本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的計(jì)算方法,具體涉及一種采用風(fēng)速衰減因子的風(fēng)電場尾流確定方法。
背景技術(shù):
隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展,以及風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中比重的持續(xù)增加,大型風(fēng)電場通常由幾百臺甚至上千臺風(fēng)電機(jī)組組成。為準(zhǔn)確分析風(fēng)電場的發(fā)電能力及對下游風(fēng)機(jī)的影響,風(fēng)機(jī)的尾流計(jì)算越來越受到關(guān)注。
風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)是指風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機(jī)后,由于風(fēng)輪吸收了部分風(fēng)能,風(fēng)機(jī)下游風(fēng)速會出現(xiàn)一定程度的突變減?。浑S著風(fēng)向下游流動,在湍流混合作用下尾流影響范圍不斷擴(kuò)大,而風(fēng)速逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象。尾流效應(yīng)對風(fēng)速的影響與風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、風(fēng)電機(jī)組排布、風(fēng)電場地形特點(diǎn)、風(fēng)特性等因素有關(guān),一般來說,尾流效應(yīng)帶來的風(fēng)電場年發(fā)電量損失大約在2%-20%之間。此外,尾流效應(yīng)還會引起湍流的增加,降低下游風(fēng)機(jī)的壽命。
尾流模型是描述風(fēng)力機(jī)尾流結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,用于計(jì)算風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)域的風(fēng)速分布。現(xiàn)有的尾流模型均為單機(jī)模型,其中jensen模型、larsen模型應(yīng)用較為廣泛。riso實(shí)驗(yàn)室的n.o.jensen基于理想風(fēng)力機(jī)一維動量理論提出了適用于平坦地形的尾流模型。g.c.larsen提出了一種基于普朗特湍流邊界層方程的漸近式,該模型是歐洲風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)ii的推薦尾流模型。
在風(fēng)電場尾流計(jì)算方面,由于風(fēng)場規(guī)模一般不大,國外對于風(fēng)機(jī)尾流疊加效應(yīng)的研究較少。歷史上,受計(jì)算條件的限制,國外出現(xiàn)了一些簡化計(jì)算方法,如平方求和法、能量平衡法、幾何求和法等。這些方法算法較為復(fù)雜,且將計(jì)算目標(biāo)鎖定在風(fēng)機(jī)位置處,因而不適用于風(fēng)電場全區(qū)域的尾流計(jì)算。近年來,隨著我國風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大,也出現(xiàn)了一些風(fēng)電場的尾流計(jì)算方法。1)有的方法根據(jù)上游風(fēng)機(jī)之間是否存在二次作用,分類建立模型。此類方法較為復(fù)雜,并僅能適用于特定的風(fēng)機(jī)布局,且如果風(fēng)向發(fā)生變化,原模型不再適用。2)有的方法采用動量守恒定理,建立風(fēng)機(jī)動量吸收模型和下游動量補(bǔ)償模型。此類方法的問題在于,尾流風(fēng)速受到旋轉(zhuǎn)葉片的攪動作用,是多種要素綜合作用的結(jié)果,不是單一的動量平衡能模擬的;此外,其模型的有效性尚未得到驗(yàn)證。
此外,由于傳統(tǒng)的單機(jī)尾流模型都是根據(jù)上游風(fēng)速計(jì)算下游風(fēng)速,因而計(jì)算多臺風(fēng)機(jī)的尾流風(fēng)速時(shí),必須按照風(fēng)速流經(jīng)風(fēng)機(jī)的順序進(jìn)行計(jì)算。但風(fēng)機(jī)之間的尾流影響關(guān)系較為復(fù)雜, 有的風(fēng)機(jī)尾流覆蓋下游多臺風(fēng)機(jī),有的風(fēng)機(jī)處于上游多臺風(fēng)機(jī)的尾流影響區(qū)內(nèi)。此外,隨著風(fēng)向的變化,風(fēng)機(jī)的相關(guān)性也發(fā)生變化。因而,已有的尾流疊加效應(yīng)計(jì)算方法一般存在計(jì)算方案復(fù)雜、靈活性差、對尾流影響重復(fù)/遺漏計(jì)算等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足,本發(fā)明的目的是提供一種采用風(fēng)速衰減因子的風(fēng)電場尾流確定方法,該方法提出了風(fēng)速衰減因子概念,采用風(fēng)速比進(jìn)行計(jì)算,由于核心計(jì)算過程中無需考慮來流風(fēng)速,從而使風(fēng)機(jī)可按照任意順序進(jìn)行計(jì)算,不會出現(xiàn)重復(fù)計(jì)算、遺漏計(jì)算等問題。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明提供一種采用風(fēng)速衰減因子的風(fēng)電場尾流確定方法,其改進(jìn)之處在于,所述方法包括下述步驟:
1)建立風(fēng)速衰減因子計(jì)算公式;
2)確定每臺風(fēng)機(jī)的尾流區(qū)域與尾流區(qū)域內(nèi)全部格點(diǎn)的風(fēng)速衰減因子;
3)確定風(fēng)電場的風(fēng)速衰減因子;
4)確定風(fēng)電場的尾流風(fēng)速。
進(jìn)一步地,所述步驟1)中,基于風(fēng)電機(jī)組尾流模型來建立風(fēng)速衰減因子計(jì)算模型,定義風(fēng)速衰減因子vr如下:對于單臺風(fēng)機(jī),其風(fēng)電機(jī)組尾流模型計(jì)算風(fēng)速與未受尾流影響的來流風(fēng)速之比,有0≤vr≤1,其計(jì)算公式如下:
對于風(fēng)電機(jī)組jensen尾流模型不考慮y參數(shù)的模型,公式簡化為下式:
采用風(fēng)速衰減因子vr后,風(fēng)電機(jī)組jensen尾流模型轉(zhuǎn)化為下式:
r(x)=r0+kx
風(fēng)電機(jī)組larsen尾流模型轉(zhuǎn)化為下式:
式中:x:計(jì)算點(diǎn)到風(fēng)機(jī)葉輪平面的垂直距離,且x≥0;y:計(jì)算點(diǎn)到風(fēng)機(jī)軸線的垂直距離,且y≤r(x);v0:來流風(fēng)速,未受尾流影響區(qū)域的平均風(fēng)速;r0:風(fēng)機(jī)輪轂半徑;k:尾流擴(kuò)張系數(shù);ct:風(fēng)機(jī)推力系數(shù);a:風(fēng)機(jī)葉輪的掃風(fēng)面積;c1:為一無量綱值;v(x,y):風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)域內(nèi),與風(fēng)機(jī)葉輪平面距離為x,與風(fēng)機(jī)軸線距離為y的點(diǎn)位處的風(fēng)速;r(x):風(fēng)機(jī)下風(fēng)向,與風(fēng)機(jī)葉輪平面距離為x的平行平面中,風(fēng)機(jī)尾流擴(kuò)張半徑;vr(x):風(fēng)機(jī)下風(fēng)向,與風(fēng)機(jī)葉輪平面距離為x的平行平面中,尾流擴(kuò)張半徑內(nèi)的風(fēng)速衰減因子,適用于jensen模型;vr(x,y)表示尾流影響區(qū)內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)的風(fēng)速衰減因子,適用于larsen模型。
進(jìn)一步地,所述步驟2)包括下述步驟:
a、針對計(jì)算風(fēng)電場,確定計(jì)算范圍,即風(fēng)電場及尾流影響的區(qū)域,劃分計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn);
b、針對每臺風(fēng)機(jī),采用風(fēng)速衰減因子公式1或公式2計(jì)算該風(fēng)機(jī)的尾流影響區(qū)域r(x)及尾流影響區(qū)內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)的風(fēng)速衰減因子vr(x,y);
c、設(shè)#1風(fēng)機(jī)在任意格點(diǎn)p(x0,y0)處產(chǎn)生的風(fēng)速衰減因子為vr,1,判斷格點(diǎn)p是否處于#1風(fēng)機(jī)的尾流區(qū)域內(nèi):如果格點(diǎn)p(x0,y0)處于尾流影響區(qū)內(nèi),則#1風(fēng)機(jī)在格點(diǎn)p(x0,y0)處的風(fēng)速衰減因子為vr,1=vr(x0,y0);如果格點(diǎn)p(x0,y0)超出尾流影響區(qū),則vr,1=1;vr,1:#1風(fēng)機(jī)在格點(diǎn)p處的風(fēng)速衰減因子。
進(jìn)一步地,所述步驟3)包括下述步驟:
<1>針對風(fēng)電場內(nèi)的每臺風(fēng)機(jī),逐一計(jì)算其尾流區(qū)域的范圍和區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速衰減因子;由此可知任意格點(diǎn)p處,每臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)速衰減因子vr,1,vr,2,…,vr,n;
<2>多臺風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)疊加后,格點(diǎn)p處的總風(fēng)速衰減因子為各風(fēng)機(jī)的風(fēng)速衰減因子之乘積,即:vr=vr,1×vr,2…×vr,n。
進(jìn)一步地,所述步驟4)包括:設(shè)風(fēng)電場的來流風(fēng)速v0,每個(gè)格點(diǎn)處的尾流風(fēng)速v等于來流風(fēng)速v0與該格點(diǎn)處總風(fēng)速衰減因子vr之乘積,即:v=v0×vr。
與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是:
本方法提出了風(fēng)速衰減因子概念,采用風(fēng)速比進(jìn)行計(jì)算,因而具有以下優(yōu)點(diǎn):
1.本方法物理意義明確,方法簡單、統(tǒng)一,無需建立各種復(fù)雜的計(jì)算模型,適用于各種單機(jī)尾流模型、各種風(fēng)機(jī)布局、各種風(fēng)向條件。
2.本方法的核心計(jì)算中無需考慮來流風(fēng)速的大小,得到整個(gè)區(qū)域的風(fēng)速衰減因子后才引入來流風(fēng)速,因而對于不同的來流風(fēng)速只需進(jìn)行一次核心計(jì)算。
3.由于核心計(jì)算中沒有來流風(fēng)速,因而風(fēng)機(jī)可按照任意順序進(jìn)行計(jì)算,無需考慮風(fēng)速流經(jīng)風(fēng)機(jī)的順序,因而不會出現(xiàn)重復(fù)計(jì)算、遺漏計(jì)算等問題。
4.本方法可覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域,得到區(qū)域內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)的風(fēng)速值。通過調(diào)整計(jì)算網(wǎng)格的大小,可以適應(yīng)各類計(jì)算需求與計(jì)算條件。
附圖說明
圖1是本發(fā)明提供的jensen尾流模型示意圖;
圖2是本發(fā)明提供的larsen尾流模型示意圖;
圖3是本發(fā)明提供的風(fēng)機(jī)尾流風(fēng)速衰減因子示意圖;
圖4是本發(fā)明提供的兩臺風(fēng)機(jī)的尾流疊加影響示意圖;
圖5是本發(fā)明提供的風(fēng)電場多臺風(fēng)機(jī)尾流疊加效應(yīng)的計(jì)算流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案,以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實(shí)施例僅代表可能的變化。除非明確要求,否則單獨(dú)的組件和功能是可選的,并且操作的順序可以變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本發(fā)明的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個(gè)范圍,以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中,本發(fā)明的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語“發(fā)明”來表示,這僅僅是為了方便,并且如果事實(shí)上公開了超過一個(gè)的發(fā)明,不是要自動地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個(gè)發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。
本發(fā)明提供的方法以廣泛使用的jensen、larsen尾流模型為例,說明采用風(fēng)速衰減因子計(jì)算風(fēng)電場尾流的方法,技術(shù)方案如下:
1)基于傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組尾流模型,建立風(fēng)速衰減因子計(jì)算公式
風(fēng)機(jī)尾流模型是描述風(fēng)電機(jī)組尾流結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,用于計(jì)算風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)域的風(fēng)速分布。風(fēng)機(jī)尾流模型有多種類型,其中半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P途哂薪Y(jié)構(gòu)相對簡單、計(jì)算精度較高、計(jì)算時(shí)間較短等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用。這里以jensen尾流模型、larsen尾流模型為例,介紹半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷挠?jì)算方法。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件選擇合適的單機(jī)尾流計(jì)算模型。
尾流模型一:jensen模型:
jensen模型是最簡單、使用最為廣泛的尾流模型,其假定尾流直徑線性擴(kuò)張。該模型將風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)域切割成與葉輪面平行的平面,設(shè)風(fēng)機(jī)葉輪平面t,計(jì)算平面為s,s到t的距離為x,則平面s內(nèi)的風(fēng)速均一,且是與x相關(guān)的函數(shù),jensen模型如圖1所示。
根據(jù)jensen模型,針對任意t-s平面距離x,可計(jì)算尾流影響半徑r(x),及s平面內(nèi)風(fēng)速v(x),公式如下:
r(x)=r0+kx
式中:
r0:風(fēng)機(jī)輪轂半徑;
ct:風(fēng)機(jī)推力系數(shù);
k:尾流擴(kuò)張系數(shù);
v0:來流風(fēng)速,未受尾流影響區(qū)域的平均風(fēng)速;
x:計(jì)算平面到風(fēng)機(jī)葉輪平面的距離,且x≥0;
r(x):風(fēng)機(jī)下風(fēng)向,與風(fēng)機(jī)葉輪平面距離為x的平行平面中,風(fēng)機(jī)尾流擴(kuò)張半徑;
v(x):風(fēng)機(jī)下風(fēng)向,與風(fēng)機(jī)葉輪平面距離為x的平行平面中,尾流擴(kuò)張半徑內(nèi)的風(fēng)速。
尾流模型二:larsen模型
larsen模型基于普朗特湍流邊界層方程的漸近表達(dá)式,也是一種廣泛使用的尾流模型。該模型假定下風(fēng)向不同位置的風(fēng)速衰減具有相似性,但與葉輪平面平行的平面內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速并不相同。設(shè)計(jì)算點(diǎn)p到風(fēng)機(jī)葉輪平面t的垂直距離為x,到風(fēng)機(jī)葉輪軸線的垂直距離為y, 則p點(diǎn)的風(fēng)速是與x、y相關(guān)的函數(shù),larsen模型如圖2所示。
根據(jù)larsen模型,可計(jì)算p點(diǎn)的風(fēng)速v(x,y),及p點(diǎn)所處垂直平面內(nèi)的尾流影響半徑r(x),公式如下:
式中:
r0、ct、v0、r(x):含義同jensen模型公式說明;
a:風(fēng)機(jī)葉輪的掃風(fēng)面積;
c1:為一無量綱值;
x:計(jì)算點(diǎn)到風(fēng)機(jī)葉輪平面的垂直距離,且x≥0;
y:計(jì)算點(diǎn)到風(fēng)機(jī)軸線的垂直距離,且y≤r(x);
v(x,y):風(fēng)機(jī)下風(fēng)向尾流區(qū)域內(nèi),與風(fēng)機(jī)葉輪平面距離為x,與風(fēng)機(jī)軸線距離為y的點(diǎn)位處的風(fēng)速。
在單機(jī)尾流模型的基礎(chǔ)上,本發(fā)明提出了風(fēng)速衰減因子法的風(fēng)電場尾流計(jì)算方法。風(fēng)速衰減因子vr定義如下:對于單臺風(fēng)機(jī),其尾流區(qū)域的模型計(jì)算風(fēng)速與未受尾流影響的來流風(fēng)速之比,有0≤vr≤1,其計(jì)算公式如下:
以上為vr計(jì)算公式的完整形式。對于jensen等不考慮y參數(shù)的模型,公式可簡化為
采用風(fēng)速衰減因子vr后,風(fēng)電機(jī)組jensen尾流模型轉(zhuǎn)化為:
r(x)=r0+kx
風(fēng)電機(jī)組larsen尾流模型轉(zhuǎn)化為:
以上計(jì)算公式中均不含v0項(xiàng),說明采用vr后風(fēng)電場尾流計(jì)算中可暫時(shí)不考慮來流風(fēng)速的大小。vr(x):風(fēng)機(jī)下風(fēng)向,與風(fēng)機(jī)葉輪平面距離為x的平行平面中,尾流擴(kuò)張半徑內(nèi)的風(fēng)速衰減因子,適用于jensen模型;vr(x,y)表示尾流影響區(qū)內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)的風(fēng)速衰減因子,適用于larsen模型。
2)計(jì)算每臺風(fēng)機(jī)的尾流區(qū)域與尾流區(qū)域內(nèi)全部格點(diǎn)的風(fēng)速衰減因子
接下來,可計(jì)算單臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)速衰減因子。恰當(dāng)建立坐標(biāo)系,保證坐標(biāo)系x軸與來流風(fēng)向一致,坐標(biāo)系原點(diǎn)o取風(fēng)機(jī)中心點(diǎn),如下圖所示。在此基礎(chǔ)上,采用風(fēng)速衰減因子計(jì)算公式,計(jì)算1)風(fēng)機(jī)尾流區(qū)域的范圍,2)尾流區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的vr。vr計(jì)算公式中,x、y為位置參數(shù),決定了不同位置處vr的相對大??;r0等其它參數(shù)為風(fēng)機(jī)參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一旦風(fēng)機(jī)及局地條件確定,這些參數(shù)即為定值。以圖3中p點(diǎn)為例,說明風(fēng)速衰減因子vr計(jì)算步驟:
a、根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)等,確定r0等其它參數(shù);
b、確定p點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0),且x0≥0;
c、將x0帶入尾流影響半徑計(jì)算公式,計(jì)算r(x0);
d、將x0、y0帶入風(fēng)速衰減因子計(jì)算公式,且y0≤r(x0),計(jì)算vr(x0,y0)。
3)每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)格點(diǎn)的風(fēng)速衰減因子相乘,得到風(fēng)電場的風(fēng)速衰減因子
研究風(fēng)電場的尾流,需要計(jì)算多臺風(fēng)機(jī)尾流的疊合效應(yīng)。如果研究點(diǎn)p處于#1風(fēng)機(jī)的尾流影響區(qū),則p點(diǎn)風(fēng)速降低,衰減后風(fēng)速與來流風(fēng)速之比為vr,1;如果p點(diǎn)同時(shí)處于#2風(fēng)機(jī)的尾流影響區(qū),則風(fēng)速進(jìn)一步降低,衰減后風(fēng)速與受#1風(fēng)機(jī)影響后的風(fēng)速之比為vr,2??紤] 兩臺風(fēng)機(jī)的組合效益,p點(diǎn)處的衰減后風(fēng)速與來流風(fēng)速之比為vr=vr,1×vr,2,如圖4所示。
以此類推,如果p點(diǎn)處于n臺風(fēng)機(jī)的尾流影響區(qū),則p點(diǎn)處的風(fēng)速衰減因子計(jì)算公式如下:
vr=vr,1×vr,2…×vr,n
針對多臺風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)電場,以格點(diǎn)p點(diǎn)為例,說明風(fēng)電場的風(fēng)速衰減因子的計(jì)算方法如下:
<1>首先,確定計(jì)算范圍(風(fēng)電場及尾流可能影響的區(qū)域),劃分計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)。
<2>建立單臺風(fēng)機(jī)尾流的風(fēng)速衰減因子計(jì)算公式r(x)、vr(x,y)。
<3>計(jì)算#1風(fēng)機(jī)的尾流影響區(qū)域r(x),及尾流影響區(qū)內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)的風(fēng)速衰減因vr(x,y)。對于任意格點(diǎn)p(x0,y0),判斷其是否處于尾流區(qū)域內(nèi):如果p處于尾流影響區(qū)內(nèi),則#1風(fēng)機(jī)在p處造成的風(fēng)速衰減因子為vr,1=vr(x0,y0);如果p超出尾流影響區(qū),則vr,1=1。vr,1:#1風(fēng)機(jī)在格點(diǎn)p處的風(fēng)速衰減因子。
<4>以此類推,計(jì)算其它風(fēng)機(jī)在格點(diǎn)p處的風(fēng)速衰減因子vr,n;
<5>多臺風(fēng)機(jī)尾流疊加,格點(diǎn)p處的風(fēng)速衰減因子vr=vr,1×vr,2…×vr,n。
4)風(fēng)電場風(fēng)速衰減因子與來流風(fēng)速相乘,得到風(fēng)電場的風(fēng)速值:
設(shè)風(fēng)電場來流風(fēng)速v0,每個(gè)格點(diǎn)處的衰減后風(fēng)速v等于來流風(fēng)速v0與該格點(diǎn)處總風(fēng)速衰減因子vr之乘積,即:v=v0×vr。
至此,實(shí)現(xiàn)了考慮多臺風(fēng)機(jī)尾流疊加效應(yīng),計(jì)算風(fēng)電場的尾流分布,計(jì)算流程如圖5所示。
本發(fā)明提供的方法物理意義明確,方法簡單、統(tǒng)一,無需建立各種復(fù)雜的模型,適用于各種單機(jī)尾流模型、各種風(fēng)機(jī)布局、各種風(fēng)向條件。此外,本發(fā)明提供的方法可覆蓋全部計(jì)算區(qū)域,通過調(diào)整計(jì)算網(wǎng)格的大小,可以適應(yīng)各類計(jì)算需求與計(jì)算條件。
以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制,盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明,所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換,這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換,均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。