CN116771607A - 一种大型风力机尾流强制恢复方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明所提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，通过小型扰流器的扰流作用强制引导底部高能气流与尾流掺混，降低前排风力机造成的尾流对后排风力机的影响，有利于增加总发电量、降低后排风力机的疲劳载荷。在本发明中，通过选取小型扰流器的合适安装位置后，能够强制引导底部高能气流上升进入风能开发区与前排大型风力机的尾流掺混，减弱前排风力机的尾流对后排风力机造成的影响，由小型扰流器引起的尾流效应对大型水平轴风力机的功率输出影响比较小。本发明所提供的大型风力机尾流强制恢复方法具有布置方法灵活方便、操作流程简单以及成本较低的特点，能够很好的应用于实际工程之中。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种大型风力机尾流强制恢复方法。
背景技术
在化石能源日益枯竭的背景下，新兴能源的优势使其不断被世界各国所重视，其中风力发电技术近年来发展尤为迅猛，但在大部分的风力发电场中，数十台风电机组被串联或并联排布，上游风力发电机组所产生的尾流会对下游风力发电机组产生影响，据统计全球每年因尾流所造成的损失占总发电量的10％-15％。其中，尾流产生的影响主要包括以下两个方面，一方面上游风力机吸收风的动能后引起尾流区域风速衰减从而影响下游风力机的发电功率，进而影响整个风电场的发电功率；另一方面尾流还会引起尾流区域内湍流的增加，导致风力机组的疲劳载荷，从而影响风力机组的安全。
现有技术中的尾流恢复主要通过布局优化、偏航、俯仰、变桨等自由度控制进行自然恢复，自然恢复方式中，与开发层外高速气流的能量交换主要由之间存在的压差自然驱动，无“外力”参与。虽然自然恢复方式能在一定程度上提高风电场整体的发电量，但是提升幅度有限，且大型风力机偏航、俯仰等调节系统故障率较高、成本高昂,另外高频运转会加速结构磨损、增加运维成本、降低机组使用寿命及风电场经济效益。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种大型风力机尾流强制恢复方法，为此，提供以下技术方案。
本发明提供了一种大型风力机尾流强制恢复方法，具有这样的特征，包括：步骤S1，确定风场中风力机组的连接方式和排布方式，所述风力机组包括多个风力机，所述风力机组的排布方式包括所述风力机之间的展向间距和流向间距；
步骤S2，选择叶轮直径和塔架高度均小于风场中所述大型风力机叶轮直径和塔架高度且具有合适尺寸的小型风力机或挡板作为小型扰流器；
步骤S3，将至少一排所述小型扰流器设置在沿来流风向相邻的两排大型风力机之间，且位于前排大型风力机的尾流近区内；
步骤S4，根据风场中所述风力机组的排布方式，确定所述小型扰流器的排布方式，根据所述风力机组的展向间距和流向间距确定所述小型扰流器与后排大型风力机之间的流向间距。
在本发明提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述小型风力机可采用小型水平轴风力机和小型垂直轴风力机。
在本发明提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，还可以具有这样的特征：其中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，选择叶轮直径和塔架高度均小于风场中所述风力机组叶轮直径和塔架高度的小型风力机作为所述小型扰流器时，小型风力机的叶轮直径小于等于0.5D；当选择挡板作为所述小型扰流器时，挡板的高度小于等于0.5D，且所述小型扰流器的最高点与所述风力机叶尖的最低点之间的垂直距离不超过0.1D。
在本发明提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，还可以具有这样的特征：风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，成排小型扰流器布置相邻两排大型风力机之间且位于尾流近区内，所述小型扰流器距相邻后排大型风力机流向间距应大于3D。
在本发明提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，还可以具有这样的特征：其中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，大型风力机的展向间距大于2D且小于4D，流向间距大于7D时，沿来流风向的相邻两排大型风力机之间布置多排小型扰流器，且每排小型扰流器都位于相邻前排大型风力机尾流近区。
在本发明提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，还可以具有这样的特征：其中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，大型风力机的展向间距大于3D，流向间距大于10D时，每相邻两排大型风力机之间至少布置两排小型扰流器，如此反复；在布置的两排小型扰流器中，前排小型扰流器位于相邻前排大型风力机的尾流近区，后排小型风力机组位于相邻前排大型风力机的尾流中间区域；相邻两排小型扰流器的流向间距应大于2D，且所述相邻两排小型扰流器中的后排小型扰流器与相邻的后排大型风力机的流向间距应大于6D。
发明的作用与效果
根据本发明所提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，通过小型扰流器的扰流作用强制引导底部高能气流与尾流掺混，降低前排风力机造成的尾流对后排风力机的影响，有利于增加总发电量、降低后排风力机的疲劳载荷。在本发明中，通过选取小型扰流器的合适安装位置后，能够强制引导底部高能气流上升进入风能开发区与前排大型风力机的尾流掺混，减弱前排风力机尾流对后排风力机造成的影响。
因此，本发明所提供的大型风力机尾流强制恢复方法具有布置方法灵活方便、操作流程简单以及成本较低的特点，能够很好的应用于实际工程之中。
附图说明
图1是本发明的实施例中大型风力机尾流强制恢复方法的流程图；
图2是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图一；
图3是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图二；
图4是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图三；
图5是本发明的实施例中小型扰流器与后排风力机的间距对风场总功率影响的示意图；以及
图6是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图四。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明大型风力机尾流强制恢复方法作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中大型风力机尾流强制恢复方法的流程图。
如图1所示，本发明提供了一种大型风力机尾流强制恢复方法，能够通过小型扰流器强制引导底部高能气流上升与尾流掺混，从而加快风场中前排风力机的尾流恢复，有利于提高风力发电机组的输出功率以及风电机组的安全性，包括以下步骤：
步骤S1，确定风场中风力机组的连接方式和排布方式。在本实施例中，风力机组包括多个大型水平轴风力机，风力机组的连接方式包括串联、并联以及错列，风力机组的排布方式包括风力机组的展向间距和流向间距。
步骤S2，选择叶轮直径和塔架高度均小于风场中风力机叶轮直径和塔架高度且具有合适尺寸的小型风力机或挡板作为小型扰流器。在本实施例中，小型扰流器能够强制引导底部高能气流上升与前排大型风力机尾流掺混，从而加快前排大型风力机的尾流恢复。在本实施例中，当选择叶轮直径和塔架高度均小于风场中风力机组叶轮直径和塔架高度的小型风力机作为小型扰流器时，小型风力机的叶轮直径小于等于大型风力机叶轮直径的二分之一；当选择挡板作为小型扰流器时，挡板的挡板高度小于等于大型风力机叶轮直径的二分之一，且所述小型扰流器的最高点与所述风力机叶尖的最低点之间的垂直距离不超过大型风力机叶轮直径的十分之一。
步骤S3，将至少一排小型扰流器成对地设置在沿来流风向相邻的两排风力机之间，且位于前排大型风力机的尾流近区内。
步骤S4，根据风场中风力机组的排布方式，确定小型扰流器的排布方式，根据风力机组的展向间距和流向间距确定小型扰流器与后排大型风力机之间的流向间距。
在本实施例中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，风力机组垂直于来流风向的行间距大于等于三倍的大型风力机叶轮直径D(D为风场中大型水平轴风力机的风机叶轮直径)，且平行于来流风向的列间距大于等于七倍的大型风力机叶轮直径D时，沿来流风向的相邻两排风力机之间至少设置一排小型扰流器，小型扰流器设置在前排风力机的尾流近区内，且小型扰流器与相邻后排的大型风力机在沿来流风向的间距大于等于三倍的大型风力机叶轮直径D。
图2是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图一；图3是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图二；图4是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图三；图5是本发明的实施例中小型扰流器与后排大型风力机的间距对风场总功率影响的示意图。
在本实施例中，以5MW的大型水平轴风力机为例，并选用垂直轴式小型风力机作为小型扰流器，其中，5MW风力机叶轮直径D为126m，轮毂高度H为90m，200kw水平轴式小型风力机的叶片长度为24m，转子直径为26m。如图2、图3以及图4所示，在一个2.7D×15D的风场中，前排风力机与后排风力机间距为7D，以后排风力机为基准点，改变小型扰流器与后排风力机的间距D2，间距D2范围为1D-6D，如图5和下表1所示，间距D2为2D时，风场总功率提高2.9％，后排风力机的输出功率提高3％；间距D2为3D时，风场总功率提高5.6％，后排风力机的输出功率提高13.6％；间距D2为6D时，风场总功率提高13.1％，后排风力机的输出功率提高40.1％。由此可见，只有当小型扰流器与后排风力机的间距D2≥3D时，垂直轴小型风力机作为小型扰流器才能较为明显加快风场中前排风力机尾流恢复和提高整场能量输出率。
表1
表1中，HT1为前排风力机的输出功率，HT2为后排风力机的输出功率。
在本实施例中，小型扰流器的最高点与大型风力机的叶尖掠过的最低点重合或相差幅度≤±0.1D，如下表2所示，过高或过低将严重影响整场总功率，随着安装高度的增加或减少，且小型扰流器的最高点与大型水平轴风力机的叶尖掠过的最低点重合时对前排风力的尾流恢复和总功率的提升最为明显。
表2
当风机机组在风场中错列排布，风力机组垂直于来流风向的行间距大于等于二倍的大型风力机叶轮直径D，且平行于来流风向的列间距大于等于十倍的大型风力机叶轮直径D时，每相邻两排大型风力机之间至少设置两排小型扰流器，前排小型扰流器设置在前排风力机的尾流近区，后排小型扰流器位于前排风力机的尾流中间区，两排小型扰流器在平行于主导风向之间的间距大于等于二倍的大型风力机叶轮直径D，且后排小型扰流器与相邻的后排大型风力机在平行于主导风向的间距大于等于六倍的大型风力机叶轮直径D。
图6是本发明的实施例中风场中风力机组的排布示意图四。
在本实施例中，以5MW大型水平轴风力机为例，选用200kw水平轴式风力机作为小型扰流器，其中，200kw水平轴式风力机的转子叶轮直径为26m。如图6所示，在一个3D×11D的风场中，当大型风力机垂直于来流风向的间距≥2D时，平行于来流风向的间距≥10D时，每相邻两排大型水平轴风力发电机组之间至少布置两排小型扰流器，且两排小型扰流器之间的间距应当≥2D。前排大型风力机与后排大型风力机间距为7D时，以后排风力机为基准点，改变后排小型扰流器与后排大型风力机的间距D3，间距D3≥3D，理论上能够将总功率提升10％-30％，后排大型风力机的功率将提高30％-50％。
当风机机组在风场中错列排布，相邻的两台风力机错列排布，风力机垂直于来流风向的行间距大于等于二倍的大型风力机叶轮直径D且小于等于四倍的大型风力机叶轮直径D，平行于来流方向的列间距大于等于七倍的大型风力机叶轮直径D时，每相邻的两排风力机之间至少设置一排小型扰流器，小型扰流器设置在前排风力机的尾流近区内。
实施例的作用与效果
根据本发明所提供的大型风力机尾流强制恢复方法中，通过小型扰流器的扰流作用强制引导底部高能气流与尾流掺混，降低前排风力机造成的尾流对后排风力机的影响，有利于增加总发电量、降低后排风力机的疲劳载荷。在本发明中，通过选取小型扰流器的合适安装位置后，能够强制引导底部高能气流上升进入风能开发区与前排大型风力机的尾流掺混，减弱前排风力机的尾流对后排风力机造成的影响，由小型扰流器引起的尾流效应对大型水平轴风力机的功率输出影响比较小。
因此，本发明所提供的大型风力机尾流强制恢复方法具有布置方法灵活方便、操作流程简单以及成本较低的特点，能够很好的应用于实际工程之中。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大型风力机尾流强制恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，确定风场中风力机组的连接方式和排布方式，所述风力机组包括多个风力机，所述风力机组的排布方式包括所述风力机之间的展向间距和流向间距；
步骤S2，选择叶轮直径和塔架高度均小于风场中所述大型风力机叶轮直径和塔架高度且具有合适尺寸的小型风力机或挡板作为小型扰流器；
步骤S3，将至少一排所述小型扰流器布置在沿来流风向相邻的两排大型风力机之间，且位于前排大型风力机的尾流近区内；
步骤S4，根据风场中所述风力机组的排布方式，确定所述小型扰流器的排布方式，根据所述风力机组的展向间距和流向间距确定所述小型扰流器与后排大型风力机之间的流向间距。
2.根据权利要求1所述的大型风力机尾流强制恢复方法，其特征在于：
其中，所述小型扰流器包括小型水平轴风力机和小型垂直轴风力机。
3.根据权利要求2所述的大型风力机尾流强制恢复方法，其特征在于：
其中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，选择叶轮直径和塔架高度均小于风场中所述风力机组叶轮直径和塔架高度的小型风力机作为所述小型扰流器时，小型风力机的叶轮直径小于等于大型风力机叶轮直径的二分之一；当选择挡板作为所述小型扰流器时，挡板的高度小于等于大型风力机叶轮直径的二分之一，且所述小型扰流器的最高点与所述大型风力机叶尖最低点之间的垂直距离不超过大型风力机叶轮直径的十分之一。
4.根据权利要求3所述的大型风力机尾流强制恢复方法，其特征在于：
其中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，成排小型扰流器布置在相邻两排大型风力机之间且位于尾流近区内，所述小型扰流器距相邻后排大型风力机流向间距应大于三倍的大型风力机叶轮直径。
5.根据权利要求4所述的大型风力机尾流强制恢复方法，其特征在于：
其中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，大型风力机的展向间距大于两倍大型风力机叶轮直径且小于四倍大型风力机叶轮直径，流向间距大于七倍大型风力机叶轮直径时，沿来流风向的相邻两排大型风力机之间布置多排小型扰流器，且每排小型扰流器都位于相邻前排大型风力机尾流近区。
6.根据权利要求5所述的大型风力机尾流强制恢复方法，其特征在于：
其中，风场中大型风力机通过小型扰流器来恢复尾流速度，大型风电机组的展向间距大于三倍大型风力机叶轮直径，流向间距大于十倍大型风力机叶轮直径时，每相邻两排大型风力机之间至少布置两排小型扰流器，如此反复；在布置的两排小型扰流器中，前排小型扰流器位于相邻前排大型风力机的尾流近区，后排小型风力机组位于相邻前排大型风力机的尾流中间区域；相邻两排小型扰流器的流向间距应大于两倍大型风力机叶轮直径，且所述相邻两排小型扰流器中的后排小型扰流器与相邻的后排大型风力机的流向间距应大于六倍大型风力机叶轮直径。
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