基于高斯模型的海上风电场尾流效应评估及偏航优化

风电场尾流效应可导致位于下游方位风力机处来流风速减小,进而造成全局出力下降。为准确评估尾流效应对全局出力影响,提出一种基于蒙特卡洛抽样的尾流效应评估方法。首先在现有单尾流模型的基础上考虑尾流叠加效应,然后在MATLAB环境下构建三维高斯尾流叠加模型,最后以此为基础,引入蒙特卡洛随机抽样评估尾流效应对风电场出力的影响。仿真结果显示风电场全局出力及效率会因尾流效应而明显下降。为减小尾流效应影响,引入偏航措施,提出了一种基于遗传算法的最优偏航策略,利用偏航角引起的尾流域偏转来减小尾流对下游风力机影响,随后研究在不同来流风情况下最优偏航策略的变化规律及其对风电场的全局出力提升效果。仿真结果表明该方法可使风力下游方位风力机远离尾流效应尖峰区,从而实现风电场全局出力的显著提高。     

风电场动态分析中风速模型的建立及应用

考虑风电场内机组间尾流效应的风速模型能较准确地描述风速扰动下风电场输出功率的波动，使研究结果更具有实际意义和价值。该文分析了风力机背面风速的计算方法，提出应用风电场及场内风电机组通常可得到的数据，根据在某风向上游风力机对下游风力机的遮挡及遮挡面积的不同，建立考虑机组尾流效应的风速模型，此方法适合于由任何台数风电机组组成的大型风电场风速建模。将输出风速与电力系统分析程序，DIgSILENT/PowerFactory相连，形成了以风速为基础的风电场与电力系统相互影响研究的计算程序，分析了尾流效应对风电场输出特性的影响。     

错列布局风电场尾流演变实验研究EI北大核心CSCD

在规模化风电场中,多机组尾流相互干扰对机组能量转换、区域大气边界层结构有着显著的影响。为研究湍流来流条件下错列布局风电场尾流演变统计特性,在边界层型风洞中,错列布置6排15台水平轴风力机阵列,利用热线风速仪对尾流场进行高频率数据采集。结果表明:相比串列布局,错列布局能够显著提高尾流主流向速度恢复水平,具有提高输出功率的潜力;同时,降低风电场内部流动相关性,风力机迎风面的湍流积分尺度变小;风电场采用紧凑布局时,需要考虑上游两侧风力机后方的局部高湍流强度区对下游风力机叶尖载荷的影响。基于速度谱分析,进一步量化在流场能量输运过程中,各尺度涡旋运动对尾流湍动能贡献度的变化,在近尾流区,流场受到风力机旋转的显著影响,而在远尾流场,低频、大尺度的尾流蜿蜒成为主导。     

风电场尾流分布计算及场内优化控制方法

对于已建风电场,减少尾流效应,提高风电场整体输出功率,是风电场优化控制的目标之一。文中分析了风电机组状态参数变化与输出功率、尾流分布间的耦合关系,建立了尾流与风轮交汇面积的计算方法,以及多台风电机组尾流的叠加模型。针对不同来流风向及来流风速下风电场尾流分布的不同,提出了一种风电场尾流分布计算方法,用于计算每台风电机组位置处的风速;基于该尾流分布计算方法,以风电场整体输出功率最大为目标函数,轴向诱导因子为优化参数,粒子群算法为优化算法,建立风电场优化控制模型。以丹麦Horns Rev风电场为研究对象,进行计算分析,结果表明:风电场尾流分布计算方法能够准确计算风电场尾流分布,风电场优化控制方法能够提高风电场整体输出功率。     

考虑尾流效应的风电场短期功率空间预测模型

由于风电的波动性和随机性,并网运行的风电场会对电力系统稳定性产生一定的影响。针对风电场输出功率的不确定性,构建了一种基于物理方法的空间相关模型来对短期风电功率进行预测。首先,该模型根据风电场风力机之间的空间位置及排布关系,计算风力机之间的尾流效应,导出了各风力机处的连续微分方程,然后使用有限体积法将网格点处的微分方程进行离散化,推导出风速空间相关矩阵,通过给定的边界条件求解上述微分方程,得出各个风力机的输入风速。最后将风速计算结果输入功率转化曲线得到各风力机的输出功率,从而预测风电场的输出功率。研究结果表明,空间相关模型可以较好地量化每台风力机的输出功率,将风电场输出功率的不确定性转化为相对量化的确定性关系,具有一定的实用价值。     

考虑尾流效应的风电场短期功率空间预测模型EI北大核心CSCD

由于风电的波动性和随机性,并网运行的风电场会对电力系统稳定性产生一定的影响。针对风电场输出功率的不确定性,构建了一种基于物理方法的空间相关模型来对短期风电功率进行预测。首先,该模型根据风电场风力机之间的空间位置及排布关系,计算风力机之间的尾流效应,导出了各风力机处的连续微分方程,然后使用有限体积法将网格点处的微分方程进行离散化,推导出风速空间相关矩阵,通过给定的边界条件求解上述微分方程,得出各个风力机的输入风速。最后将风速计算结果输入功率转化曲线得到各风力机的输出功率,从而预测风电场的输出功率。研究结果表明,空间相关模型可以较好地量化每台风力机的输出功率,将风电场输出功率的不确定性转化为相对量化的确定性关系,具有一定的实用价值。     

基于虚拟叶片模型的阵列风力机尾迹研究

研究考虑尾流效应的风电场气动控制策略优化技术,减少风电场尾流效应,是当前风电技术研究的热点之一。基于VBM模型研究了1.5 MW同轴阵列风力机和9台错列或顺列布置风力机的尾流效应及气动偏航控制策略。通过调整风机偏航角度,改变尾流流动方向,得到了偏航角度对上下游风力机性能及全场功率水平的影响。研究发现,偏航控制可将尾迹偏离下游风轮中心位置,对上游风力机使用基于偏航的控制策略尾迹偏移效果显著。对于同轴阵列风力机,当上游风力机使用偏航控制时,上游的输出功率减小,但下游的输出功率增大,25°偏航控制时,下游风力机功率可增大59.1%。     

考虑疲劳载荷的风电场分散式频率响应策略

风电场参与调频时会增加风机的疲劳载荷,导致风电场维护成本上升、运营效益下降.为此,提出一种考虑疲劳载荷的风电场分散式频率响应策略,可在维持风电场调频性能的同时,降低风机疲劳损伤.为实现该目标,首先分析风电场调频及有功控制结构,推导风机线性动力学模型,并构建考虑疲劳载荷的单机频率响应模型.然后基于Jensen尾流模型,推...     

基于风电场动态时空关系的风速分布模型研究

通过测风塔风速和风向数据计算风电场各机组的动态空间位置,基于Matlab平台在综合风电机组尾流效应和时滞效应数学模型的基础上,建立了风速在各台风机上的分布模型。算例以实际风电场为研究对象,将测风塔的实测数据输入该模型计算场内各风机风速,分析了尾流和时滞因素对风速模型及风电场出力的影响,结果表明尾流降低出力、时滞平滑出力。最后将风速模型转换成全场输出功率模型,并与风电场实测出力数据进行比较,验证了所建风电场风速模型的有效性。     

山地风电场微观选址复核的研究

为优化山地风电场微观选址,提出了山地风电场微观选址复核的技术路线。主要从年满负荷小时数、尾流损失和风力机间隔3方面进行风力机机位的调整,同时还对比分析了不同风力机机型机位调整后的单台风力机的年理论发电量以及尾流损失。结果表明,机位调整后的风电场年理论发电量增加且尾流损失减少,经济增益显著。     

水平轴风力机尾流的自相似性与流场特性研究

为阐明均匀来流条件下水平轴风力机的尾流特性,采用剪切应力输运(k-ωSST)湍流模型,通过求解雷诺时均的N-S方程,在不同叶尖速比(λ)下对某33k W两叶片水平轴风力机风轮的尾流流场进行了数值模拟。结果表明,除了尾流边缘的区域,在风力机下游一定距离处轴向速度亏损开始满足高斯自相似性,叶尖速比越大,在下游离风轮越近的位置越容易达到自相似的状态;同时,随着叶尖速比的增大,尾流区膨胀效应越明显,叶尖涡和叶根涡向下游移动的过程中更早的发生破坏;在风轮下游2D的范围内叶尖涡和叶根涡的涡量强度随离风轮下游距离的增加逐渐减小,涡核面积逐渐增大;在尾流区同一轴向位置,叶尖涡的涡量强度始终大于叶根涡的涡量强度。     

考虑地形影响及尾流效应的风电场可靠性分析

现今大型风电场通常安装于山区、丘陵等风能资源丰富的山区,自然界风在流过这些地区时,由于地形复杂、机组间存在遮挡等因素,使得流过每台风力机的风速不尽相同,直接影响风电场的输出功率。为提高风能利用率、增加风电场输出功率,对所建风电场基于序贯蒙特卡罗模拟法,在综合考虑风速变化模型、所建地形影响及机组间尾流效应的情况下,对机组排列进行最优分布,并分析并网后系统的可靠性。该研究结果对于风电场规划选址、设计机组排列布局以及提高并网风电场经济效益等方面具有重要的理论指导意义。     

剪切来流条件下风力机尾流场特性实验研究

以水平轴风力机模型为研究对象,利用一维热线测速技术,在Eiffel型风洞中研究了湍流边界层条件下风力机尾流场特性。实验结果表明,和平均速度、湍流强度等特性一样,湍流积分时间在尾流场中也出现衰减,并随风力机下游距离增加逐步恢复,在x/dT (28) 10处,约恢复至来流的70%;受边界层影响,3种流场特性在竖直平面均呈非对称分布。基于频谱分析,在尾流场不同位置,不同尺度湍流结构对流场湍动能量的贡献度分布情况不一样。在风轮区域内,尾流场中湍动能量在近流场主要受风力机旋转影响,在远流场,尺度大于风力机直径的低频微团则起到主导作用,同时,基于无量纲的斯特劳哈尔数表明,在远流场(x/dT (29) 4)存在不稳定的尾流弯曲现象。     

含风电场的互联发电系统可靠性评估

为得到更准确的风速序列,建立了小时级的时序风速概率分布模型,并根据该模型进行抽样获得时序风速序列。考虑风电机组的功率输出特性、尾流效应等因素,建立了风电场可靠性模型。采用分区的方法,结合增加了由25台风电机组组成的风电场的IEEE-RTS 24节点算例,利用时序蒙特卡洛模拟法对含风电场的互联发电系统进行可靠性评估。所提模型考虑了风速和负荷的时序相关性以及风电机组的功率输出特性、尾流效应等影响风电场出力的因素,使风电场接入系统后的可靠性评估更为客观、准确。     

基于半经验公式的风力机尾流模型研究

以瑞典航空研究院(FFA)、东京大学及荷兰能源研究中心(ECN)的风洞实验为参照,以探究半经验公式类型的风力机尾流模型为目的,验证了Jensen模型和改进Jens-en模型。采用上述两个半经验模型,编写计算程序,然后按照上述每个风洞实验的参数,设定计算条件,计算风力机下游的无量纲风速,再分别与相应的实验值进行比较。结果表明,在各自的适用条件下,上述两个模型都能比较精确地模拟风力机尾流特性。这证明上述两模型可以用于进一步研究风力机尾流效应,以进行风电场微观选址与布局优化。     

基于格子玻尔兹曼方法的风力机尾流特性研究

为研究风力机尾流特性,采用基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)和大涡模拟方法(large eddy simulation,LES),通过壁面自适应局部湍流模型数值模拟New MEXICO (model rotor experiments in controlled conditions)风力机尾流并验证模型。然后研究不同入流湍流强度及动态入流条件下NREL 5MW (National renewable energy laboratory)风力机尾流结构。结果发现：LBM模型准确模拟了实验风力机轴向和径向速度分量及涡量分布,但是叶片中段附着涡耗散偏快;高湍流入流工况下,叶尖涡和叶根涡更早发生破坏;动态入流工况下,风力机尾涡耗散速度随着入流风速增加而变慢,螺旋结构的涡间距增大,尾涡持续距离变长,尾流膨胀效应减弱。入流风速变化10s后稳定,风力机的推力系数保持剧烈波动。     

基于风速衰减因子法的大型风电场尾流效应模拟方法研究EI北大核心CSCD

在大型风电场尾流计算中,多台风机的尾流叠加方法一直是个难点。传统的尾流叠加方法均基于实际风速值,导致模型复杂、计算必须依据气流流经风机的顺序,且由于风机尾流之间的覆盖关系较为复杂,容易出现漏算、重复计算的问题。提出风速衰减因子(尾流风速与来流风速之比,Rv)及基于风速衰减因子的风电场尾流计算方法,称为风速衰减因子法(Rv法)。该方法物理意义明确、简单易行,可按照任意风机顺序进行计算,避免漏算、重复计算问题。此外,基于实例风电场,采用法模拟了尾流影响下全部风机的功率情况,对比显示模拟结果与实测数据较为一致(相关性系数0.86);采用Rv法模拟了风电场三维尾流分布,并与实测风廓线进行了对比,对比结果显示在大气稳定条件下,模拟结果与实测数据较为一致。     

永磁直驱风电机组的风电场动态等效方法

针对风电场内不同机组处风速分布不均匀问题,提出了一种适用于永磁直驱变速机组风电场动态等效的多机表征方法。该方法根据机组位置进行聚类得到等效机组,结合尾流效应与自然风的空间分布特性计算等效机组轮毂高度处的风速,采用传递函数表征机组变速调节特性和电流控制电流源等效模拟双PWM背靠背变流器的控制特性,从而建立了大型风电场的多机动态模型。算例仿真表明,该模型能够反映风电场输出有功、无功和PCC点电压的动态特性。     

风力机支撑结构疲劳损伤评估中的不确定性分析EI北大核心CSCD

风力机支撑结构所处的环境条件复杂,其振动特性和疲劳问题是决定风力机安全运行的关键因素。通过对1.5MW风力机的环境数据和塔底应变进行长期监测,研究风力机设计规范给出的疲劳计算方法中未涵盖的一些关键问题。首先,分析风速与塔底应力的关系。然后,使用雨流计数法和Palmgren-Miner准则,研究在相差不大的风速和风向下,转速对塔底应力和疲劳损伤的影响。结果表明:风力机停机时的塔底应力较叶轮旋转时小得多,产生的疲劳损伤也最小;启停机过程会使塔底应力呈现非平稳特征,强烈影响结构的应力幅值和疲劳损伤。此外,分析代表性样本的不同选择对损伤结果的影响。因此,在疲劳损伤评估时,应更加准确地定义荷载工况并选择合理的代表性样本。     

基于风速衰减因子法的大型风电场尾流效应模拟方法研究EI北大核心CSCD

在大型风电场尾流计算中,多台风机的尾流叠加方法一直是个难点。传统的尾流叠加方法均基于实际风速值,导致模型复杂、计算必须依据气流流经风机的顺序,且由于风机尾流之间的覆盖关系较为复杂,容易出现漏算、重复计算的问题。提出风速衰减因子(尾流风速与来流风速之比,Rv)及基于风速衰减因子的风电场尾流计算方法,称为风速衰减因子法(Rv法)。该方法物理意义明确、简单易行,可按照任意风机顺序进行计算,避免漏算、重复计算问题。此外,基于实例风电场,采用法模拟了尾流影响下全部风机的功率情况,对比显示模拟结果与实测数据较为一致(相关性系数0.86);采用Rv法模拟了风电场三维尾流分布,并与实测风廓线进行了对比,对比结果显示在大气稳定条件下,模拟结果与实测数据较为一致。