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。     

风力机三维尾流模型的提出与校核

针对大型风力机叶轮范围内风剪切效应突出以及当前工程尾流模型局限于二维空间而忽略垂直方向风速变化的问题,该文综合考虑风速和湍流强度切变效应对尾流的影响,在前期所发展的二维2D_K Jensen尾流模型的基础上,提出一种新型三维尾流模型。之后,新模型被应用于多种工况条件、多种类型的风力机尾流计算中,较为全面地验证其精度及适用性。通过与外场实测和其他高精度数值模拟的结果进行对比,表明新模型对流向、横风向和垂直向的尾流速度均具有良好的预测精度,将来可应用于大型风电场发电量评估和微观选址工作。     

基于致动线和大涡模拟的不同入流风况下的风力机尾流特性研究

风力机的尾流效应是风电场规划与设计中需要考虑的重要因素之一,准确评估风电场的尾流效应对于风电场微观选址、保障机组运行安全、提高风电场经济效益有着重要的意义。文章以NREL 5 MW风力机为对象,基于致动线和大涡模拟方法,研究其在均匀入流和切变入流等不同风况下风力机的尾流特性,入流风况分别为在不同风速下的均匀大气入流和在不同地表粗糙度情况下的切变大气入流。研究结果表明:入流风速增大,尾流区螺旋状叶尖涡的涡间距增大,尾流速度恢复的距离越长;地表粗糙度长度增加,在塔筒竖直方向内相同高度对应的风速减小,导致塔筒产生的阻力减小,风力机塔筒形成的涡更容易发生脱落和破裂,进而导致脱落涡的涡量值增加。研究结果有助于准确地理解风力机尾流发展变化规律,为风电场微观选址、风力机功率预测等工作提供理论支持。     

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。     

采用时间序列预测风电场出力

基于时间序列的方法,采用自回归滑动平均(ARMA)模型进行短期风速预测;考虑风力发电机组排列布置时尾流效应的影响、风电场址地面粗糙程度、空气密度、风向变化以及不同型号风机功率特性的差异等因素,采用Jasen尾流模型建立了大型风电场的综合模型。结果表明,合理的风电场布置方案有利于减小尾流效应的影响,从而提高风电场出力。     

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。     

基于CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化

针对复杂地形条件下风电场微观选址技术难度大的问题,提出一种基于数值计算结果和高效优化方法的微观选址优化算法。将测风数据按风向等分成12个扇区,并利用平均风速和CFD对复杂地形的每个扇区进行数值模拟,得到风电场各扇区的风资源分布,提取轮毂高度处的风速和风向分布。优化中风力机的尾流影响采用Jensen尾流模型,风电场风能计算中风速按照威布尔分布处理,并考虑每个扇区风速的大小、概率密度。目标函数为整个风电场的输出功率倒数的对数,自变量为风力机在给定风电场中的位置坐标,约束条件为地形边界和风力机之间的最小距离,优化算法采用该文提出的改进小生境粒子群算法(NCPSO),优化风力机组微观选址的最优解。该文提出优化算法得到的结果与基于高度的经验布置方法(EX-TH)、基于风能密度的经验布置方法(EX-PH)以及普通粒子群算法(PSO)进行比较,证明在复杂地形条件下所提出方法的可靠性与有效性,并可应用于工程实践。     

改进风力机三维尾流模型及其风速预测准确性研究北大核心CSCD

针对大型风力机受来流风切变影响,风速差最大达到30%的问题,文章以2D_K Jensen尾流模型为基础,提出了一种改进的三维尾流模型。该模型基于质量守恒理论,通过综合考虑入流的风切变效应、尾流区域的湍流强度分布和各异性的尾流扩展率等因素,修正垂直剖面尾流速度的非对称分布,提高了尾流模型在近尾流区的预测精度。通过与风洞实验测试数据进行对比分析,发现文章提出的修正模型在近尾流区与风洞测试数据吻合较好。该模型能够较好地预测单个风力机尾流区域的速度分布,且无需数值模拟确定经验参数,可用于风电场的微观选址和发电量评估。     

风速波动时风电场动态特性分析

为了分析风速波动时风电场的电压特性,建立了考虑风机组尾流效应的风机输入风速模型及考虑风机输入风速不同的风电场动态模型,并对风电场采用不同模型时风电场的输出进行仿真比较,结果表明在分析风速波动风电场动态特性时,采用考虑风机间尾流效应和风电场内机组排列布置的风电场模型能够相对准确地反映实际风电场的动态特性,而采用不考虑风机尾流效应的风电场单机模型,夸大了风电场对系统的影响.同时对风电场分别采用恒速风电机组和双馈变速风电机组时的输出特性进行仿真,分析了以上两种风电机组的无功电压特性.     

大气湍流稳定度对风力机尾流影响的模拟研究

利用Agel-TDM风力机动力模型,模拟分析不同湍流状态下单台风力机尾流的空间特征。研究结果表明:随着大气湍流稳定性增强,在水平方向上风力机尾流效应减弱,即风力机尾流距离减小;在铅垂方向,动量垂直输送加快,增强了风力机下游风速的恢复速率,风电场的实际出力能力提高。     

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。     

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。     

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。     

动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。     

台风过境风电场的CFD数值模拟方法研究

以台风烟花过境沿海陆上风电场期间,风电场内特别是风电机组位置的风速、风向和湍流强度的微尺度分布及其随时间的变化为研究对象,基于中尺度WRF模式的模拟结果建立CFD计算域的边界条件,建立台风大气边界层风速、风向廓线参数化模型,以及考虑中尺度热带气旋和台风边界层内卷效应的风场CFD计算模型。算例结果表明,所建立的台风大气边界层风场CFD计算模型可反映台风大气涡旋在风电场微尺度范围的流动特性,风电机组轮毂点的计算风速和实测的机舱风速符合较好,表明所研究的方法可进一步应用于台风影响地区风电场内风电机组台风风险的精细化评估,开展考虑台风风险的微观选址优化等。     

风向变化对风力机尾流影响的数值分析

为了探究风向变化对风力机尾流的影响,选取NREL 5MW风力机建立模型,采用Fluent软件在额定工况下对单台风力机及风向变化时的2台风力机进行数值模拟,并对比其输出功率及尾流的流动情况.结果表明:当风向变化角为0°,即串列排布时,上游风力机对下游风力机的影响很大;随着风向变化角由5°增大到10°,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减小,下游风力机的功率减小率由7.53%减小到4.24%,输出功率明显增加,可见风向变化对风力机尾流有影响.     

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。     

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。     

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。