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。     

考虑尾流效应的风电场输出功率优化

针对尾流效应对风电场输出功率造成的损失,文章提出了一种基于改进Jensen模型的优化方法。基于激光雷达实验数据验证了改进Jensen模型的有效性,并建立了多机组尾流叠加模型。对考虑尾流效应的风电场输出功率优化可行性进行分析,建立了风电场输出功率模型。针对标准粒子群算法过早收敛、易局部最优的缺陷进行了改进,在其迭代方程中加入二阶振荡环节,增加了粒子的多样性,提高了算法的全局搜索能力,同时保证了算法的运行速度;引入模拟退火操作,增强了算法的局部搜索能力。建立了风电场输出功率最大化优化模型,以轴向诱导因子为优化参数,利用改进粒子群算法对山西省某风电场模型进行了仿真分析。结果表明：当入流风速分别为8 m/s和12 m/s时,经改进粒子群算法优化之后,风电场输出功率分别提高了6.26%和4.59%;改进粒子群算法改善了标准粒子群算法存在的过早收敛、易局部最优的缺陷。     

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。     

偏航工况下风电机组尾流模型与风电场尾流叠加研究

风电场中通过风电机组主动偏航进行尾流优化控制,可以提高风电场发电量。文中根据偏航工况对风电机组尾流和功率输出的影响,建立了偏航工况下单台风电机组尾流模型和输出功率的简化计算方法。而对于全场不同来流风向,对机组位置进行坐标变换以确定风电机组的迎风顺序,并结合尾流叠加模型建立了偏航工况下风电场尾流分布计算方法。最后,以单列6台风电机组为研究对象进行计算分析,验证了该尾流计算方法的适用性及主动偏航控制对风电场发电量提升的可行性。     

大型风电场尾流效应的耦合求解方法

针对大型风电场尾流评估问题,考虑大气边界层垂向动量输运和风电场内流动不均匀性,提出一种基于传统尾流模型和风电场边界层模型的耦合求解方法。采用Horns Rev风电场和青海锡铁山矿区风电场群实测数据对所提出的耦合方法进行验证,结果显示该方法可较为准确的评估大型风电场的场内、场间尾流效应,对大型风电场和集群化风电场开发具有重要理论和工程应用价值。     

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。     

基于二维尾流模型的风电场产能分析

文章提出了同时考虑径向上的非均匀风速分布和轴向控制体侧面上空气流量变化对尾流风速影响的改进模型。采用Jensen模型、轴向改进的半经验模型、径向改进的二维模型、文章提出的改进模型进行风电场产能分析,验证不同尾流模型用于风电场产能分析时的计算精度。计算的产能结果与江苏省某风电场的实际产能进行对比,结果表明,文章提出的改进模型具有较好的计算精度。风电场的产能损失主要来源于尾流损失,其主要取决于3个因素:(1)风力机与上风向风力机间距的大小;(2)尾流效应影响的风向上的风速在全年风速中的比例大小;(3)是否受多台风力机尾流叠加影响。文章提出的改进模型能提高风电场产能的评估精度。文章提出决定尾流损失的3个因素对优化风电场的排布设计、提高风电场的总产能和经济效益具有重要指导意义。     

基于多尾流模型的大型海上风电场扩容试验研究

目的  文章旨在研究大型海上风电场的最佳规划容量设置。 方法  针对某1 GW容量的单个规划场址,利用3种不同单机容量机型与3种海上风电场尾流模型,结合海上风资源图谱开展同场址逐步扩容至2 GW的一系列数值试验,并对全场发电量、尾流影响与边际效应进行分析。 结果  结果显示,随着机型的单机容量增大,扩容过程中全场实际发电量增幅越高,尾流损失增长越慢,兼顾机组安全性与投入产出比的有效扩容区间越大;但尾流模型选择可能影响有效扩容区间评估结果。 结论  文章研究表明,在满足现有用海指标、风电机组安全性与工程经济性等多重约束下,单个场址的最佳规划容量可以略高于现有基准值,在今后海上风电千万千瓦级基地规划中,应科学细分并合理设置单个场址的规划容量。     

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。     

基于SCADA数据海上风电场解析尾流模型可靠性与尾流叠加研究北大核心CSCD

针对工程中常用的解析尾流模型适用性及精确度存在较大不确定性的问题,文章利用国内某海上风电场运行的SCADA数据,分别对Jensen模型、Frandsen模型和Gaussian模型等主要解析尾流模型进行可靠性验证和分析。在此基础上,提出了更加适用的尾流模型参数选取方案,参数修正后的Gaussian尾流模型的评估精度提升约50%。此外,为了分析海上风电场的尾流叠加特性,文章采用场内实测数据进行分析,并与工程尾流叠加模型计算结果进行对比,结果表明,工程尾流叠加模型仍存在一定改善空间。     

海上相邻风电场间的“尾流效应”实例分析

目的  研究海上相邻风电场间的“尾流效应”对发电损失的影响。 方法  利用海上风电场实际运行SCADA数据结合激光雷达同期实测测风数据,基于不同的风向扇区范围和风电场实际排布进行尾流效应场景分类,开展实际运行相邻风电场间（20D以上间距）的真实尾流电量损失分析工作。 结果  结果表明：对于规则排布的海上大型风电场,基于实际运行SCADA数据,对各机组发电量进行归一化,可以较好地反映海上风能资源分布特征及各机组发电能力的差异;高度集中的单一扇区条件下,处于下风向的相邻风电场受上风向相邻场区的“尾流效应”影响明显,发电产能较自由流降幅明显;相邻风场间随着缓冲带距离的增加,下风向场区机组尾流电量衰减比随之降低,缓冲带需达到一定的距离,对于风速的恢复有明显的作用,发电产能才能够有所提升;本案例不同场景下,缓冲带距离在23D～44D之间,尾流损失电量降幅在27%～4%之间。 结论  基于相邻风电场实际运行数据开展尾流分析可为后续海上大型风电基地规划设计和机组排布优化设计提供指导。     

考虑风速、风向变化及尾流效应的风电场建模

对风电场建模过程中,确立准确的输入风速模型至关重要。风电场中机组排列密集,风机之间存在尾流效应使得各台风机的输入风速不可能完全相同,尾流效应的强弱与很多因素有关,如:风速、风向、机组的排列布置等。利用MATLAB程序实现在不同风速、风向、风机排列情况下输入风速的计算,模拟实现对风速、风向变化情况下风电场的快速建模。可以较准确地描述出当风速、风向变化时风电场功率输出的变化。通过仿真验证了此方法的正确性,该方法的可移植性高,可用于各种规模风电场输入风速模型的计算。     

考虑尾流效应及连接架构的风电场等值方法研究北大核心CSCD

对大型风电场进行完整的仿真分析会消耗巨大的时间成本。文章提出了一种基于尾流效应和连接架构的风电场等值法,考虑了风机位置对输入风速的影响,最大程度地保留了原有结构和性能,建立了简单准确的等值模型。分析了容量加权法的误差及原因,提出了根据风电场连接架构对风机群进行考虑尾流效应的分组方法,并通过容量加权法对分组进行参数聚合。通过Matlab/Simulink建立仿真模型,结果表明,所提模型的各项性能在不同风向下均能与原模型性能相近,具有较高的精确度和适应度。     

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。     

基于尾流风速场风速矢量计算的风电场输出功率优化模型

针对尾流效应在风电机组之间产生影响的问题,为了更加合理利用风能,增加风场的输出功率,在风场面积不变的前提下对风场内风电机组进行布局优化,根据风场实际仿真数据训练建立尾流风速场风速矢量计算模型和尾流影响区域风速计算误差函数,迭代计算尾流区域的风速矢量最优解;然后,基于改进粒子群算法对粒子群进行参数密度熵分簇优化,对不同种群进行寻优,计算出最优的风场布局排列,提高计算机的计算效率;最后,通过CFD生变化时,模型能够计算出尾流效应区域的风速矢量,仿真结果及分析证明模型和优化算法的正确性。     

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。     

平坦地形相邻风电场尾流影响研究北大核心CSCD

随着风电产业向三北地区和海上发展,大规模风电场规划建设成为了热点。风电场尾流的影响是规划设计的关键技术之一,文章研究了平坦地形下相邻风电场间的尾流影响特性。首先,利用Horns Rev风电场SCADA数据验证了RANS/AD方法的可靠性;然后,基于国内某平坦地形风电场的SCADA数据,采用临界函数法剔除异常数据,同时采用机舱风速传递函数(NTF)修正机舱风速,处理得到风电场各台风力机来流风速及相应输出功率的分布规律;最后,分别模拟计算两风电场同时运行以及下游风电场单独运行工况下的各台机组输出功率,并与实测数据进行对比,由于尾流影响,下游风电场在主风向8 m/s风速下的功率亏损达20%;当下游风电场第一、二排间流向行间距由10.5D增至13D时,可使整场功率亏损降至15.4%。文章研究结论对风电场的宏观选址及微观选址具有一定的指导意义。     

基于二维代理模型的风力机尾流计算和风电场布局优化

针对现有风力机尾流采用计算流体力学方法（CFD）进行数值模拟遇到的网格数量多、计算资源需求大的问题,提出采用二维代理模型的风力机尾流数值模拟方法,并将此代理模型运用于风电场的布局优化中。首先对单台风力机的尾流进行数值模拟研究,并根据现场实测数据对模拟结果进行检验;其次将代理模型运用于多台风力机的风电场模拟中,分析风力机在不同来流风向角下尾流效应情况。最后结合风速风向玫瑰图计算多台等距矩形布置的风电场的年发电量,分析风电场与N（北）方向的夹角与风电场年发电量的关系。仿真表明：现场实测数据和模拟数据相关程度高且误差较小,验证了二维代理模型的可行性和计算结果的准确性。风电场与N（北）方向的夹角在0°～40°范围内时,夹角大于0°时的风电场年发电量均大于夹角等于0°时的年发电量;风电场布局优化时选择合适的风电场与N（北）方向的夹角有利于提高风电场的年发电量,提高经济效益。     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。