[发明专利]基于三维尾流模型修正风电机组尾部风速功率特性评估法

权利要求书

1.一种基于三维尾流模型修正风电机组尾部风速功率特性评估法，其特征在于：三维尾流计算模型考虑到大气环境及风电机组叶轮扰动造成气流分布不均匀，采用修正的k-ε湍流运动模型进行闭合运算，同时利用Monin-Obukhov长度并结合地表粗糙度来描述大气稳定度，基于非均匀的来流风经过转动的叶片时的空气动力学特性进行建模，该模型把不同方向的平均风速、平均湍流以及平均压力作为自变量，设定上边界、侧边界、地面边界以及进出口边界条件，求解基于Reynoldsaver平均的纳维-斯托克斯方程得到流场中各网格点处的参数值；为了便于求解纳维-斯托克斯方程，增加便于求解但是不影响尾流模型特性的假定条件：假定来流风均匀且不变；假定空气为不可压流体，此时，流动过程中的控制方程主要由动量方程和连续方程组成，此外，采用有限差分的方法对离散控制方程进行计算，然后通过风电机组的技术参数及大气条件确定基于Larsen尾流模型，将机舱尾部测风计所测得的风速采用上述计算流体力学推到受较少风力发电机组尾流影响且在2d-5d位置的风速；

(1)尾流中修正的k-ε湍流模型

湍流是均匀的，湍流应力张量由下面式子给出：

其中，为湍流变形张量

为湍流旋转张量

h＝g(1-α+β)

S_zx＝S_xz＝1.25μ^*/z

Ω_zx＝-Ω_xz＝1.25μ^*/z

ε＝2.5μ^*3/z为湍流耗散率

τ_xz＝ρμ^*2

τ_xx＝-2.4²ρμ^*2

τ_yy＝-1.92²ρμ^*2

τ_zz＝-1.25²ρμ^*2

τ_xy＝0

τ_zy＝0

为湍流动能

ρ为空气密度

z为距地面的高度

z₀为地表粗糙度长度

μ^*为表面摩擦速度

c₁＝1.8

C_ε1＝1.44

C_ε2＝1.92

α＝0.56

β＝0.44

τ_ij表示ij平面内单位质量的切应力，i＝1,2,3；j＝1,2,3，表示三维方向

x_i、x_j表示位移

表示雷诺平均速度

u、v、w表示三个维度方向x、y、z的速度矢量值，V、U都表示速度向量，▽为拉普拉斯算子

S、Ω表示湍流张量的模量

(2)尾流的纳维-斯托克斯方程:

此时其矢量形式为:

其中，对不可压缩牛顿流体来说，只有对流项为非线性形式；对流加速度v·▽v来自于流体流动随空间之变化所产生的速度改变；为非定常加速度；-▽p为气压梯度；μ▽²v为空气粘滞度，f为其他作用的力；

此外，连续方程

(3)Larsen尾流模型风机尾流模型选用Larsen模型，该模型由湍流边界层方程和相似性假设推导而得：

R₉₅＝0.5(R_nb+min(h,R_nb))

R_nb＝max(1.08D,1.08D+21.7D(I_a-0.05))

其中，C_T为推力系数；D为叶轮直径；I_a为轮毂高度处的环境湍流强度；h为轮毂高度；此时，由此进行风速的修正，从而得到来流风的风速；

经过上述风速的修正，根据IEC 61400-12风电机组功率特性测试标准要求进行风电机组的功率特性，经过数据回归绘制出功率曲线及功率系数，外推出年发电量，最后出具测试报告。

2.根据权利要求1所述的基于三维尾流模型修正风电机组尾部风速功率特性评估法，其特征在于：具体方法如下：

第一步，数据的检验与筛选，根据GB/T 18710-2002并结合风电场的实际情况，进行范围检验、相关性检验、趋势检验见表1、2和3；然后进行数据剔除及修正，保证数据可以真实客观地反映风电机组的功率输出情况，剔除风电机组不工作或是测试系统发生故障的数据；

主要参数	合理范围
平均风速	0≤小时平均风速＜40m/s
风向	0≤小时平均值＜360
海平面平均气压	94kPa≤小时平均值≤106kPa

表1主要参数的合理范围参考值

主要参数	合理范围
50m/30m高度小时平均风速差值	＜2.0m/s
50m/10m高度小时平均风速差值	＜4.0m/s
50m/30m高度风向差值	＜22.5

表2主要参数的合理相关性参考值

主要参数	合理变化趋势
1h平均风速变化	＜6m/s
1h平均温度变化	＜5℃
3h平均气压变化	＜1kPa

表3主要参数的合理变化趋势参考值

第二步，数据的回归，从经过筛选后的数据组需要折算到两种参考空气密度下的数据；一种为风电场地的实际空气密度值，其变化幅值接近0.05kg/m³，另一种应为海平面的空气密度值，参考ISO标准的空气密度为1.225kg/m³，则没有必要进行空气密度折算；空气密度可以根据所测得的大气温度和压力通过下式计算得：

其中，ρ_10min是10min平均空气密度；T_10min是测得的10min平均绝对空气气温；B_10min是测得的10min平均气压；R是气体常数287.05J/(kg·K)；

然后对于功率自动控制的风电机组通过下式就可把风速折算到标准大气压下：

其中，V_n是折算后的风速值；V_10min是测得的10min平均风速值；ρ₀是标准空气密度1.225kg/m³；

对于采用失速控制的，具有恒定浆距和转速的风电机组，所测得的功率输出数据可以利用下面公式进行折算：

其中，P_n是折算后的风速值；P_10min是测得的10min的平均风速值；

第三步，风速的修正，利用纳维-斯托克斯方程进行空气流动的描述；

最后，经过数据回归方法绘制出功率曲线及功率系数，外推出年发电量，最后出具测试报告。