CN114254527A - 一种风力发电机尾流评估方法及系统 - Google Patents

一种风力发电机尾流评估方法及系统 Download PDF

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CN114254527A CN202210190930.2A CN202210190930A CN114254527A CN 114254527 A CN114254527 A CN 114254527A CN 202210190930 A CN202210190930 A CN 202210190930A CN 114254527 A CN114254527 A CN 114254527A
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Abstract

本发明公开了一种风力发电机尾流评估方法，构建风力发电机坐标体系；控制风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角，计算风力发电机下风向尾流与来流风速主方向之间的第二偏角，计算得到该风力发电机下风向尾流所造成的初始折减因子；分别计算得到风力发电机的z轴上和y轴上的风速速度分布系数，计算风力发电机下风向尾流导致的直接折减因子，计算得到风力发电机下风向尾流任一位置处未经涡流修正的尾流折减速度；计算得到风力发电机的尾流折减速度的主旋转修正值、上边缘附加修正值以及下边缘附加修正值，得到经过涡流修正后的风力发电机下风向尾流中任一位置的尾流折减速度。该发明能够精确判断出任意风力发电机受到尾流的影响。

Description

一种风力发电机尾流评估方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机尾流评估方法及系统。
背景技术
风能作为一种丰富、清洁的新能源，是世界上最有前途的可再生能源之一。随着电网输送和容纳能力的增加，风电场业主更加关注风机发电效率的提升。在现代风电场的设计规划中，往往将几十台风电机组依照一定规律排列。当间距和排列方式不合理时，尾流效应就会大大影响发电效率。风轮后尾流区的产生，是由于气流通过上游的风电机风轮后湍流强度会增加、风速会降低。
尾流区的尾流效应主要从两个方面影响风电机组：首先是尾流区风速降低会造成尾流区内风电机组发电量损失，其次是湍流强度的增加，其影响风电机组的疲劳载荷和气动性能。国外研究表明，完全工作在尾流环境中的风电机组效率损失最高能达10％～20％。因此，风力发电机的尾流效应是影响风电场整体发电量的主要因素之一。准确地评估尾流区的速度分布，能够最优化风电场内风力发电机的布局，提高风电场的发电量。同时也能够为风电场的尾流控制提供重要的技术保障。
专利公开号为CN112906321A的发明公开了一种利用二维Frandsen尾流模型对风力发电机尾流进行计算的方法，该发明只能算出当叶轮正对着来流风向时，叶轮后侧的尾流对风速的影响，无法计算叶轮相对来流风向发生偏航时，叶轮后侧尾流对风速的影响。专利公开号为CN113705118A的发明公开了一种风力机尾流湍流强度的计算方法，该发明只集中于评估叶轮后侧尾流对湍流的影响，没有对风速进行预测，只能用于有限的场景。专利公开号为CN107784386A的发明提供了一种基于风速衰减因子的风电场风机优化排布方法，该发明将风力发电机尾流的影响简化为一个单独的风速衰减因子，方便应用，但是对风速的评估过于简化，模型精度有限。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种风力发电机尾流评估方法及系统，基于计算机辅助技术精确判断出任意风力发电机受到尾流的影响，从而进行发电机组的精确排布。
为实现上述目的，本发明提供一种风力发电机尾流评估方法，所述方法包括步骤：
S1、构建风电场中的一风力发电机的当地坐标体系，以所述风力发电机的叶轮正中心为所述当地坐标体系的坐标原点，以来流风速的主方向为所述当地坐标体系的x轴，以重力方向为所述当地坐标体系的z轴，所述当地坐标体系的y轴垂直于x轴和z轴；
S2、对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角时，计算所述风力发电机的下风向尾流与来流风速的主方向之间的第二偏角，并根据所述风力发电机的叶轮直径计算得到该风力发电机的下风向尾流所造成的初始折减因子；
S3、分别计算得到所述风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数和y轴方向上的风速速度分布系数，并根据所述风力发电机的初始折减因子计算得到该风力发电机下风向尾流所导致的直接折减因子，计算得到所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度；
S4、根据来流风速计算得到所述风力发电机的尾流折减速度的主旋转修正值、上边缘附加修正值以及下边缘附加修正值，并基于计算所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度，得到经过涡流修正后的风力发电机下风向尾流中任一位置处的尾流折减速度。
优选的，所述步骤S2包括：
对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角γ时，在所述风力发电机下风向尾流与来流风速的主方向产生第二偏角θ，该第二偏角θ为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，CT为风力发电机在来流风速下的推力系数，为风力发电机的设计参数。
优选的，所述步骤S2还包括：
根据所述风力发电机下风向尾流与来流风速的主方向产生的第二偏角θ，以及根据风力发电机的叶轮直径计算得到风力发电机下风向尾流所造成的初始折减因子δ0，该初始折减因子δ0为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，D为风力发电机的叶轮直径。
优选的，所述步骤S3包括：
计算风力发电机的z轴方向上随着x轴位置变化的风速速度分布系数σz为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
其中，σz0为风力发电机的z轴方向上的初始速度分布系数，kz为风力发电机的z轴方向的扩张系数，默认取0.1，x为x轴坐标值，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
（4）；
其中，a为风速引导因子，为风力发电机叶轮后方风速与来流风速的比值。
优选的，所述步骤S3包括：
计算风力发电机的y轴方向上随着x轴位置变化的风速速度分布系数σy为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
（5）；
其中，σy0为风力发电机的y轴方向上的初始速度分布系数，ky为风力发电机的y轴方向的扩张系数，默认取0.1，x为x轴坐标值，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
（6）。
优选的，所述步骤S3还包括：
根据风力发电机下风向尾流所造成的初始折减因子δ0、风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数σz、风力发电机的y轴方向上风速速度分布系数σy，计算得到风力发电机尾流所导致的直接折减因子δ为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
（7）；
其中，E0为风力发电机在来流风速下的推力折减系数，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
（8）。
优选的，所述步骤S3还包括：
根据风力发电机尾流所导致的直接折减因子δ，对风力发电机的当地坐标体系的任一位置处，该任一位置用坐标（x，y，z）表示，计算得到风力发电机尾流中在该任一位置处的未经涡旋修正的尾流折减速度uG(x,y,z)为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
（9）；
其中，U∞为来流风速，初始值为测风塔风速，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值。
优选的，所述步骤S4包括：
根据来流风速计算得到由于风力发电机旋转引起的对风力发电机尾流折减速度的主旋转修正值Wrotation(y,z)为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
（10）；
其中，U∞为来流风速，a为风速引导因子，λ为风力发电机在来流风速下的叶尖速比，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值；
根据来流风速计算得到由于风力发电机的叶轮上边缘引入的附加涡流对风力发电机尾流折减速度的上边缘附加修正值Wtop(y,z)为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
（11）；
其中，U∞为来流风速， y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值，ρ为空气密度；
根据来流风速计算得到由于风力发电机的叶轮下边缘引入的附加涡流对风力发电机尾流折减速度的下边缘附加修正值Wbottom(y,z)为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
（12）；
其中，U∞为来流风速， y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值，ρ为空气密度。
优选的，所述步骤S4包括:
根据风力发电机尾流中任一位置处的未经涡旋修正的尾流折减速度uG(x,y,z)，以及风力发电机尾流折减速度的主旋转修正值Wrotation(y,z)、上边缘附加修正值Wtop(y,z)以及下边缘附加修正值Wbottom(y,z)，计算得到经过涡流修正后的风力发电机尾流任一位置处的尾流折减速度u (x,y,z) 为:
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
（13）；
其中，x为x轴坐标值，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值。
为实现上述目的，本发明提供一种风力发电机尾流评估系统，所述系统包括：
坐标体系模块，用于构建风电场中的一风力发电机的当地坐标体系，以所述风力发电机的叶轮正中心为所述当地坐标体系的坐标原点，以来流风速的主方向为所述当地坐标体系的x轴，以重力方向为所述当地坐标体系的z轴，所述当地坐标体系的y轴垂直于x轴和z轴；
初始折减因子计算模块，用于对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角时，计算所述风力发电机的下风向尾流与所述来流风速的主方向之间的第二偏角，并根据所述风力发电机的叶轮直径计算得到该风力发电机的下风向尾流所造成的初始折减因子；
尾流折减速度计算模块，用于分别计算得到所述风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数和y轴方向上的风速速度分布系数，并根据所述风力发电机的初始折减因子计算得到该风力发电机下风向尾流所导致的直接折减因子，计算得到所述风力发电机下风向尾流中的任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度；
涡流修正模块，用于根据来流风速计算得到所述风力发电机的尾流折减速度的主旋转修正值、上边缘附加修正值以及下边缘附加修正值，并基于计算所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度，得到经过涡流修正后的风力发电机下风向尾流中任一位置处的尾流折减速度。
与现有技术相比，本发明提供的一种风力发电机尾流评估方法及系统，所带来的有益效果为：本发明采用了高斯旋度混合模型，可以计算在叶轮主动偏航和来流风速产生夹角时，计算风机尾流风速和来流风速的夹角，提升对风电场风资源的计算精度；本发明通过求解涡旋模型带来的额外修正，可以计算出叶轮主动偏航和来流风速产生夹角时，风机尾流风速在下游任意位置处的修正值，提升对风电场风资源的计算精度；本发明通过精准计算叶轮主动偏航和来流风速产生夹角时对风电场风速造成的影响，为通过主动偏航来提升风电场整场发电效率提供了依据。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的风力发电机尾流评估方法的流程示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的风力发电机尾流的涡流修正算法示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的风力发电机尾流评估系统的系统示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种风力发电机尾流评估方法，所述方法包括步骤：
S1、构建风电场中的一风力发电机的当地坐标体系，以所述风力发电机的叶轮正中心为所述当地坐标体系的坐标原点，以来流风速的主方向为所述当地坐标体系的x轴，以重力方向为所述当地坐标体系的z轴，所述当地坐标体系的y轴垂直于x轴和z轴；
S2、对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角时，计算所述风力发电机的下风向尾流与来流风速的主方向之间的第二偏角，并根据所述风力发电机的叶轮直径计算得到该风力发电机的下风向尾流所造成的初始折减因子；
S3、分别计算得到所述风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数和y轴方向上的风速速度分布系数，并根据所述风力发电机的初始折减因子计算得到该风力发电机下风向尾流所导致的直接折减因子，计算得到所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度；
S4、根据来流风速计算得到所述风力发电机的尾流折减速度的主旋转修正值、上边缘附加修正值以及下边缘附加修正值，并基于计算所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度，得到经过涡流修正后的风力发电机下风向尾流中任一位置处的尾流折减速度。
风电场中包括若干个风力发电机。在风电场中选择任一风力发电机，构建该风力发电机的当地坐标体系，以风力发电机的叶轮正中心为风力发电机的当地坐标体系的坐标原点，以来流风速的主方向为风力发电机的当地坐标体系的x轴，以重力方向为风力发电机的当地坐标体系的z轴，风力发电机的当地坐标体系的y轴垂直于x轴和z轴。通过风电场周边配套的测风塔，测量得到获得风速场中的来流风速以及来流风速的主风向。
尾流效应是指风力发电机从风中获取能量的同时在其下游形成风速下降的尾流区。若下游有风力发电机位于尾流区内，下游风力发电机的输入风速就低于上游风力发电机的输入风速。尾流效应造成风电场内的风速分布不均，影响风电场内每台风力发电机的运行状况，进一步影响风电场的运行工况及输出；且受风电场拓扑、风轮直径、推力系数、风速和风向等因素影响。风力发电机组间距越大时，尾流效应影响越小，对风电场功率输出影响越小。而地形、风速风向以及排列方式对尾流效应和风电场输出功率的影响相互耦合，需视实际情况分析。尾流效应可对风电场的输出功率有较大影响，因此，在确定风电机组和风电场的输出功率时必须考虑尾流效应。
因此在来流风速的主风向影响下，风力发电机对风电场中处于其下游位置的各个风力发电机会产生风速影响，风电场中的任一风力发电机对其下游位置的风力发电机会产生风速影响，因而需要计算风力发电机的尾流折减速度。对风力发电机进行主动偏航控制，使风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角γ时，在风力发电机的下风向尾流与来流风速的主方向产生第二偏角θ，根据第一偏角γ，通过公式（1）计算得到第二偏角θ为，
Figure 865246DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，CT为风力发电机在来流风速下的推力系数，为风力发电机的设计参数，通过风力发电机的系统手册可以获取，第一偏角γ为风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向之间的偏角。
根据风力发电机下风向尾流与来流风速的主方向产生的第二偏角θ，以及根据风力发电机的叶轮直径计算得到风力发电机下风向尾流所造成的初始折减因子δ0，该初始折减因子δ0为：
Figure 720070DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，D为风力发电机的叶轮直径，第二偏角θ为风力发电机下风向尾流与来流风速的主方向之间的偏角。
由于尾流在风机叶轮后沿着主风向（x轴方向）扩张，即尾流在x方向的位置离叶轮越远，该位置的尾流影响区域向y轴方向和z轴方向扩张的越大，因此需要计算y轴方向和z轴方向随着x轴位置变化的风速速度分布系数。计算风力发电机的z轴方向上随着x轴位置变化的风速速度分布系数σz为：
Figure 437490DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
其中，σz0为风力发电机的z轴方向上的初始速度分布系数，kz为风力发电机的z轴方向的扩张系数，默认取0.1，x为x轴坐标值，其中，
Figure 534497DEST_PATH_IMAGE004
（4）；
其中，D为风力发电机的叶轮直径，a为风速引导因子，为风力发电机叶轮后方风速与来流风速的比值，根据贝茨理论，通常取1/3。
计算风力发电机的y轴方向上随着x轴位置变化的风速速度分布系数σy为，
Figure 286552DEST_PATH_IMAGE005
（5）；
其中，σy0为风力发电机的y轴方向上的初始速度分布系数，ky为风力发电机的y轴方向的扩张系数，默认取0.1，x为x轴坐标值，其中，
Figure 249960DEST_PATH_IMAGE006
（6）；
其中，σz0为风力发电机的z轴方向上的初始速度分布系数，第一偏角γ为风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向之间的偏角。
根据风力发电机下风向的尾流所造成的初始折减因子δ0、风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数σz、风力发电机的y轴方向上风速速度分布系数σy，计算得到风力发电机尾流所导致的直接折减因子δ为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（7）；
其中，δ0为风力发电机下风向的尾流所造成的初始折减因子，第一偏角γ为风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向之间的偏角，CT为风力发电机在来流风速下的推力系数，σz0为风力发电机的z轴方向上的初始速度分布系数，σy0为风力发电机的y轴方向上的初始速度分布系数，σy为风力发电机的y轴方向上风速速度分布系数，σz为风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数，E0为风力发电机在来流风速下的推力折减系数，其中，
Figure 985835DEST_PATH_IMAGE009
（8）；
其中，CT为风力发电机在来流风速下的推力系数。
根据风力发电机尾流所导致的直接折减因子δ，对风力发电机的当地坐标体系的任一位置处，任一位置用坐标（x，y，z）表示，计算得到风力发电机尾流中在该任一位置处未经涡旋修正的尾流折减速度uG(x,y,z)，该尾流折减速度由风机叶轮遮挡造成：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（9）；
其中，U∞为来流风速，初始值为测风塔风速， CT为风力发电机在来流风速下的推力系数，σz0为风力发电机的z轴方向上的初始速度分布系数，σy0为风力发电机的y轴方向上的初始速度分布系数，σy为风力发电机的y轴方向上风速速度分布系数，σz为风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数，δ为风力发电机尾流所导致的直接折减因子，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值。
对风力发电机的尾流折减速度进行涡旋修正，从三个方面来进行修正。如图2所示的涡流修正算法示意图。由于风力发电机本身的旋转，会对风力发电机的尾流的折减速度产生一个额外的旋转修正值。因此，根据来流风速，计算得到由于风力发电机旋转引起的对风力发电机尾流折减速度的主旋转修正值Wrotation(y,z)为：
Figure 27478DEST_PATH_IMAGE011
（10）；
其中，λ为风力发电机在来流风速下的叶尖速比，为风力发电机的设计参数，U∞为来流风速，a为风速引导因子，为风力发电机叶轮后方风速与来流风速的比值，D为风力发电机的叶轮直径，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值。
当风力发电机通过主动偏航控制时，让风力发电机的叶轮法向和来流风向产生偏角γ时，风力发电机运行的对称性被打破。通过在风力发电机的叶轮上边缘和下边缘各自引入附加涡流模型，对不对称的旋转流场进行建模，并计算得到由于偏角γ产生的附加尾流旋转修正。
根据来流风速，计算得到由于风力发电机的叶轮上边缘引入的附加涡流对风力发电机尾流折减速度的上边缘附加修正值Wtop(y,z)为：
Figure 899619DEST_PATH_IMAGE013
（11）；
其中，U∞为来流风速，D为风力发电机的叶轮直径，第一偏角γ为风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向之间的偏角，CT为风力发电机在来流风速下的推力系数，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值，ρ为空气密度。
根据来流风速，计算得到由于风力发电机的叶轮下边缘引入的附加涡流对风力发电机尾流折减速度的下边缘附加修正值Wbottom(y,z)为：
Figure 158562DEST_PATH_IMAGE014
（12）；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为来流风速，D为风力发电机的叶轮直径，第一偏角γ为风力发电机的叶 轮法向与来流风速的主方向之间的偏角，CT为风力发电机在来流风速下的推力系数，y为y 轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值，ρ为空气密度。
根据风力发电机尾流中任一位置处的未经涡旋修正的尾流折减速度uG(x,y,z)，以及风力发电机尾流折减速度的主旋转修正值Wrotation(y,z)、上边缘附加修正值Wtop(y,z)以及下边缘附加修正值Wbottom(y,z)，计算得到经过涡流修正后的风力发电机尾流任一位置处的尾流折减速度u (x,y,z)：
Figure 755634DEST_PATH_IMAGE015
（13）；
其中，x为x轴坐标值，y为y轴上的坐标值，D为风力发电机的叶轮直径。根据该技术方案，当进行风电场中风力发电机的机位排布时，根据计算得到风电场中任意一个风力发电机的任意位置处尾流折减速度，可以判断出任意风力发电机受到上风向尾流的影响，从而就可以进行机位的精确排布，提升整体风电效率。此外，对于已经建设完成的风电场，可以精准计算出上风向风力发电机主动偏航调控时，对于下风向风力发电机的发电效率影响的改变，从而实现风电场的动态效率优化。
如图3所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种风力发电机尾流评估系统，所述系统包括：
坐标体系模块30，用于构建风电场中的一风力发电机的当地坐标体系，以所述风力发电机的叶轮正中心为所述当地坐标体系的坐标原点，以来流风速的主方向为所述当地坐标体系的x轴，以重力方向为所述当地坐标体系的z轴，所述当地坐标体系的y轴垂直于x轴和z轴；
初始折减因子计算模块31，用于对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角时，计算所述风力发电机的下风向尾流与所述来流风速的主方向之间的第二偏角，并根据所述风力发电机的叶轮直径计算得到该风力发电机的下风向尾流所造成的初始折减因子；
尾流折减速度计算模块32，用于分别计算得到所述风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数和y轴方向上的风速速度分布系数，并根据所述风力发电机的初始折减因子计算得到该风力发电机下风向尾流所导致的直接折减因子，计算得到所述风力发电机下风向尾流中的任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度；
涡流修正模块33，用于根据来流风速计算得到所述风力发电机的尾流折减速度的主旋转修正值、上边缘附加修正值以及下边缘附加修正值，并基于计算所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度，得到经过涡流修正后的风力发电机下风向尾流中任一位置处的尾流折减速度。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1、构建风电场中的一风力发电机的当地坐标体系，以所述风力发电机的叶轮正中心为所述当地坐标体系的坐标原点，以来流风速的主方向为所述当地坐标体系的x轴，以重力方向为所述当地坐标体系的z轴，所述当地坐标体系的y轴垂直于x轴和z轴；
S2、对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角时，计算所述风力发电机的下风向尾流与来流风速的主方向之间的第二偏角，并根据所述风力发电机的叶轮直径计算得到该风力发电机的下风向尾流所造成的初始折减因子；
S3、分别计算得到所述风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数和y轴方向上的风速速度分布系数，并根据所述风力发电机的初始折减因子计算得到该风力发电机下风向尾流所导致的直接折减因子，计算得到所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度；
S4、根据来流风速计算得到所述风力发电机的尾流折减速度的主旋转修正值、上边缘附加修正值以及下边缘附加修正值，并基于计算所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度，得到经过涡流修正后的风力发电机下风向尾流中任一位置处的尾流折减速度。
2.如权利要求1所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角γ时，在所述风力发电机下风向尾流与来流风速的主方向产生第二偏角θ，该第二偏角θ为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，CT为风力发电机在来流风速下的推力系数，为风力发电机的设计参数。
3.如权利要求2所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
根据所述风力发电机下风向尾流与来流风速的主方向产生的第二偏角θ，以及根据风力发电机的叶轮直径计算得到风力发电机下风向尾流所造成的初始折减因子δ0，该初始折减因子δ0为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
其中，D为风力发电机的叶轮直径。
4.如权利要求3所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
计算风力发电机的z轴方向上随着x轴位置变化的风速速度分布系数σz为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
其中，σz0为风力发电机的z轴方向上的初始速度分布系数，kz为风力发电机的z轴方向的扩张系数，默认取0.1，x为x轴坐标值，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（4）；
其中，a为风速引导因子，为风力发电机叶轮后方风速与来流风速的比值。
5.如权利要求4所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
计算风力发电机的y轴方向上随着x轴位置变化的风速速度分布系数σy为:
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（5）；
其中，σy0为风力发电机的y轴方向上的初始速度分布系数，ky为风力发电机的y轴方向的扩张系数，默认取0.1，x为x轴坐标值，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（6）。
6.如权利要求5所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
根据风力发电机下风向尾流所造成的初始折减因子δ0、风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数σz、风力发电机的y轴方向上风速速度分布系数σy，计算得到风力发电机尾流所导致的直接折减因子δ为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（7）；
其中，E0为风力发电机在来流风速下的推力折减系数，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（8）。
7.如权利要求6所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
根据风力发电机尾流所导致的直接折减因子δ，对风力发电机的当地坐标体系的任一位置处，该任一位置用坐标（x，y，z）表示，计算得到风力发电机尾流中在该任一位置处的未经涡旋修正的尾流折减速度uG(x,y,z)为；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（9）；
其中，U∞为来流风速，初始值为测风塔风速，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值。
8.如权利要求7所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
根据来流风速计算得到由于风力发电机旋转引起的对风力发电机尾流折减速度的主旋转修正值Wrotation(y,z)为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（10）；
其中，U∞为来流风速，a为风速引导因子，λ为风力发电机在来流风速下的叶尖速比，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值；
根据来流风速计算得到由于风力发电机的叶轮上边缘引入的附加涡流对风力发电机尾流折减速度的上边缘附加修正值Wtop(y,z)为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（11）；
其中，U∞为来流风速， y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值，ρ为空气密度；
根据来流风速计算得到由于风力发电机的叶轮下边缘引入的附加涡流对风力发电机尾流折减速度的下边缘附加修正值Wbottom(y,z)为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（12）；
其中，U∞为来流风速， y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值，ρ为空气密度。
9.如权利要求8所述的风力发电机尾流评估方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
根据风力发电机尾流中任一位置处的未经涡旋修正的尾流折减速度uG(x,y,z)，以及风力发电机尾流折减速度的主旋转修正值Wrotation(y,z)、上边缘附加修正值Wtop(y,z)以及下边缘附加修正值Wbottom(y,z)，计算得到经过涡流修正后的风力发电机尾流任一位置处的尾流折减速度u (x,y,z) 为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（13）；
其中，x为x轴坐标值，y为y轴上的坐标值，z为z轴上的坐标值。
10.一种风力发电机尾流评估系统，其特征在于，所述系统包括：
坐标体系模块，用于构建风电场中的一风力发电机的当地坐标体系，以所述风力发电机的叶轮正中心为所述当地坐标体系的坐标原点，以来流风速的主方向为所述当地坐标体系的x轴，以重力方向为所述当地坐标体系的z轴，所述当地坐标体系的y轴垂直于x轴和z轴；
初始折减因子计算模块，用于对所述风力发电机进行主动偏航控制，使所述风力发电机的叶轮法向与来流风速的主方向呈第一偏角时，计算所述风力发电机的下风向尾流与所述来流风速的主方向之间的第二偏角，并根据所述风力发电机的叶轮直径计算得到该风力发电机的下风向尾流所造成的初始折减因子；
尾流折减速度计算模块，用于分别计算得到所述风力发电机的z轴方向上的风速速度分布系数和y轴方向上的风速速度分布系数，并根据所述风力发电机的初始折减因子计算得到该风力发电机下风向尾流所导致的直接折减因子，计算得到所述风力发电机下风向尾流中的任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度；
涡流修正模块，用于根据来流风速计算得到所述风力发电机的尾流折减速度的主旋转修正值、上边缘附加修正值以及下边缘附加修正值，并基于计算所述风力发电机下风向尾流中任一位置处的未经涡流修正的尾流折减速度，得到经过涡流修正后的风力发电机下风向尾流中任一位置处的尾流折减速度。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114580120A (zh) * 2022-05-05 2022-06-03 浙江中自庆安新能源技术有限公司 一种风机叶片涡流发生器优化方法及系统
CN115310388A (zh) * 2022-10-13 2022-11-08 南京理工大学 空间变化的风力机三维不对称双高斯尾流风速计算方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104794357A (zh) * 2015-04-29 2015-07-22 南京航空航天大学 一种二维尾流数值模拟方法
EP3037657A1 (en) * 2014-12-23 2016-06-29 ABB Technology AG Optimal wind farm operation
CN106203695A (zh) * 2016-07-07 2016-12-07 华北电力大学 一种降低尾流效应的风电场内优化调度方法
CN106919730A (zh) * 2015-12-25 2017-07-04 中国电力科学研究院 一种采用风速衰减因子的风电场尾流确定方法
CN106919731A (zh) * 2015-12-25 2017-07-04 中国电力科学研究院 一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法
CN106951977A (zh) * 2017-02-08 2017-07-14 中能电力科技开发有限公司 一种基于尾流效应的风速预测模型的构建方法
US20170335827A1 (en) * 2016-05-17 2017-11-23 General Electric Company System and Method for Determining Wind Farm Wake Loss
CN107784386A (zh) * 2016-08-31 2018-03-09 中国电力科学研究院 一种基于风速衰减因子的风电场风机优化排布方法及系统
CN108108562A (zh) * 2017-12-27 2018-06-01 华北电力大学 一种基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法
EP3620649A1 (en) * 2018-09-10 2020-03-11 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Controlling wind turbines in presence of wake implications
CN111881572A (zh) * 2020-07-24 2020-11-03 浙江大学 一种基于多目标优化的风电场协同偏航智能控制方法
CN112001131A (zh) * 2020-07-28 2020-11-27 河海大学 一种改进风力机尾流叠加计算方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3037657A1 (en) * 2014-12-23 2016-06-29 ABB Technology AG Optimal wind farm operation
CN104794357A (zh) * 2015-04-29 2015-07-22 南京航空航天大学 一种二维尾流数值模拟方法
CN106919730A (zh) * 2015-12-25 2017-07-04 中国电力科学研究院 一种采用风速衰减因子的风电场尾流确定方法
CN106919731A (zh) * 2015-12-25 2017-07-04 中国电力科学研究院 一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法
US20170335827A1 (en) * 2016-05-17 2017-11-23 General Electric Company System and Method for Determining Wind Farm Wake Loss
CN106203695A (zh) * 2016-07-07 2016-12-07 华北电力大学 一种降低尾流效应的风电场内优化调度方法
CN107784386A (zh) * 2016-08-31 2018-03-09 中国电力科学研究院 一种基于风速衰减因子的风电场风机优化排布方法及系统
CN106951977A (zh) * 2017-02-08 2017-07-14 中能电力科技开发有限公司 一种基于尾流效应的风速预测模型的构建方法
CN108108562A (zh) * 2017-12-27 2018-06-01 华北电力大学 一种基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法
EP3620649A1 (en) * 2018-09-10 2020-03-11 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Controlling wind turbines in presence of wake implications
CN111881572A (zh) * 2020-07-24 2020-11-03 浙江大学 一种基于多目标优化的风电场协同偏航智能控制方法
CN112001131A (zh) * 2020-07-28 2020-11-27 河海大学 一种改进风力机尾流叠加计算方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RUNLAN HUANG等: "A mathematical model of wake speed behind wind turbine", 《2013 INTERNATIONAL CONFERENCE ON MATERIALS FOR RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT》 *
王一妹等: "计及风向不确定性的海上风电场年发电量计算", 《可再生能源》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114580120A (zh) * 2022-05-05 2022-06-03 浙江中自庆安新能源技术有限公司 一种风机叶片涡流发生器优化方法及系统
CN115310388A (zh) * 2022-10-13 2022-11-08 南京理工大学 空间变化的风力机三维不对称双高斯尾流风速计算方法
CN115310388B (zh) * 2022-10-13 2022-12-23 南京理工大学 空间变化的风力机三维不对称双高斯尾流风速计算方法

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