尾流扩散强度及影响范围。

在上述偏航尾流模型的基础上，可以在保证计算精度的前提下在有限的时间内计算尾流效应对发电量的影响。

本发明实施例提供的基于偏航的风电机组尾流模型计算方法，对于计算风机偏航时风机叶轮后的尾流扩散范围，修正了尾流影响区域随距离的线性扩张，体现了尾流扩散强度及影响范围的非线性特征，可以大幅提高风机偏航时尾流预测的精度。

图4是本发明的一个实施例中一种基于偏航的风电机组尾流模型计算装置的结构示意图，所述装置包括：

参数获取模块401，用于获取风电机组运行参数；所述风电机组运行参数包括风机参数及环境数据，所述风机参数包括以下至少一项：叶轮直径、推力系数，所述环境数据包括以下至少一项：空气密度、自由流风速；

偏转角度计算模块402，用于根据所述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度；

横向偏差计算模块403，用于根据所述尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量；

偏航修正模块404，用于根据所述尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型。

可选地，作为一个实施例，所述偏转角度计算模块402，具体用于：根据所述风电机组运行参数、风功率系数与轴向诱导系数的关系，确定偏航风功率系数与所述轴向诱导系数的关系，以及根据所述偏航风功率系数与所述轴向诱导系数的关系确定所述偏航风功率系数；根据所述偏航风功率系数与尾流中线偏转角度的关系，确定尾流中线偏转角度。

可选地，作为一个实施例，所述横向偏差计算模块403，具体用于：计算所述尾流中线偏转角度的正切值；对所述正切值的积分得到偏航诱导的尾流横向偏差量。

可选地，作为一个实施例，所述偏航修正模块404，具体用于：计算尾流区域中不同距离对应的所述尾流横向偏差量，以及根据所述不同距离对应的所述尾流横向偏差量修正尾流扩散状态、尾流扩散强度及范围得到偏航尾流模型。

可选地，作为一个实施例，所述尾流区域包括近尾流区域、混合尾流区域以及远尾流区域；各所述尾流区域的尾流扩散系数如下：

其中，

为偏航尾流扩散系数，y为与风机的距离。

可选地，作为一个实施例，所述装置还包括发电量计算模块，用于：基于所述偏航尾流模型计算尾流效应对发电量的影响。

可选地，作为一个实施例，所述尾流中线偏转角度的计算公式如下：

其中，ξ为尾流中线偏转角度，

为偏航风功率系数，x为与风机的距离，k_d为尾流扩散系数，D为风机叶轮直径；

的计算公式如下：

其中，θ为偏航角度，C_t为风轮的推力系数。

可选地，作为一个实施例，所述尾流横向偏差量的计算公式如下：

其中，y_yaw为尾流横向偏差量。

可选地，作为一个实施例，对所述尾流横向偏差量的计算公式进行二阶泰勒级数展开，等到所述尾流横向偏差量的近似公式如下：

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于偏航的风电机组尾流模型计算方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等。

当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于偏航的风电机组尾流模型计算方法，其特征在于，所述方法包括：

获取风电机组运行参数；所述风电机组运行参数包括风机参数及环境数据，所述风机参数包括以下至少一项：叶轮直径、推力系数，所述环境数据包括以下至少一项：空气密度、自由流风速；

根据所述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度；

根据所述尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量；

根据所述尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度，包括：

根据所述风电机组运行参数、风功率系数与轴向诱导系数的关系，确定偏航风功率系数与所述轴向诱导系数的关系，以及根据所述偏航风功率系数与所述轴向诱导系数的关系确定所述偏航风功率系数；

根据所述偏航风功率系数与尾流中线偏转角度的关系，确定尾流中线偏转角度。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量，包括：

计算所述尾流中线偏转角度的正切值；

对所述正切值的积分得到偏航诱导的尾流横向偏差量。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型，包括：

计算尾流区域中不同距离对应的所述尾流横向偏差量，以及根据所述不同距离对应的所述尾流横向偏差量修正尾流扩散状态、尾流扩散强度及范围得到偏航尾流模型。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述尾流区域包括近尾流区域、混合尾流区域以及远尾流区域；各所述尾流区域的尾流扩散系数如下：

其中，

为偏航尾流扩散系数，y为与风机的距离。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述偏航尾流模型计算尾流效应对发电量的影响。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述尾流中线偏转角度的计算公式如下：

其中，ξ为尾流中线偏转角度，

为偏航风功率系数，x为与风机的距离，k_d为尾流扩散系数，D为风机叶轮直径；

的计算公式如下：

其中，θ为偏航角度，C_t为风轮的推力系数。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述尾流横向偏差量的计算公式如下：

其中，y_yaw为尾流横向偏差量。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，对所述尾流横向偏差量的计算公式进行二阶泰勒级数展开，等到所述尾流横向偏差量的近似公式如下：

10.一种基于偏航的风电机组尾流模型计算装置，其特征在于，所述装置包括：

参数获取模块，用于获取风电机组运行参数；所述风电机组运行参数包括风机参数及环境数据，所述风机参数包括以下至少一项：叶轮直径、推力系数，所述环境数据包括以下至少一项：空气密度、自由流风速；

偏转角度计算模块，用于根据所述风电机组运行参数、偏航风功率系数计算尾流中线偏转角度；

横向偏差计算模块，用于根据所述尾流中线偏转角度计算偏航诱导的尾流横向偏差量；

偏航修正模块，用于根据所述尾流横向偏差量修正尾流扩散数据得到偏航尾流模型。

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