考虑疲劳均衡的海上风电场主动尾流控制研究

海上风电场运行维护成本高,而其尾流效应影响更加突出,不但会影响风电场的发电效率,还会增大风电场内机组的疲劳载荷,增加运维成本。文章针对基于疲劳均匀的海上风电场主动尾流控制展开研究,通过GH-Bladed软件计算建立了风电机组在典型控制工况下关键零部件的疲劳损伤量数据库。其中的工况包括最大功率追踪、桨距角控制和偏航控制3种,并引用了量子粒子群算法,通过变桨和偏航两种方法进行优化控制,以实现海上风电场发电量提升和风电机组疲劳均匀的多目标主动尾流优化控制策略,降低海上风电场运维成本。仿真结果表明了所提出控制方法的可行性。     

基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化研究

为减小风电场尾流效应的影响,提升风电场整体发电量,提出一种基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化方法。首先建立风电场偏航尾流模型,该模型包括用于计算单机组尾流速度分布的Jensen-Gaussian尾流模型、尾流偏转模型及多机组尾流叠加模型,对各机组风轮前来流风速进行求解;再根据来流风速计算风电场输出功率,并以风电场整体输出功率最大为优化目标,利用拟牛顿算法协同优化各机组轴向诱导因子和偏航角度。以4行4列方形布置的16台NREL-5 MW风电机组为对象进行仿真研究。结果表明,所提出的基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化方法能显著提升风电场整体输出功率。     

可用于风电场优化控制的尾流快速计算方法

根据空气动力学原理推导单台风电机组尾流模型,建立多台风电机组的尾流叠加模型。在此基础上,提出一种全场尾流快速计算方法,该方法用经过坐标原点的直线来表示不同的来流风向,计算各风电机组沿此直线方向到坐标原点的距离,以此距离确定风电机组的迎风顺序,根据风电机组单台尾流模型、尾流叠加模型及风电机组的迎风顺序,计算整个风电场的尾流分布。以丹麦Horns Rev风电场为算例进行计算分析,结果表明,该文所述的尾流快速计算方法能准确、快速计算风电场尾流分布。     

考虑尾流效应的风电场优化控制技术研究

针对已建风电场,提出一种考虑尾流效应的风电场优化控制方法,以减少风电场尾流效应,提高风电场整体输出功率。研究机组状态参数变化与输出功率、尾流分布间的量化关系,揭示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;提出尾流与风轮交汇面积的计算方法,建立多台风电机组的尾流叠加模型;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,建立考虑尾流效应的风电场优化控制模型。以丹麦Horns Rev风电场为算例进行计算分析,结果表明:所提出的考虑尾流效应的风电场优化控制方法能够使风电场整体输出功率增加。     

计及风向不确定性的海上风电场年发电量计算

以欧洲Lillgrund海上风电场为例,建立基于Larsen尾流模型及线性叠加模型的风电场输出功率及发电量计算模型;考虑风电机组偏航偏差等风向不确定性的影响,建立基于高斯平均方法的风电场计算功率修正模型;结合风电场实测数据及发电量计算收敛过程分析,研究了修正模型对风电场功率及发电量计算的影响。结果表明,所建立的尾流作用下的风电场功率计算模型能够较好地反应实际风电场的尾流影响特征,高斯平均修正方法进一步提高了尾流作用下风电场功率计算精度,并提高了发电量计算的收敛速度。在风电场年发电量计算中考虑风向不确定性的影响,对于提高模型评估与验证的准确性具有重要意义。     

基于主动尾流控制的风电机群协同优化调度

针对机组间尾流效应严重影响风电机组发电效率的问题,提出了风电机组安全偏航约束计算方法、尾流特性混合半机理建模方法以及风电机群多目标协同优化调度方法。基于FAST. FARM平台完善了多自由度可控机组与尾流的动态交互集成仿真环境,对比分析了2台机组串列式排布以及华东地区某海上风电场7台机组实际排布下的协同运行优化性能。结果表明：所建立的集成仿真模型能够合理表征风电机群与空气流场的多领域动态交互特性,所提方法能够有效提升风电机群发电效能,促进经济效益、资源利用和成本控制的均衡优化。     

计及能量掺混的风电机组尾流叠加模型研究

风电机组可能受上游多台机组尾流共同影响,工程中一般应用叠加模型来模拟这种尾流叠加效应。尾流区与周围大气的能量掺混导致了尾流恢复,目前常用的尾流叠加模型无法体现这个效应。应用一维动量理论计算风电机组尾流区从周围大气吸收的能量,在能量守恒叠加模型的基础上,通过补充这部分掺混能量对其进行修正,从而提高了尾流场模拟精度。在Lillgrund海上风电场应用能量掺混叠加模型,流场模拟结果与实测数据对比表明,该模型可以准确模拟风电场内机组功率变化趋势,且相较于传统模型计算精度更高,对风电场发电量计算具有一定的参考价值。     

考虑尾流效应对风电场机组布局的影响分析

尾流效应的存在会导致风电场下风向风能减少,流场湍流度增加,进而影响风电场中位于下风向风机的效率和风轮的使用寿命。文章对尾流效应研究现状进行了概述,利用WASP软件以及风资源数据进行风电场模拟计算,将上下游风机之间间距以及上下游风机连线与主导风向的偏向角作为风机定位坐标,建立了分别由2台、3台、4台风机组成的模型并进行计算。比较在不同风机布局的情况下,风电场内每台风机和风电场的年净发电量以及尾流损失值随风机布局的变化趋势。对比计算结果得出风电场机组布局中风机之间的最佳间距和偏向角的定量值,确定风机尾流效应分析在风电场内机组布局中的重要性,为优化风电机组布局以及提高风电场风能利用率提供理论依据。     

考虑尾流效应的风电机组启停优化研究

以某典型风电场为例,采用尾流模型模拟研究风电机组启停优化对风电机组尾流干涉和发电量的影响。在速度恢复系数小于0.06时,典型机位的停机可增加风电场全场发电量。以中国北方某实际风电场为例进行现场试验,在主风向下,通过调度上游风电机组的启停,实现区域内风电机组发电量提升,验证方法的有效性。     

基于场级偏航控制的风电场尾流敏感性分析

偏航偏转控制有利于减小风机尾流效应,通过场级偏航协调优化减小尾流损失,可使风电场总发电量达到最大化。采用FLORIS尾流代理模型,以各风机偏航角为优化对象,风电场总功率最大为优化目标,进行场级偏航寻优。针对不同风机间距、纵列个数、湍流强度、来流风速和来流风向等多个维度,对比分析了偏航优化对尾流损失及功率提升的敏感性。结果表明：当风电场排布间距小于5D、风机纵列大于3台且仅需优化前5排、纵列机位连线与风玫瑰图主频风向夹角小于15°、风场湍流小于0.1、来流风速位于风机“切入风速+2 m/s”至“额定风速+2 m/s”区间时,场级偏航控制对于尾流优化效果最佳;若仅采用单机偏航控制风向,前排风机保留3°～5°偏航误差有利于风电场整体的发电收益。     

主动偏航尾流控制研究成果综述

基于偏航尾流模型、偏航尾流特性及主动偏航尾流控制(Active Yaw Control, AYC)对风场的影响三个角度,调研了主动偏航控制技术最近几年来的研究进展,并针对目前研究的一些局限性以及AYC的工程应用实践性作出展望。调研结果显示：偏航会改变风机的尾流特性,主要表现在尾流的风速分布和偏航尾流偏置量上;整体来看上游风机主动偏航能提升整场发电量,但同时也会改变风机的载荷;目前国内外常用的几个偏航尾流模型中,Bastankhah模型和Qian-Ishihara模型与实测数据的匹配性较好,具有很高的工程实践性。同时,在后续偏航尾流研究中,应基于风场实际数据对偏航尾流特性和模型进行验证与分析。     

考虑尾流效应的风电场有功功率控制策略研究

随着大型风电场的快速发展,由于尾流效应造成的风电场能量损失成为重要的问题。本文考虑风电场内的尾流效应,提出了优化的有功功率和桨距角曲线以降低独立机组的能量损失,从而达到风电场的总有功功率提升的目的。同时,通过挖掘风电机组有功出力和尾流效应的关系,给出基于有功控制的尾流优化方法,建立了风电场有功出力优化模型。最后,基于某风电场的实际数据建立仿真模型来检验控制策略的有效性,并引入传统单机MPPT方案进行比对,结果证明提出的新型控制策略大大提高了整个风电场的有功功率,并且计算量小,优化方法简单,具有一定的工程应用价值。     

单列风电机组尾流优化模型的研究及应用

为了使风电场的经济性达到最佳,以实际工程案例为出发点,选择改进的Park尾流模型,在盛行风向上建立不同风电机组的布置方案,对比分析了采用四种风电机组间距、三种大气稳定度和两种风电机组型号的尾流优化模型目标函数。结果表明,随着风电机组间距比L_1/L_2的增加,风电机组的总尾流先减小后增加,且在L_1/L_2等于1时达到最小;考虑尾流效应的年总发电量先增加后减小,且在L_1/L_2等于1时达到最大。这一结论将为今后尾流优化模型的研究提供新的理论依据。     

考虑尾流效应的风电场减载出力优化控制

在高风电渗透电力系统中,风电场参与系统调频普遍忽略了尾流效应对风电机组出力的影响。文章提出了一种考虑尾流效应的风电场减载出力优化控制方案。首先,采用改进Jensen尾流模型,给出了任意风向的尾流区域划分方法;其次,在满足系统调频需求的前提下,以风电场有功出力最大为目标,对风电场功率分配进行优化;然后,针对不同风速区间设置了相应的优化控制方案,并给出方案的具体实现方法;最后,以江苏某海上风电场为例进行算例仿真,算例结果表明,所提方案可有效地提高风电场整体出力。     

海上风电场运行期尾流损失分析

  [目的]  为了充分认识海上风电场运行过程中的尾流效应,对风电场布局设计中的模拟计算结果进行验证,探索海上风电场的风机尾流损失变化规律。  [方法]  以华南地区某海上风电场为测试场址,选用PARK模型进行尾流模拟计算,对模型中的参数进行优化并进行实际发电量验证。  [结果]  结果表明:PARK模型用于海上风电场尾流模拟可以基本反映风机实际发电情况;在某风向上风机间距为7D情况下,主风向尾流损失在第2排后的分布规律呈现较为稳定的状态,约为首台风机的30%。  [结论]  PARK尾流模型能够较好的模拟近海风电场尾流损失和进行发电量计算,模型参数选择应根据项目实际情况进行敏感性测算。     

基于温度归一化的风电机组发电量模型研究

针对环境温度影响风电机组的输出功率及发电量计算的问题,通过分析风速的分布建立威布尔分布模型;分析温度对风电机组输出功率的影响,推导出温度归一化的功率折算公式,将功率折算到统一基准温度下,提出基于温度归一化的风电机组发电量计算模型。以新疆某风电场为算例,分别计算出4台风电机组的发电量,将温度归一化模型和传统算法计算的发电量与实测SCADA数据进行对比,验证温度归一化模型计算发电量的精确性。     

基于运行数据的风电机组本地风向波动特性及偏航控制研究

采用某风电场采样时间间隔为1 s的SCADA数据,研究与机组偏航控制系统密切相关的风电机组本地风向波动特性。从分析风向波动的微观过程入手,提出准确衡量风电机组本地风向波动的量化指标。对该风电场的3台典型机组的运行数据进行对比分析,并进行偏航控制和发电量的仿真计算,说明在平均风速相同的情况下同一风场中不同机组的风向波动性存在很大差异,并且稳定性不同的机组其风向波动特性随风速变化的规律也不同,平坦地势下平均风速越高风资源稳定性越好的规律对某些地形复杂的风电机组不能适用。     

风力机尾流相互干扰的数值模拟

结合制动盘理论与CFD方法,采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。风电场内风力机机组呈梅花型排布,考虑入流角分别为0°、15°和30°代表风力机的偏航现象,利用FLUENT提供的FAN边界将风力机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘,采用N-S方程求解整个风电场的流场分布。该文给出流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布,反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。通过对风电场和风力机的成功模拟表明,制动盘理论结合CFD的方法适用于风电场和风力机的流场模拟,可为风电场微观选址和风力机排布提供参考,且计算量远小于完全数值模拟方法。     

风电场微观选址对发电量影响的分析

根据华威风电场风机实际运行监测数据,对比华威风电场12台N62型风机不同方向的发电量、2个场址的平均发电量和同一场址内不同风机的发电量.分析了风电场微观选址对风机发电量的影响.结果表明:4～15号12台风机的单台月发电量差异较大,说明在风电场宏观选址条件相同的情况下,由于微观选址条件的不同,相同型号的风电机组的发电量存在较大的差异;骆驼岭风电场4号风机与风山风电场15号风机正北向发电量的差异较大,地形影响是造成风山发电场发电量较小的主要原因;对凤山风电场内的8～15号8台风电机组进行对比,在各个方向上的发电量差别很大,主要是受到相邻风机间尾流影响所致.     

基于综合经济效益目标的风电机组偏航控制策略研究

基于偏航系统发电量仿真计算和偏航轴承疲劳寿命量化分析,建立了一种偏航系统重启对风控制模型。该模型以风电场寿命周期综合经济效益为目标,以控制偏航系统启停为策略,能够合理地平衡发电量与偏航次数之间的关系。为寻求最优控制策略,采用粒子群-遗传混合优化算法(PSO-GA)对该控制模型进行优化。结果表明:该偏航系统重启对风控制模型可以达到预期的优化目标,对风电场综合经济效益的提高具有指导意义。