基于中微尺度耦合模式的风电场风资源评估方法研究

针对传统风资源评估方法采用假设的入流风廓线模型而无法考虑宏观大气环流对风电场内风流动影响的问题,文章基于中尺度WRF模式和微尺度CFD模型,研究了基于中微尺度耦合模式的风资源评估方法。首先,建立基于WRF模式的中尺度数值模拟方法和基于CFD方法的微尺度风资源评估方法;其次,研究了中微尺度数值模拟方法的耦合原理,构建了从中尺度模拟结果中提取微尺度建模计算边界附近风速廓线的方法,建立了中微尺度耦合风资源评估流程;最后,通过某复杂山地风电场进行验证。验证结果表明,中尺度模拟结果可以改善微尺度CFD模型的入流边界条件,并有效降低风资源评估的误差。     

基于大涡模拟与中尺度数值天气模式的精细化风场模拟

[目的]结合中尺度模型与大涡模拟模型,考虑大气边界层变化,开展了亚公里级的项目机组排布的数值模拟,给海上风机项目在选址排布阶段提供发电效能高的排布方案。[方法]将中尺度数值天气模拟结果转换为大涡模拟模型输入的边界条件,并在大涡模拟模型中引入实际风电场运行的模型参数,进行考虑实际大气边界层变化下的风电场空间的环境风场数值模拟试验,基于风电场收集的观测数据,对本风场精细化模拟方案的结果进行评估。[结果]模拟结果表明：将中尺度天气模型的模拟结果转换为大涡模拟模型能读取的动态驱动并基于该模型对风电场所处的风场进行模拟,其模拟结果能再现在实际风电场中,外部风场流经风电场后,外部风场的变化和在风电机群内所产生的尾流及其对于风电场内部风场的影响,且在风机轮毂处的风速模拟值的均方根误差为1.54 m/s。[结论]该考虑中尺度气象要素变化和风电场对环境风场影响的风场精细化模拟方案可为实际项目设计阶段提供相应的指导。     

基于Park-Gauss模型考虑大气稳定性对布局优化的影响

基于Park模型尾流区线性膨胀假设和径向风速呈高斯分布假设,提出一种新的修正型的工程尾流模型Park-Gauss模型,采用小生境遗传算法,并考虑大气稳定性对风电场布局优化的影响。结果表明:对常风速单风向风电场微观选址布局优化结果是风力机组主要布置在垂直风向的第1排和最后1排;大气边界层稳定性对风电场微观选址布局优化影响显著,在大气边界层不稳定状态下,风电场安装机组总数最多、发电总量及风电场利用效率最高,中性状态和稳定状态依次次之。     

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.     

基于NWP/CFD嵌套的复杂地形风场模拟研究

为解决复杂地形边界层风场模拟的边界条件问题,结合中尺度数值天气预报(NWP)和小尺度计算流体动力学(CFD)技术,提出一种基于NWP/CFD嵌套的降尺度风场模拟方法。该方法依据NWP低分辨率输出结果,建立目标区域来流边界数据库,并结合反距加权插值获得CFD边界精细格点信息。以沿海地区2处复杂地形为对象,重现目标区域内的风场日变化。参考经验风剖面分布形式,验证插值算法在中小尺度耦合界面数据传递的适用性。然后基于模拟域内实测点数据及误差统计指标,评估风场模拟效果。结果表明,所提降尺度风场模拟方法能有效反映微地形、微气象对风力机尺度大气运动影响。     

基于CFD技术的风电机组功率特性评估方法

针对IEC61400-12-1标准对风电机组功率特性测试难以广泛开展的问题,提出一种基于修正SCADA风速的功率特性评估方法。首先基于CFD技术,利用风场实际数据建立纳维-斯托克斯方程,用修正后的k-ε湍流模型求解,建立风电场物理模型;然后通过机组的技术参数及大气条件确定"Larsen"尾流模型,根据机舱风速得到自由风速;最后利用修正后风速进行功率特性的评估。实例验证表明,该方法能满足风电机组功率特性评估的要求,能较好反映机组的功率出力情况,方便、快捷且花费较低,适用工程应用。     

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。     

基于网格-坐标化遗传算法的风电场布局优化

采用Jensen尾流模型来描述风电机组间尾流的干扰效应。首先基于网格化的改进遗传算法获得风电机组的数量和布局初始位置,再通过坐标化遗传算法对风电机组位置进行进一步调整优化,从而提高单位成本的发电量。根据所提出的方法,在3种不同的风场（定风向定风速、定风速变风向和变风速变风向）下,针对2 km×2 km的标准风场区域进行风电机组布局优化,再将其应用到不规则的实际案例,对比分析表明所提出的方法能有效提高发电量。     

双重不确定性预测下风电场超短期有功优化控制

针对风电场并网友好性提升问题,提出考虑风速预测不确定性和风电机组有功特性不确定性的风电场发电能力评估方案。对风速超短期预测误差和风电机组在各风速区间的出力特性进行双重不确定性分析并建立概率分布模型,进而利用贝叶斯网络构建风电机组超短期出力的双重不确定性概率预测模型。基于风电场各风电机机组超短期出力概率预测模型,以最大概率跟踪电网调度指令为目标设计场站功率分配策略。算例分析表明,所提考虑双重不确定性的概率预测模型对机风电组有功的概率分布描述更准确,该模型在场站控制中可有效提升电网功率指令的完成水平。     

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。     

大气模式物理过程参数化对风电场风速预报的影响

准确预报风电场风电功率对风电稳定发展至关重要,可有效减轻风电对电网的不利影响,提高风电场运行效益,其前提是准确预报风电场风速。以宁夏某风电场为例,基于中尺度大气模式WRF,采用不同物理过程参数化方案设置对提前72h的逐时风速进行预报,并将预报结果与实际风速资料对比,分析了WRF模式不同物理过程参数化方案设置对风速预报结果准确度的影响,并优化了物理过程参数化方案设置。结果表明,行星边界层参数化方案与辐射过程参数化方案设置对风速预报结果准确性影响较大,微物理过程参数化方案与积云对流参数化方案设置对风速预报结果准确性影响较小。     

考虑风速相关性的风电接入能力分析

同一地区的风电场一般建立在相互接近的地理位置上,因此其风速往往呈现出一定的相关性。采用Copula函数建立多风电场的风速相关性模型,继而生成具有相关性的风速分布样本空间。考虑风速的随机性与相关性,应用机会约束规划理论,在满足系统安全可靠运行的前提下,以系统可接入的风电机组装机容量最大化作为优化目标,建立了计算风电穿透功率极限的概率最优潮流模型,并采用一种基于随机模拟技术的粒子群优化算法进行求解。以IEEE30节点测试系统为算例,分析风速相关性、风电场接入点和机会约束置信水平对风电接入能力的影响,结果验证了所提模型与算法的合理性与可行性。     

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。     

台风型风电机组极限载荷与现场数据分析

针对2014年"威马逊"台风和"海鸥"台风袭击广东湛江某风电场的风电机组现场数据,进行极限载荷和现场数据分析。根据台风型风电机组GB/T 31519—2015和风电机组设计要求GB 18451.1—2012标准,采用DNV GLBladed软件,分别对标准工况和台风工况下的1.5 MW双馈型风电机组的极限载荷进行仿真,并将仿真结果与台风现场数据进行对比分析。最后探讨在台风环境下,通过优化变桨距系统的控制策略来提高风电机组安全性和可行性。结果表明,风电机组在台风工况的极限载荷远大于标准工况;台风风速和风向的极端变化是造成风电机组载荷成倍增加的主要原因;通过优化变桨距控制策略可降低风电机组在台风环境下的载荷,提高风电机组的安全性。     

基于实测数据的风电场稳态等值建模研究

针对大型风电场仿真模型复杂,计算量大的特点,提出一种利用实测数据建立大型风电场稳态等值模型的新方法。通过粒子滤波算法对原始风速数据进行预处理,消除噪声干扰对真实数据的影响;考虑到风电场内风机的风况差异问题,采用K-均值聚类算法提取反映风电机组风况差异的特征风速,以简化建模过程;选择特征风速和实测风电功率为输入、输出信号,应用BP神经网络拟合风电场稳态等值模型。该模型考虑了风电场地形地貌、机组分布因素,利用实测数据对模型进行泛化能力分析和精度验证,仿真结果表明,该方法具有一定的准确性与合理性。     

复杂下垫面风电场风速垂直外推方法研究

以复杂下垫面风电场风速垂直外推方法为研究对象,分析复杂下垫面风电场风廓线受影响的成因,认为大气稳定度、地形以及粗糙度对风廓线存在显著影响,然后选取风向与大气稳定度分类参数对各影响因素进行量化。在此基础上以支持向量回归为工具,提出考虑各影响因素的风速垂直外推方法,并以中国中部复杂山区风电场为例验证所提出的方法。将外推结果与传统方法进行对比,结果表明所提出的方法各评价参数均优于规范推荐的风切变指数方法,其计算出的风速偏差、绝对风速偏差、均方根误差以及发电量偏差分别降低79%、11.7%、20.2%以及81.6%,相关系数提高0.4%,说明该方法能有效提高风速垂直外推准确性、降低风电项目建设风险。     

基于数值仿真技术的风电机组测试场地标定方法研究

文章使用数值仿真软件建立复杂地形的CFD模型,通过测风塔位置处实测风速来推算风机机位处的实际风速,并与实际风电场地标定中相同时间序列的实测风机机位风速进行比对,验证了通过数值仿真计算来实现在风电机组测试场地标定的可行性。     

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。     

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。