KR102082909B1 - Method of correcting wake model of wind power generator - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 풍력 발전기의 후류모델 보정방법은 나비아 스톡스(Navier Stokes) 방정식을 기반으로 초기 풍속형상 모델과 필터함수를 적용하여 풍력 발전기의 후류를 계산하는 후류모델을 보정하는 방법으로서, 초기 풍속형상 모델과 필터함수는 하기 수학식 1 내지 3을 이용하여 계산된다.
[수학식 1]

Figure 112018075274503-pat00020

[수학식 2]
Figure 112018075274503-pat00021

[수학식 3]
Figure 112018075274503-pat00022
A wake model correction method of a wind generator according to the present invention is a method of correcting a wake model for calculating a wake of a wind generator by applying an initial wind speed model and a filter function based on a Navier Stokes equation. The model and filter function are calculated using Equations 1 to 3 below.
[Equation 1]
Figure 112018075274503-pat00020

[Equation 2]
Figure 112018075274503-pat00021

[Equation 3]
Figure 112018075274503-pat00022

Description

풍력 발전기의 후류모델 보정방법{Method of correcting wake model of wind power generator}Method of correcting wake model of wind power generator

본 발명은 풍력 발전기의 후류예측을 하기 위해 사용되는 후류모델에 관한 기술이다.The present invention relates to a wake model used for wake prediction of a wind generator.

일반적으로, 다수의 풍력 발전기가 한정된 공간에 설치되어 전력을 생산하는 영역을 풍력 발전단지라고 한다. 풍력 발전기를 통과한 바람은 이동 속도가 떨어지고 난류성분이 크게 증가하는데, 이 같은 현상을 후류(wake)라고 한다. 풍력 발전기에 의해 발생된 후류는 인근에 설치된 풍력 발전기의 출력과 수명에 큰 영향을 끼치기 때문에, 풍력 발전단지를 건설하기 전 후류모델을 이용하여 풍력 발전기 간에 발생되는 후류 영향을 미리 예측하는 것은 일반적이다.In general, an area where a large number of wind generators are installed in a limited space to produce power is called a wind farm. The wind passing through the wind generator slows down and increases the turbulence component. This phenomenon is called wake. Since the wake generated by the wind generator has a great influence on the output and lifetime of the nearby wind generator, it is common to predict the wake effect between wind generators using the wake model before constructing the wind farm. .

이와 같이, 후류 예측의 정확도에 따라 풍력 발전단지를 구성하는 풍력 발전기 대수와 설치 지점이 결정되기 때문에, 많은 연구자들은 후류모델의 정확도를 향상시키기 위한 많은 시도를 수행하였다. 후류모델의 정확도를 향상시키기 위해 수행되는 방법 중 가장 일반적이며 전통적인 방법은 후류계산에 필요한 초기 풍속 형상(initial wind profile)만을 수정하는 것이다.As such, since the number of wind generators constituting the wind farm and the installation point are determined by the accuracy of the wake prediction, many researchers have made many attempts to improve the accuracy of the wake model. The most common and traditional method used to improve the accuracy of wake models is to modify only the initial wind profile required for wake calculation.

이 방법은 단순한 지배방정식에 기반을 둔 후류모델부터 매우 복잡한 유동해석 기법에 기반을 둔 후류모델까지 매우 다양한 후류모델에 적용되는 보정 방법이다. 하지만, 단순한 보정 방법은 풍력 발전기에 인접한 영역에 대한 정확도만 향상시킬 뿐, 실제 풍력 발전단지와 같이 풍력 발전기 회전 직경의 4~10배에 해당하는 지점에서의 예측 정확도를 크게 향상시키지 못한다.This method is a correction method applied to a wide variety of wake models, from the wake model based on simple governing equations to the wake model based on very complex flow analysis techniques. However, a simple calibration method only improves the accuracy of the area adjacent to the wind generator, and does not significantly improve the prediction accuracy at points that are 4 to 10 times the diameter of the wind generator, like a real wind farm.

본 발명의 과제는 풍력 발전기의 후류모델에 의한 후류예측 정확도를 향상시킬 수 있는 풍력 발전기의 후류모델 보정방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a wake model correction method of the wind generator that can improve the wake prediction accuracy by the wake model of the wind generator.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력 발전기의 후류모델 보정방법은 나비아 스톡스(Navier Stokes) 방정식을 기반으로 초기 풍속형상 모델과 필터함수를 적용하여 풍력 발전기의 후류를 계산하는 후류모델을 보정하는 방법으로서, 초기 풍속형상 모델은 하기 수학식 1 및 2를 이용하여 계산되고, 필터함수는 하기 수학식 2 및 3을 이용하여 계산된다.The wake model correction method of the wind power generator according to the present invention for achieving the above object is to correct the wake model for calculating the wake of the wind generator by applying the initial wind speed model and the filter function based on the Navier Stokes equation. As a method, the initial wind speed shape model is calculated using Equations 1 and 2, and the filter function is calculated using Equations 2 and 3 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018075274503-pat00001
Figure 112018075274503-pat00001

[수학식 2] [Equation 2]

Figure 112018075274503-pat00002
Figure 112018075274503-pat00002

[수학식 3] [Equation 3]

Figure 112018075274503-pat00003
Figure 112018075274503-pat00003

본 발명에 따르면, 풍력 발전기의 후류모델에 의한 후류예측 정확도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 풍력 발전단지 연간발전량 예측, 풍력 발전단지 운영제어 기법 구축, 풍력 발전단지 시뮬레이션 등에 적극적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.According to the present invention, the wake prediction accuracy by the wake model of the wind generator can be improved. Therefore, the present invention is expected to be actively applied to the prediction of annual generation of wind farms, construction of wind farm operational control techniques, wind farm simulations, and the like.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 후류모델 보정방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 필터함수와 비교예에 따른 필터함수를 대비한 그래프이다.
도 3은 풍동실험에서 측정된 후류의 폭을 기준으로 실시예와 비교예의 후류측 예측 결과를 비교한 그래프이다.
도 4는 풍동실험에서 측정된 후류영역 내 평균 풍속 저감도(Deficit)를 기준으로 실시예와 비교예를 비교한 그래프이다.
도 5는 풍동실험에서 하류방향과 반경방향 거리 변화에 따라 측정된 풍속 형상을 기준으로 실시예와 비교예를 비교한 그래프이다.1 is a flowchart illustrating a wake model correction method of a wind power generator according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph comparing a filter function according to an embodiment of the present invention with a filter function according to a comparative example.
3 is a graph comparing the wake prediction results of the Examples and Comparative Examples based on the width of the wake measured in the wind tunnel test.
4 is a graph comparing an example and a comparative example based on an average wind speed reduction degree in a wake region measured in a wind tunnel test.
FIG. 5 is a graph comparing an example and a comparative example based on wind speed shapes measured according to changes in downstream and radial distances in a wind tunnel test.

본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.When described in detail with reference to the accompanying drawings for the present invention. Here, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 후류모델 보정방법은 나비아 스톡스(Navier Stokes) 방정식을 기반으로 초기 풍속형상 모델과 필터함수를 적용하여 풍력 발전기의 후류를 계산하는 후류모델을 보정하는 방법으로서, 초기 풍속형상 모델은 하기 수학식 1 및 2를 이용하여 계산되고, 필터함수는 하기 수학식 2 및 3을 이용하여 계산된다. 여기서, 초기 풍속형상 모델의 적용 지점은 풍력 발전기의 하류방향으로 풍력 발전기의 회전직경의 3.6배에 해당하는 지점으로 설정될 수 있다.A wake model correction method of a wind generator according to an embodiment of the present invention is a method of correcting a wake model for calculating a wake of a wind generator by applying an initial wind speed shape model and a filter function based on a Navier Stokes equation. The initial wind speed shape model is calculated using Equations 1 and 2, and the filter function is calculated using Equations 2 and 3 below. Here, the application point of the initial wind speed model may be set to a point corresponding to 3.6 times the diameter of the rotation of the wind generator in the downstream direction of the wind generator.

Figure 112018075274503-pat00004
Figure 112018075274503-pat00004

여기서, U0은 초기 풍속형상 모델이고, DM은 초기 속도 저감도(initial velocity deficit)이며, r은 후류 중심선(wake centreline)으로부터 반경방향 거리(radial distance)이며, P1, P2, P3, P4, P5, P6은 함수 최소화 알고리즘에 기반을 두고 추출된 파라미터 값들이다.Where U 0 is the initial wind speed model, D M is the initial velocity deficit, r is the radial distance from the wake centerline, and P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , P 5 , and P 6 are extracted parameter values based on the function minimization algorithm.

초기 속도 저감도(DM)은 하기 수학식 2로부터 구해진다. 그리고, 함수 최소화 알고리즘은 최적화 알고리즘 중 하나로서, 함수 최소화 알고리즘에 기반을 두고 수행한 결과, P1은 -1.68의 파라미터 값, P2는 5.60의 파라미트 값, P3은 1.35의 파라미터 값, P4는 0.34의 파라미터 값, P5는 4.33, P6은 3.38의 파라미터 값으로 각각 추출된다.The initial speed reduction D M is obtained from the following equation. The function minimization algorithm is one of the optimization algorithms. Based on the function minimization algorithm, P 1 is a parameter value of -1.68, P 2 is a parameter value of 5.60, P 3 is a parameter value of 1.35, and P 4 is extracted as a parameter value of 0.34, P 5 is 4.33, P 6 is a parameter value of 3.38, respectively.

Figure 112018075274503-pat00005
Figure 112018075274503-pat00005

여기서, CT는 추력계수(thrust coefficient)이며, TI는 대기 난류강도(ambient turbulence intensity)이다. Where C T is the thrust coefficient and TI is the ambient turbulence intensity.

Figure 112018075274503-pat00006
Figure 112018075274503-pat00006

여기서, F는 필터함수이고, x는 풍력 발전기의 로터 직경으로 평준화된 하류방향인 축방향 거리(axial distance)이며, PF1, PF2, PF3은 함수 최소화 알고리즘에 기반을 두고 추출된 파라미터 값들이다.Where F is the filter function, x is the axial distance in the downstream direction leveled by the rotor diameter of the wind generator, and P F1 , P F2 , P F3 are the parameter values extracted based on the function minimization algorithm. admit.

앞서 언급한 바와 같이, 초기 속도 저감도(DM)는 상기 수학식 2로부터 구해진다. 함수 최소화 알고리즘에 기반을 두고 수행한 결과, PF1은 5.56의 파라미터 값, PF2는 -0.27의 파라미트 값, PF3은 0.18의 파라미터 값으로 각각 추출된다.As mentioned above, the initial speed reduction D M is obtained from Equation 2 above. Based on the function minimization algorithm, P F1 is extracted with a parameter value of 5.56, P F2 with a parameter value of -0.27, and P F3 with a parameter value of 0.18, respectively.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 풍력 발전기의 후류모델이 알고리즘(소프트웨어 프로그램) 형태로 컴퓨터에 탑재되어, 사용자로부터 추력계수(CT)와, 대기 난류강도(TI)의 값이 설정 값으로 입력되면, 상기 수학식 2에 추력계수(CT)와 대기 난류강도(TI)의 값이 대입되어 초기 속도 저감도(DM) 값이 구해진다.Therefore, as shown in FIG. 1, the wake model of the wind generator is mounted on a computer in the form of an algorithm (software program), and the values of the thrust coefficient C T and the atmospheric turbulence intensity TI are set by the user. When input, the thrust coefficient C T and the atmospheric turbulence intensity TI are substituted into Equation 2 to obtain an initial speed reduction D M.

이후, 구해진 초기 속도 저감도(DM) 값은 상기 수학식 1 및 3에 각각 대입되어, 반경방향 거리(r)에 따른 초기 풍속형상 모델(U0)이 구해지고, 풍력 발전기의 로터 직경으로 평준화된 하류방향 거리(x)에 따른 필터함수(F)이 구해진다.Subsequently, the obtained initial speed reduction value D M is substituted into Equations 1 and 3, respectively, to obtain an initial wind speed shape model U 0 according to the radial distance r, and to determine the rotor diameter of the wind generator. The filter function F according to the leveled downstream distance x is obtained.

이후, 구해진 초기 풍속형상 모델(U0)과 필터함수(F)는 풍력 발전기의 후류모델에 적용되어 풍력 발전기의 후류를 계산할 수 있게 한다. 이때, 풍력 발전기의 후류계산은 후류모델을 수치해석하는 방식으로 이루어진다.Then, the obtained initial wind speed shape model (U 0 ) and the filter function (F) is applied to the wake model of the wind generator to be able to calculate the wake of the wind generator. In this case, the wake calculation of the wind generator is performed by numerically analyzing the wake model.

예컨대, 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 풍력 발전기의 후류모델은 파라볼릭(Parabolic) RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes equations) 코드에 기반을 두고 구축된 2차원 후류모델에 해당할 수 있다. 이 후류모델은 Ainslie 와동 점성(Eddy Viscosity) 후류모델로서, 하기 수학식 4로 나타낼 수 있다.For example, the wake model of the wind generator used in one embodiment of the present invention may correspond to a two-dimensional wake model based on a parabolic Paranlic Reynolds Averaged Navier Stokes equations (RANS) code. This wake model is an Ainslie Eddy Viscosity wake model, which can be represented by Equation 4 below.

Figure 112018075274503-pat00007
Figure 112018075274503-pat00007

여기서, U는 축방향 속도(axial velocity)이고, V는 반경방향 속도(radial velocity)이며,

Figure 112018075274503-pat00008
는 레이놀즈 스트레스 (Reynolds stress)이다. 레이놀즈 스트레스 상호 상관(
Figure 112018075274503-pat00009
)는 하기 수학식 5에 의해 구해진다.Where U is the axial velocity, V is the radial velocity,
Figure 112018075274503-pat00008
Is Reynolds stress. Reynolds stress correlation
Figure 112018075274503-pat00009
) Is obtained by the following equation (5).

Figure 112018075274503-pat00010
Figure 112018075274503-pat00010

여기서,

Figure 112018075274503-pat00011
는 와동 점성(eddy viscosity)이다. 와동 점성(
Figure 112018075274503-pat00012
)은 하기 수학식 6에 의해 구해진다.here,
Figure 112018075274503-pat00011
Is the eddy viscosity. Vortex Viscosity (
Figure 112018075274503-pat00012
) Is obtained by the following equation (6).

Figure 112018075274503-pat00013
Figure 112018075274503-pat00013

여기서, b는 후류 폭(wake width)이고, UC는 후류 중심선 속도(wake centerline velocity)이며, kl은 무차원 상수(dimensionless constant)이며, KM은 운동량의 와동 확산계수(eddy diffusivity of momentum)이다. 후류 폭(b)는 하기 수학식 7에 의해 구해진다. Where b is the wake width, U C is the wake centerline velocity, k l is the dimensionless constant, and K M is the eddy diffusivity of momentum )to be. The wake width b is obtained by the following equation.

Figure 112018075274503-pat00014
Figure 112018075274503-pat00014

이와 같이, 후류모델은 기본적으로 초기 풍속형상 모델과 필터함수가 요구되는데, 기존까지 사용된 초기 풍속형상 모델은 하기 수학식 8과 같이, 풍력 발전기의 추력계수와 대기 난류강도를 이용하여 가우시안(Gaussian) 형태의 초기 풍속 형상을 도출하고, 에너지 추출로 인한 압력구배(pressure gradient) 효과를 무시하기 위해 풍력 발전기의 하류방향으로 풍력 발전기의 회전직경의 두 배에 해당되는 지점에 계산된 풍속 형상을 적용한다.As such, the wake model basically requires an initial wind speed shape model and a filter function. The previously used initial wind speed shape model is Gaussian (Gaussian) by using the thrust coefficient of the wind generator and the atmospheric turbulence intensity as shown in Equation 8 below. In order to derive the initial wind speed shape of the form and to ignore the pressure gradient effect due to energy extraction, apply the calculated wind speed shape to the point that is twice the rotation diameter of the wind generator in the downstream direction of the wind generator. do.

하지만, 기존에 사용된 초기 풍속형상 모델과 그 모델의 적용지점은, 근래에 사용되는 대형 풍력발전기(MW급 이상)의 운전특성과는 상당한 차이를 갖는 풍력 발전기 축소 모델을 이용하여 도출된 것인바, 신뢰성이 상대적으로 낮다.However, the initial wind speed model used and the application point of the model are derived from the wind generator scale model which has a considerable difference from the operation characteristics of the large wind turbine (MW class or higher) used in recent years. The reliability is relatively low.

또한, 와동이 후류의 영역과 복원력에 미치는 영향력을 모사하기 위해 사용하는 기존 필터함수도, 하기 수학식 9와 같이, 근래에 사용되는 대형 풍력발전기의 운전특성과 상당한 차이를 갖는 모델을 이용하여 구축되었기 때문에, 앞서 언급된 초기 풍속형상 모델과 동일한 문제점을 갖는다.In addition, the existing filter function used to simulate the effect of the vortex on the wake region and the restoring force is also constructed by using a model having a considerable difference from the operation characteristics of a large wind power generator used recently, as shown in Equation 9 below. As such, they have the same problems as the earlier wind speed model mentioned above.

Figure 112018075274503-pat00015
Figure 112018075274503-pat00015

Figure 112018075274503-pat00016
Figure 112018075274503-pat00016

반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 후류모델 보정방법은 상기 수학식 1과 같은 초기 풍속형상 모델(U0)을 기존 초기 풍속형상 모델과 다르게 적용하고, 상기 수학식 3과 같이 필터함수를 기존 필터함수와 달리 풍력 발전기의 추력계수와 난류강도를 추가적으로 고려하여 풍력 발전기의 운전 상태와 주변 대기상태에 따른 와동 영향력 변화를 모사하도록 적용하며, 초기 풍속형상 모델의 적용 지점을 풍력 발전기의 하류방향으로 풍력 발전기의 회전직경의 3.6배에 해당하는 지점으로 설정한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터함수는 도 2에 도시된 바와 같이, 기존 필터함수에 비해 풍력 발전기에 근접한 영역에서의 영향력을 매우 큰 폭으로 감소시키도록 설정된다.On the other hand, the wake model correction method of the wind power generator according to an embodiment of the present invention is applied to the initial wind speed shape model (U 0 ), such as the equation 1 different from the existing initial wind speed shape model, the filter as shown in equation (3) Unlike the existing filter function, the function is applied to simulate the change of vortex influence according to the operating state and ambient air condition of the wind generator by considering the thrust coefficient and turbulence intensity of the wind generator. It is set at a point corresponding to 3.6 times the diameter of the wind generator in the downstream direction. Here, the filter function according to an embodiment of the present invention is set so as to greatly reduce the influence in the region closer to the wind generator than the existing filter function, as shown in FIG.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 후류모델 보정방법은 전술한 기존 후류모델의 문제점을 해결함으로써, 실제 대형 풍력발전기와 유사한 동작특성을 갖는 풍력 발전기의 후류와 유사한 후류를 예측할 수 있는 모델을 제시하여, 후류예측 정확도를 향상시킬 수 있게 한다.Therefore, the wake model correction method of the wind generator according to an embodiment of the present invention solves the problems of the conventional wake model described above, and can predict the wake similar to the wake of the wind generator having an operation characteristic similar to the actual large wind power generator. By presenting the model, it is possible to improve the wake prediction accuracy.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 효과는 도 3 내지 도 5에 나타낸 그래프들을 통해 확인해볼 수 있다. 여기서, 풍동실험에 사용된 풍력 발전기 축소모델의 회전직경은 약 2m이며 최적 운전을 위한 선단속도비(Tip Speed Ratio, TSR)가 근래의 대형 풍력 발전기와 매우 유사한 7.6이다. 그리고, 풍력 발전기 축소모델은 국제 논문집과 박사학위 논문(Campagnolo F., Wind tunnel testing of scaled wind turbine models: Aerodynamics and Beyond, Ph.D thesis, Politechnico di)을 통해 검증된 모델이다.On the other hand, the effect according to the embodiment of the present invention can be confirmed through the graphs shown in Figs. Here, the rotation diameter of the wind generator scale model used in the wind tunnel test is about 2m, and the tip speed ratio (TSR) for optimum operation is 7.6, which is very similar to the recent large wind generators. The wind generator scale model has been validated through international papers and doctoral thesis (Campagnolo F., Wind tunnel testing of scaled wind turbine models: Aerodynamics and Beyond, Ph.D thesis, Politechnico di).

비교예는 상기 수학식 8에 따른 초기 풍속형상 모델과 수학식 9에 따른 필터함수가 사용되고, 초기 풍속형상 모델의 적용 지점이 풍력 발전기의 하류방향으로 풍력 발전기의 회전직경의 2배에 해당하는 지점으로 설정된다.In the comparative example, the initial wind speed shape model according to Equation 8 and the filter function according to Equation 9 are used, and the application point of the initial wind speed shape model corresponds to twice the rotation diameter of the wind power generator in the downstream direction of the wind power generator. Is set.

도 3은 풍동실험에서 측정된 후류의 폭을 기준으로 실시예와 비교예의 후류측 예측 결과를 비교한 그래프이다. 도 3에서 알 수 있듯이, 실시예는 비교예에 비해 후류 폭 예측에 매우 높은 정확도를 보여준다. 또한, 풍력 발전기의 운전점 변화((a): 정격풍속 이전구간(Below Rated Case), (b): 정격풍속 이후 구간(Above Rated Case)에 상관 없이 상대적인 정확도가 매우 높게 유지됨을 확인할 수 있다.Figure 3 is a graph comparing the wake prediction results of the Example and Comparative Example based on the width of the wake measured in the wind tunnel experiment. As can be seen in FIG. 3, the example shows very high accuracy in the wake width prediction compared to the comparative example. In addition, it can be seen that the relative accuracy is maintained very high regardless of the operating point change of the wind generator ((a): before the rated wind speed (Below Rated Case), (b): after the rated wind speed (Above Rated Case).

도 4는 풍동실험에서 측정된 후류영역 내 평균 풍속 저감도(Deficit)를 기준으로 실시예와 비교예를 비교한 그래프이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 실시예는 비교예에 비해, 풍력 발전기의 운전점 변화((a): 정격풍속 이전구간(Below Rated Case), (b): 정격풍속 이후 구간(Above Rated Case)에 상관 없이 상대적인 정확도가 크게 향상됨을 보여준다.FIG. 4 is a graph comparing an example and a comparative example based on an average wind speed reduction degree in a wake region measured in a wind tunnel test. As can be seen in Figure 4, the embodiment is compared to the comparative example, the operating point change of the wind generator ((a): before the rated wind speed (Below Rated Case), (b): after the rated wind speed (Above Rated Case) Regardless, the relative accuracy is greatly improved.

도 5는 풍동실험에서 하류방향과 반경방향 거리 변화에 따라 측정된 풍속 형상을 기준으로 실시예와 비교예를 비교한 그래프이다. 도 5에서 알 수 있듯이, 압력구배로 인한 현상 즉, 더블딥(double dip) 현상은 풍력 발전기의 운전점 변화((a): 정격풍속 이전구간(Below Rated Case), (b): 정격풍속 이후 구간(Above Rated Case)에 상관 없이, 풍력 발전기 회전직경의 약 3.1배에 해당하는 지점까지 유지된다. 따라서, 본 발명의 실시예는 압력구배로 인한 현상을 확실히 무시하기 위하여 회전직경의 3.6배에 해당되는 지점에 적용되므로, 실제 후류와 매우 유사하다는 점을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 후류영역의 확장성, 복원력에 영향을 미쳐 기존 후류모델에 비해, 정확도가 30~82% 향상됨을 확인할 수 있었다.FIG. 5 is a graph comparing an example and a comparative example based on wind speed shapes measured according to changes in downstream and radial distances in a wind tunnel test. As can be seen in Figure 5, the phenomenon due to the pressure gradient, that is, double dip (double dip) phenomenon is the operating point change of the wind generator ((a): before the rated wind speed (Below Rated Case), (b): after the rated wind speed Regardless of the Abbed Case, it is maintained to a point corresponding to about 3.1 times the rotational diameter of the wind generator, so that the embodiment of the present invention can be used at 3.6 times the rotational diameter to reliably ignore the phenomenon caused by the pressure gradient. It can be confirmed that it is very similar to the actual wake since it is applied to the corresponding point.In addition, according to the embodiment of the present invention, the scalability and the restoring force of the wake area are affected, so that the accuracy is 30 ~ 82% improvement was confirmed.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Could be. Accordingly, the true scope of protection of the invention should be defined only by the appended claims.

Claims (2)

컴퓨터가 나비아 스톡스(Navier Stokes) 방정식을 기반으로 초기 풍속형상 모델과 필터함수를 적용하여 풍력 발전기의 후류를 계산하는 후류모델을 보정하는 방법으로서,
컴퓨터가 추력계수와 대기 난류강도를 입력 받으면 하기 수학식 2를 이용하여 초기 속도 저감도를 구하는 단계;
컴퓨터가 상기 구해진 초기 속도 저감도를 하기 수학식 1 및 3에 각각 적용하여 초기 풍속형상 모델과 필터함수를 구하는 단계; 및
컴퓨터가 상기 입력된 추력계수와 대기 난류강도를 상기 수학식 7에 적용하여 후류 폭(wake width)을 구하고, 상기 구해진 후류 폭과 함께 상기 구해진 초기 풍속형상 모델과 필터함수를 하기 수학식 6에 적용하여 와동 점성(eddy viscosity)을 구하며, 상기 구해진 와동 점성을 상기 수학식 5에 적용하여 레이놀즈 스트레스(Reynolds stress)를 구하며, 상기 구해진 레이놀즈 스트레스를 하기 수학식 4을 기반으로 하는 풍력 발전기의 후류모델에 적용하여, 후류모델을 보정하는 단계;
를 포함하는 풍력 발전기의 후류모델 보정방법.
[수학식 1]
Figure 112019106060782-pat00017

여기서, U0은 초기 풍속형상 모델이고, r은 후류 중심선(wake centreline)으로부터 반경방향 거리(radial distance)이며, DM은 초기 속도 저감도(initial velocity deficit)이며, P1, P2, P3, P4, P5, P6은 함수 최소화 알고리즘에 기반을 두고 추출된 파라미터 값들이다.
[수학식 2]
Figure 112019106060782-pat00018

여기서, CT는 추력계수이며, TI는 대기 난류강도이다.
[수학식 3]
Figure 112019106060782-pat00019

여기서, F는 필터함수이고, x는 풍력 발전기의 로터 직경으로 평준화된 하류방향인 축방향 거리(axial distance)이며, PF1, PF2, PF3은 함수 최소화 알고리즘에 기반을 두고 추출된 파라미터 값들이다.
[수학식 4]
Figure 112019106060782-pat00028

여기서, U는 축방향 속도(axial velocity)이고, V는 반경방향 속도(radial velocity)이며,
Figure 112019106060782-pat00029
는 레이놀즈 스트레스 (Reynolds stress)이다.
[수학식 5]
Figure 112019106060782-pat00030

여기서,
Figure 112019106060782-pat00031
는 와동 점성(eddy viscosity)이다.
[수학식 6]
Figure 112019106060782-pat00032

여기서, b는 후류 폭(wake width)이고, UC는 후류 중심선 속도(wake centerline velocity)이며, kl은 무차원 상수(dimensionless constant)이며, KM은 운동량의 와동 확산계수(eddy diffusivity of momentum)이다.
[수학식 7]
Figure 112019106060782-pat00033

A computer-corrected wake model that calculates the wake of a wind generator by applying an initial wind speed model and a filter function based on the Navier Stokes equation.
Obtaining an initial speed reduction using Equation 2 below when the computer receives the thrust coefficient and the atmospheric turbulence intensity;
Calculating an initial wind speed shape model and a filter function by applying the initial speed reduction obtained by the computer to Equations 1 and 3, respectively; And
The computer applies the input thrust coefficient and the atmospheric turbulence intensity to Equation 7 to obtain a wake width, and applies the calculated initial wind speed shape model and the filter function together with the obtained wake width to Equation 6 below. To obtain the eddy viscosity, to obtain the Reynolds stress by applying the obtained eddy viscosity to the equation (5), and to the wake model of the wind generator based on the obtained Reynolds stress Applying, to correct the wake model;
Wake model correction method of the wind turbine comprising a.
[Equation 1]
Figure 112019106060782-pat00017

Where U 0 is the initial wind speed model, r is the radial distance from the wake centerline, D M is the initial velocity deficit, and P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , P 5 , and P 6 are extracted parameter values based on the function minimization algorithm.
[Equation 2]
Figure 112019106060782-pat00018

Where C T is the thrust factor and TI is the atmospheric turbulence intensity.
[Equation 3]
Figure 112019106060782-pat00019

Where F is the filter function, x is the axial distance in the downstream direction leveled by the rotor diameter of the wind generator, and P F1 , P F2 , P F3 are the parameter values extracted based on the function minimization algorithm. admit.
[Equation 4]
Figure 112019106060782-pat00028

Where U is the axial velocity, V is the radial velocity,
Figure 112019106060782-pat00029
Is Reynolds stress.
[Equation 5]
Figure 112019106060782-pat00030

here,
Figure 112019106060782-pat00031
Is the eddy viscosity.
[Equation 6]
Figure 112019106060782-pat00032

Where b is the wake width, U C is the wake centerline velocity, k l is the dimensionless constant, and K M is the eddy diffusivity of momentum )to be.
[Equation 7]
Figure 112019106060782-pat00033

 제1항에 있어서,
상기 초기 풍속형상 모델의 적용 지점은 풍력 발전기의 하류방향으로 풍력 발전기의 회전직경의 3.6배에 해당하는 지점으로 설정된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 후류모델 보정방법.The method of claim 1,
The application point of the initial wind speed shape model is a downstream model of the wind turbine generator, characterized in that it is set to a point corresponding to 3.6 times the diameter of the rotation of the wind generator in the downstream direction of the wind generator.
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