本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電技術(shù)領域的計算方法，具體涉及一種用于不同風向角的風電機組尾流確定方法。

背景技術(shù)：

隨著風電技術(shù)的快速發(fā)展，以及風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中比重的持續(xù)增加，大型風電場通常由幾百臺甚至上千臺風電機組組成。為準確分析風電場的發(fā)電能力及對下游風機的影響，風機的尾流計算越來越受到關注。

風機的尾流效應是指風經(jīng)過風機后，由于風輪吸收了部分風能，風機下游風速會出現(xiàn)一定程度的突變減??；隨著風向下游流動，在湍流混合作用下尾流影響范圍不斷擴大，而風速逐漸恢復的現(xiàn)象。尾流效應對風速的影響與風電機組的風能轉(zhuǎn)換效率、風電機組排布、風電場地形特點、風特性等因素有關，一般來說，尾流效應帶來的風電場年發(fā)電量損失大約在2％-20％之間。此外，尾流效應還會引起湍流的增加，降低下游風機的壽命。

早期對尾流效應的研究主要為實驗研究，包括風洞實驗與風場實測。著名的風洞實驗如2000-2005年荷蘭能源研究中心(ecn)的dnw實驗。著名的風場測試如tjaereborg、nibe和sexbierum測試。這些研究通過測量尾流區(qū)域的風速分布，并與未受尾流影響的風速進行對比，研究尾流的影響因素與變化規(guī)律。

尾流模型是描述風力機尾流結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，用于計算風力機尾流區(qū)域的風速分布。基于試驗研究結(jié)果，人們建立了各種各樣的尾流模型，現(xiàn)有的尾流模型可以分為三大類：基于實驗總結(jié)的半經(jīng)驗模型、基于禍流理論的模型、基于n-s方程的cfd模型。渦流模型與cfd模型雖然在汁算精度上較高，但其對計算資源的要求很高，尤其是用于風場微觀選址優(yōu)化計算與風電場集群功率預報時，冗長的計算時間是工程應用所不能接受的。這使得半經(jīng)驗模型被廣泛應用，半經(jīng)驗模型具有結(jié)構(gòu)相對簡單、計算精度較高、計算時間較短等優(yōu)點，非常適合在風場微觀選址優(yōu)化計算與風電場集群功率預報時使用。半經(jīng)驗模型中，jensen模型、larsen模型應用較為廣泛。riso實驗室的n.o.jensen基于理想風力機一維動量理論提出了適用于平坦地形的尾流模型，該模型是商用風場與風資源計算軟件wasp、windpro、windfarm的尾流模型基礎。g.c.larsen假定下風向不同位置的風速衰減具有相似性，并且風速只會發(fā)生中等程度的衰減，提出了一種基于普朗特湍流邊界層方程的漸近式，該模型被廣泛使用，也是 歐洲風電機組標準ii(europeanwindturbinestandardsii)的推薦尾流模型。

以上尾流模型均假設計算坐標系的x軸與來流風向一致，當風向偏轉(zhuǎn)時，坐標系必須隨著風向一同偏轉(zhuǎn)才能進行計算。對于單臺風機，由于風機葉輪可實時偏航，能保證風機軸線與風向一致，滿足模型的假設條件。但要計算風機間的尾流影響或風電場的尾流效應，特別是需要對比不同風向等條件下的尾流影響，則需要建立固定、統(tǒng)一的坐標系，此時必須考慮風向偏轉(zhuǎn)的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于不同風向角的風電機組尾流確定方法，該方法提出了一種風向偏轉(zhuǎn)條件下，風電機組尾流計算方法，可實現(xiàn)風向偏轉(zhuǎn)條件下，計算風電機組的尾流分布位置，及尾流區(qū)域內(nèi)任意點的風速值。

本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種用于不同風向角的風電機組尾流確定方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟：

1)基于實際坐標系，通過坐標旋轉(zhuǎn)，建立輔助坐標系；

2)在輔助坐標系中，采用風機尾流模型，確定風機尾流區(qū)域各點的風速；

3)通過坐標轉(zhuǎn)換，將尾流區(qū)域各點在輔助坐標系中的坐標轉(zhuǎn)換為實際坐標系中的坐標。

進一步地，所述步驟1)中，設實際坐標系為xoy，來流風向角θ，將xoy坐標系逆時針旋轉(zhuǎn)θ，形成輔助坐標系x′oy′。

進一步地，所述步驟2)中，風機尾流模型包括但不限于jensen模型和larsen模型；

所述jensen模型描述如下：設風機葉輪平面t，計算平面為s，s到t的距離為x，則平面s內(nèi)的風速均一，且是與x相關的函數(shù)，針對任意t-s平面距離x，計算尾流影響半徑r(x)及s平面內(nèi)風速v(x)，公式如下：

r(x)＝r0+kx

式中：r0：風機輪轂半徑；ct：風機推力系數(shù)；k：尾流擴張系數(shù)；v0：來流風速，未受尾流影響區(qū)域的平均風速；x：計算平面到風機葉輪平面的距離，且x≥0；r(x)：風機下 風向，與風機葉輪平面距離為x的平行平面中，風機尾流擴張半徑；v(x)：風機下風向，與風機葉輪平面距離為x的平行平面中，尾流擴張半徑內(nèi)的風速；

所述larsen模型描述如下：設計算點p到風機葉輪平面t的垂直距離為x，到風機葉輪軸線的垂直距離為y，則p點的風速是與x、y相關的函數(shù)，計算p點的風速v(x，y)及p點所處垂直平面內(nèi)的尾流影響半徑r(x)，公式如下：

式中：a：風機葉輪的掃風面積；c1：為一無量綱值；x：計算點到風機葉輪平面的垂直距離，且x≥0；y：計算點到風機軸線的垂直距離，且y≤r(x)；v(x，y)：風機下風向尾流區(qū)域內(nèi)，與風機葉輪平面距離為x，與風機軸線距離為v的點位處的風速；

在輔助坐標系x′oy′中，風向與x′軸一致，符合無風向偏轉(zhuǎn)條件；采用風機尾流模型，確定尾流區(qū)域內(nèi)任意點p(x0，y0)對應的尾流影響半徑r(x0)與尾流風速v(x0)或v(x0，y0)。

進一步地，所述步驟3)中，已知p點風速及在輔助坐標系中的坐標(x0，y0)，根據(jù)夾角關系β＝α+θ，計算p點在實際坐標系中的坐標(x1，y1)，包括如下步驟：

(1)計算坐標原點與p點的連線長r：

(2)如果r＝0，則x1＝x0、y1＝y(tǒng)0；否則進入下一步計算；

(3)計算坐標原點與p點的連線與x′軸夾角α：

(4)計算坐標原點與p點的連線與x軸夾角β：β＝α+θ；

(5)計算p點(p點的坐標在輔助坐標系x′oy′中為p(x0，y0)，在實際坐標系xoy中為p(x1，y1))在坐標系xoy中的坐標：

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：

本方法是風電機組尾流模型的精細化研究。傳統(tǒng)的風電機組尾流模型僅適用于來流風速與坐標系的x軸一致的情況，對于風電場尾流計算等需要考慮來流風向偏轉(zhuǎn)的情況，無法進行計算。

1.本方法解決了這一問題，實現(xiàn)了風向偏轉(zhuǎn)條件下，計算風電機組的尾流分布位置，及尾流區(qū)域內(nèi)任意點的風速值。

2.本方法適用于任意風向角：對0～360°風向偏轉(zhuǎn)，均可進行計算。

3.本方法適用于各種尾流模型：對jensen尾流模型、larsen尾流模型，其它尾流模型均適用。

4.本方法可用于計算風電場尾流效應：由于傳統(tǒng)尾流模型的局限性，計算坐標系必須隨風向變化，因而無法采用統(tǒng)一的坐標系，計算不同風向條件下風電場的尾流疊加效應。本發(fā)明方法可用于建立統(tǒng)一坐標系，計算任意風向條件下多臺風機或風電場的尾流影響范圍與疊加效應。

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)明提供的無風向偏轉(zhuǎn)條件下，風機尾流分布示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的風向偏轉(zhuǎn)條件下，風機尾流分布示意圖；

圖5是本發(fā)明提供的輔助坐標系中，風機尾流分布示意圖；

圖6是本發(fā)明提供的實際坐標系與輔助坐標系的關系圖；

圖7是本發(fā)明提供的求解(x1，y1)的邏輯圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案，以使本領域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發(fā)明的實施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個范圍，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)明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術(shù)語“發(fā)明”來表示，這僅僅是為了方便，并 且如果事實上公開了超過一個的發(fā)明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發(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，說明風向偏轉(zhuǎn)條件下，風機尾流計算方法。計算包含風電機組的尾流分布位置，及尾流區(qū)域內(nèi)任意點的風速值。由于本發(fā)明需要用到無風向偏轉(zhuǎn)條件下的風機尾流計算方法，因而首先介紹常用風機尾流模型、無風向偏轉(zhuǎn)條件下的風機尾流計算方法。

一、風機尾流模型計算方法

風機尾流模型是描述風電機組尾流結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，用于計算風力機尾流區(qū)域的風速分布。風機尾流模型有多種類型，其中半經(jīng)驗模型具有結(jié)構(gòu)相對簡單、計算精度較高、計算時間較短等優(yōu)點，被廣泛應用。這里以jensen尾流模型、larsen尾流模型為例，介紹半經(jīng)驗模型的計算方法。實際應用中，應根據(jù)現(xiàn)場條件選擇合適的風機尾流計算模型。

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張。該模型將風機下風向尾流區(qū)域切割成與葉輪面平行的平面，設風機葉輪平面t，計算平面為s，s到t的距離為x，則平面s內(nèi)的風速均一，且是與x相關的函數(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，可計算尾流影響半徑r(x)，及s平面內(nèi)風速v(x)，公式如下：

r(x)＝r0+kx

式中：r0：風機輪轂半徑；ct：風機推力系數(shù)；k：尾流擴張系數(shù)；v0：來流風速，未受尾流影響區(qū)域的平均風速；x：計算平面到風機葉輪平面的距離，且x≥0；r(x)：風機下風向，與風機葉輪平面距離為x的平行平面中，風機尾流擴張半徑；v(x)：風機下風向，與風機葉輪平面距離為x的平行平面中，尾流擴張半徑內(nèi)的風速。

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式，也是一種廣泛使用的尾流模型。該模型假定下風向不同位置的風速衰減具有相似性，但與葉輪平面平行的平面內(nèi)各點的風速 并不相同。設計算點p到風機葉輪平面t的垂直距離為x，到風機葉輪軸線的垂直距離為y，則p點的風速是與x、y相關的函數(shù)，larsen模型如圖2所示。

根據(jù)larsen模型，可計算p點的風速v(x，y)，及p點所處垂直平面內(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：風機葉輪的掃風面積；c1：為一無量綱值；x：計算點到風機葉輪平面的垂直距離，且x≥0；y：計算點到風機軸線的垂直距離，且y≤r(x)；v(x，y)：風機下風向尾流區(qū)域內(nèi)，與風機葉輪平面距離為x，與風機軸線距離為y的點位處的風速。

二、無風向偏轉(zhuǎn)條件下，風機尾流計算方法

首先說明無風向偏轉(zhuǎn)條件下，風機尾流計算方法。該條件的形成需要恰當建立坐標系，如設定坐標系x軸與風向一致，坐標系原點o取風機中心點，如圖3所示。此時，坐標系與建立尾流模型計算公式的坐標系完全一致，可以直接采用以上尾流計算公式，計算1)風機尾流區(qū)域的范圍，2)尾流區(qū)域內(nèi)各點的風速。風機尾流計算公式中，x、y為位置參數(shù)，決定了不同位置處風速的相對大小；r0等其它參數(shù)為風機參數(shù)或經(jīng)驗系數(shù)，一旦風機及局地條件確定，這些參數(shù)即為定值。假設來流風速v0，以圖3中p點為例，說明風機尾流計算步驟：

a)根據(jù)風機參數(shù)等，確定r0等其它參數(shù)；

b)確定p點坐標(x0，y0)，且x0≥0；

c)將x0帶入尾流影響半徑計算公式，計算r(x0)；

d)將(x0，y0)帶入尾流風速計算公式，且y0≤r(x0)，計算v(x0)或v(x，y)。

三、風向偏轉(zhuǎn)條件下，建立輔助坐標系，計算風機尾流風速

對于單臺風機，由于可以實時調(diào)整葉輪方向形成無風向偏轉(zhuǎn)情況，因而不需要考慮風向 偏轉(zhuǎn)對尾流的影響。但在研究風電場尾流時，由于不同風向條件下，風機尾流的影響對象和疊加效果均不同，因而需要計算風向偏轉(zhuǎn)條件下的風機尾流分布情況，其技術(shù)方案如下：(1)基于實際坐標系，通過坐標旋轉(zhuǎn)，建立輔助坐標系

設實際坐標系xoy，來流風向角θ，將xoy坐標系逆時針旋轉(zhuǎn)θ，形成輔助坐標系x′oy′，具體步驟如下：

首先，沿風場方向建立坐標系xoy，設風向角為θ(來流風向繞x軸正向逆時針旋轉(zhuǎn)所形成的夾角)，則尾流區(qū)域也整體偏轉(zhuǎn)θ，如圖4所示。在xoy坐標系中，p點坐標(x1，y1)，op連線與x軸正向的夾角變?yōu)棣?。顯然，此時不可直接采用風機尾流模型進行計算，而需要建立輔助坐標系。

將xoy坐標系逆時針旋轉(zhuǎn)θ，形成輔助坐標系x′oy′，輔助坐標系的x′軸與來流風向一致，如圖5所示。在輔助坐標系中，p點坐標(x0，y0)，op連線與x′軸正向的夾角變?yōu)棣痢?/p>

(2)在輔助坐標系中，采用已有尾流模型，計算風機尾流區(qū)域各點的風速

在輔助坐標系中，由于風向與x軸一致，因而可直接采用尾流模型計算風機尾流，即：已知p點在輔助坐標系中的坐標(x0，y0)，根據(jù)尾流模型可得到p點處風速v(x0)或v(x0，y0)，及p點所在垂直平面中的尾流影響半徑r(x0)，計算方法詳見無風向偏轉(zhuǎn)部分。

(3)通過坐標轉(zhuǎn)換，將尾流區(qū)域各點在輔助坐標系中的坐標轉(zhuǎn)換為實際坐標系中的坐標，從而完成求解過程

已知p點風速，及在輔助坐標系中的坐標(x0，y0)，接下來需要計算p點在實際坐標系中的坐標(x1，y1)。

圖6為實際坐標系與輔助坐標系的關系，及p點在兩坐標系中的投影。如圖6所示，風向角θ，op連線與x′軸正向的夾角為α，與x軸正向的夾角為β，三夾角滿足：β＝α+θ。

已知(x0，y0)，根據(jù)夾角關系β＝α+θ，計算(x1，y1)，其步驟如下：

a)計算op連線長r：

b)如果r＝0，則x1＝x0、y1＝y(tǒng)0，計算結(jié)束；否則進入下一步計算；

c)計算op連線與x′軸夾角α：

d)計算op連線與x軸夾角β：

e)計算p點在坐標系xoy中的坐標：

需要說明的是，對于任意風向角θ(0～360°)以上公式均適用。以上計算步驟的邏輯關系如圖7所示。

至此，p點風速值，及在實際坐標系中的坐標均已知。采用該方法，可計算風向偏轉(zhuǎn)條件下，風機尾流區(qū)域內(nèi)各點的風速值，及在實際坐標系中對應的坐標值。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案可實現(xiàn)風向偏轉(zhuǎn)條件下，計算風電機組的尾流分布位置，及尾流區(qū)域內(nèi)任意點的風速值。該發(fā)明適用于任意風向偏轉(zhuǎn)角度，適用于各種尾流模型，可用于計算風電機組間的尾流影響、風電場的尾流影響。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進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)利要求保護范圍之內(nèi)。