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。     

基于对称山丘地形与风力机耦合的流场数值模拟研究

复杂地形与风力机耦合诱导的流场较平坦地形下的风场流动特性更为复杂。基于致动盘理论和RANS方法,文章针对对称山丘地形与单台风力机间诱导流场的耦合作用,选取对称山丘地形的迎风山脚、迎风面、迎风半山坡、山顶以及背风半山坡5种布机方案进行研究。通过分析上述5种方案下所对应的风力机尾流区不同距离的轮毂高度处的径向风速与湍流强度的分布,以及山丘绕流与风力机尾流特性的相互影响,分析不同排布方案的影响,为复杂地形风电场尾流研究与风力机排布提供理论支持。     

基于动网格对风力机尾流的数值模拟

为了更真实地分析风机尾流流场,尽量减小尾流影响,提高风电场输出功率及效益,提出一种利用动网格技术进行风场优化的新方法。针对1.5 MW风力机叶片旋转区域进行动态网格化求整个流道内的尾流场,同时利用CFD方法与致动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行数值模拟。利用两种计算方法对单台风力机的尾流区域进行计算,获得单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布及风力机下游不同位置处的流场分布,并与改进Jenson模型结果进行对比分析,表明该动网格方法能较好地捕捉尾流的流场特性,由于新的尾流计算模型考虑叶片真实旋转对尾流影响,准确捕捉风机尾流中产生大小不同尾漩涡,合理捕捉尾流恢复率及尾流半径的变化规律,因此可作为工程开发有效工具,为分析风机尾流流场及风电场风机布置提供一定参考。     

基于2D Frandsen模型的风力机尾流数值模拟

针对二维尾流模型计算精度不高的问题,基于Frandsen模型和径向尾流速度亏损呈高斯分布假设,提出一种2D Frandsen模型,该模型同时考虑环境湍流强度和地表粗糙度对尾流的影响。通过2D Frandsen模型对单台风力机尾流场进行模拟,并将模拟结果与风场实测数据和风洞实验数据进行对比,结果表明,该文的2D Frandsen模型可准确预测多种工况下尾流区域的各点风速,在径向分布上更符合真实流场,计算精度优于修正Frandsen模型和2D_k Jensen模型。     

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。     

典型复杂地形影响下单台风力机布机方案数值计算研究

针对在典型复杂地形下选取单台风力机最佳布机点的问题,文章首先对典型复杂地形中的悬崖地形和高低山头地形分别进行无风力机工况下的数值模拟,根据得到的流场结果初步选取了不同迎风工况下的若干布机方案,最后,采用改进致动盘模型和拓展k-ε湍流模型相结合的方法,对各布机方案进行了风力机与地形耦合流场的数值计算。通过分析比较不同迎风工况和各布机方案下风轮前端1D处的轴向入流平均风速、湍流强度、垂直风速分量以及由轴向入流平均风速预测得到的发电功率,给出了合理的布机建议,为复杂地形风电场微观选址提供了理论支持。     

复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比

以CFD数值计算和实验相结合的方法,对处于中国西南某多山地区陆上风电场的尾流特性进行研究,验证不同数值方法在复杂地形的适用性。首先采用2台激光雷达,测量目标风力机一个月内的自由来流风速和尾流廓线,在地形上坡加速效应下,不同大气稳定度下目标风力机的自由来流风速廓线均呈负梯度。然后分别采用经典致动盘和改进致动盘法,模拟目标风力机在主风向下的尾流发展。不同于只有风速与压降关系的经典致动盘法,改进致动盘法更考虑了叶片几何和气动参数(尺寸信息、攻角、桨距角、升阻力系数等)。通过与后置激光雷达尾流测试结果对比,这2种基于CFD技术的数值模拟方法,计算网格相同,计算时间相当,且均能较好地模拟因为复杂地形而引起的尾流偏转;其中改进致动盘的尾流形状与激光雷达相似,速度亏损也更接近激光雷达结果。因此,改进致动盘法更适合于复杂地形条件下风场模拟,较好平衡了计算的效率与精度。     

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。     

风电场尾流效应模型研究

以风电场内风速分布为研究对象,采用Abramovich射流理论建立风力机全场尾流模型(简称AV尾流模型),确定单台风力机的尾流影响边界;计及风电场拓扑、风速、风向变化等因素建立风电场尾流效应模型。通过对某风电场尾流模型仿真研究,得出风电场拓扑、风电场输入风速、风向对风电场尾流效应的影响规律,进一步确定风电场内速度分布,为风电场建模和动态特性研究服务。     

利用STRM和NCEP数据提高风电场宏观选址的准确性

利用STRM数据得出风电场宏观地形,利用NCEP数据提取出风电场的气象数据,在WASP813软件的支持下,计算出描述风资源概况的风速、风功率密度和威布尔分布参数值的分布概况。根据风速、风功率密度分布可以直观地看出风资源的分布情况．根据威布尔分布参数值能够计算出初步的发电量,进而为风电场的宏观选址和下一步测风塔的建立提供依据。     

A wind‐tunnel study of the wake development behind wind turbines over sinusoidal hills

In the present work, the wake development behind small‐scale wind turbines is studied when introducing local topography variations consisting of a series of sinusoidal hills. Additionally, wind‐tunnel tests with homogeneous and sheared turbulent inflows were performed to understand how shear and ambient turbulence influence the results. The scale of the wind‐turbine models was about 1000 times smaller than full‐size turbines, suggesting that the present results should only be qualitatively extrapolated to real‐field scenarios. Wind‐tunnel measurements were made by means of stereoscopic particle image velocimetry to characterize the flow velocity in planes perpendicular to the flow direction. Over flat terrain, the wind‐turbine wake was seen to slowly approach the ground while it propagated downstream. When introducing hilly terrain, the downward wake deflection was enhanced in response to flow variations induced by the hills, and the turbulent kinetic energy content in the wake increased because of the speed‐up seen over the hills. The combined wake observed behind 2 streamwise aligned turbines was more diffused and when introducing hills, it was more prone to deflect towards the ground compared to the wake behind an isolated turbine. Since wake interactions are common at sites with multiple turbines, this suggested that it is important to consider the local hill‐induced velocity variations when onshore wind farms are analysed. Differences in the flow fields were seen when introducing either homogeneous or sheared turbulent inflow conditions, emphasizing the importance of accounting for the prevailing turbulence conditions at a given wind‐farm site to accurately capture the downstream wake development.     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

Large‐eddy simulation of turbulent flow past wind turbines/farms: the Virtual Wind Simulator (VWiS)

A large‐eddy simulation framework, dubbed as the Virtual Wind Simulator (VWiS), for simulating turbulent flow over wind turbines and wind farms in complex terrain is developed and validated. The wind turbines are parameterized using the actuator line model. The complex terrain is represented by the curvilinear immersed boundary method. The predictive capability of the present method is evaluated by simulating two available wind tunnel experimental cases: the flow over a stand‐alone turbine and an aligned wind turbine array. Systematic grid refinement studies are carried out, for both single turbine and multi‐turbine array cases, and the accuracy of the computed results is assessed through detailed comparisons with wind tunnel experiments. The model is further applied to simulate the flow over an operational utility‐scale wind farm. The inflow velocities for this case are interpolated from a mesoscale simulation using a Weather Research and Forecasting (WRF) model with and without adding synthetic turbulence to the WRF‐computed velocity fields. Improvements on power predictions are obtained when synthetic turbulence is added at the inlet. Finally the VWiS is applied to simulate a yet undeveloped wind farm at a complex terrain site where wind resource measurements have already been obtained. Good agreement with field measurements is obtained in terms of the time‐averaged streamwise velocity profiles. To demonstrate the ability of the model to simulate the interactions of terrain‐induced turbulence with wind turbines, eight hypothetical turbines are placed in this area. The computed extracted power underscores the significant effect of site‐specific topography on turbine performance. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

风电场中多台风力机的数值模拟

将NREL 5 MW风力机作为基本机型,使用致动线模型和大涡模拟相结合的数值方法,在中性大气边界层中模拟含有多台风力机的风电场。为了模拟风电场的复杂入流条件,首先模拟体积为3000 m(长)×3000 m(宽)×1000m(高)的大气边界层,并对模拟结果进行验证,结果表明:在覆盖逆温层以下,不同高度处的位温不变,平均风速满足剪切特性,脉动风速满足湍流谱特性;然后,分析了致动线模型中风轮直径上的网格节点数量(N)和高斯分布因子(ε)的取值规律,发现ε以网格尺度(η)为自变量取值时,N越大,η的系数越大,当N取63时,η的系数可取2或3,但N取25时,η只能取1.2;最后,使用致动线模型在大气边界层中布置8台风力机,模拟风电场,并对风力机间的相互干扰进行分析,发现第一排风力机功率明显大于其他风力机功率输出,占风场总功率输出的40.3%。     

动态尾流模型在水平轴风力机气动性能计算中的应用

根据势流理论导出风力机动态入流对速度诱导因子及推力系数的影响,建立了动态尾流气动模型.改进了风力机动态过程分析中传统的准稳态平衡尾流近似模型,从而较真实地反映尾流动态滞后和动态诱导速度场,更适用于风力机动态气动分析.应用该动态气动模型开发了风力机动态气动性能计算程序,对一台1.3MW失速调节型风力机进行了气动性能计算.通过比较动态尾流模型和平衡尾流模型处理阶跃风和阵风等动态过程的计算结果,分析了动态气动模型及其数值方法的正确性和实用意义.     

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。     

沿海滩涂风力机近尾流风速分布特性研究

为获得风力机近尾流风速在垂直方向和水平方向的变化规律,提出一种测量风力机近尾流区风速的实测方法。针对某沿海滩涂风电场,采用2台搭载风速仪的无人机对近尾流区进行测量。结果表明：垂直方向,尾流和来流风速比值在1.0D~2.5D处（D为风轮直径）随着高度的增加呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值0.53~0.68;风速比值沿轮毂中轴线呈非对称分布。0.5D处风速比值分别在上下风轮处存在2个极小值0.56和0.50。水平方向,风速比值在1.0D~3.0D处沿径向距离从左向右呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值（0.54~0.78）;风速比值沿轮毂中轴线呈对称分布,随着风轮下游距离的增加呈扩张趋势。最后给出用于A类风场风力机下游尾流风速剖面的预测公式。     

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。     

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。