[发明专利]一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法

权利要求书

1.一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法，其特征在于，该方法获取风力发电机组所处地点风轮直径D_i、机组坐标[x,y]，根据Jensen模型，确定所述风电机组后的尾流直径D_w,i,q，D_w,i为机组i的风轮尾流直径，q为根据尾流离风轮中心的距离分为三个不同的区域；

获取所述风电机组的偏航角度γ_i和尾流中心线角度ξ_i(x)，确定所述风电机组的下风向尾流中心位置y_w,i(x)，由机组坐标Y、偏航导向侧向偏移y_w,偏航,i、旋转导向侧向偏移y_w,旋转,i三部份组成；

由所述风电机组尾流直径D_w,i,q和所述下风向尾流中心位置y_w,i(x)，确定尾流区机组i和下风向机组j的尾流重叠面积

由所述风电机组后的尾流直径D_w,i,q，确定所述风电机组的尾流衰减系数c_w,i,q(x)，尾流衰减率用于调节偏航角度；

由轴向诱导系数a_i、尾流衰减系数c_w,i,q(x)、尾流重叠面积确定受尾流风影响的有效风速v₂(j)；

获取风力发电机组所处地点空气密度ρ，机组实时偏航角度实时功率最佳风能捕获系数c_P，确定不受尾流风影响的有效风速v₁(j)；

由于机组功率P_i^实时和风能捕获系数直接相关，将风场发电功率最大化问题转化为求解轴向诱导系数a_i最优问题，仅考虑下风向相邻机组，对轴向诱导系数a_i进行简化迭代计算，根据功率和偏航角度的关系，反算出偏航角度，并下发给机组i控制器和风电场控制器系统，通过更新机组i尾流区和下风向机组j的风轮重叠面积获得机组的有效风速U_i，完成轴向诱导系数a_i最优和偏航角度的闭环控制。

2.如权利要求1所述的考虑机组尾流的风电场偏航控制方法，其特征在于：所述风电场偏航控制方法包括以下步骤：

步骤1：获取风力发电机组所处地点风轮直径D_i、机组坐标[x,y]，根据Jensen模型，确定风电机组后的尾流直径D_w,i,q，D_w,i为机组i的风轮尾流直径，q为根据尾流离风轮中心的距离分为三个不同的区域；

根据Jensen模型，D_i为风力发电机组i风轮直径、D_w,i(x)为风电机组后的尾流直径，D_w,i(x_j)为机组i在机组j处的尾流影响直径，V_wi(x,r,a_i)为点(x,r)的估计风速，D_j为机组j风轮直径，A_j为机组j的风轮扫掠面积，为机组i尾流影响在机组j风轮扫掠面积A_j的剖面重叠面积；

步骤2：考虑单个机组i，机组尾流点(x,r)的估计风速为：

V_w,i(x,r,a_i)＝V_∞[1-δV_w,i(x,r,a_i)] (1)

风轮直径为D_i，风轮轴向和风向一致，自由风向为V_∞，x为到风机风轮面的距离，r为风机风轮轴中心线的距离；

步骤3：单个机组风速衰减系数如下：

D_i为尾流直径，假设为圆形截面，与距离x成正比，k为可调尾流扩展系数；

D_w,i(x)＝D_i+2kx (3)

步骤4：该模型推广至包含多台混合尾流的机组，机组j的有效风速V_j通过估计上风向机组的风速衰减获得；

A_j是机组j的风轮扫掠面积，是与机组j风轮盘重合面积，上风向机组i产生的尾流，影响机组j的风轮盘根据三角几何关系计算得到；

步骤5：建立笛卡尔坐标系，[x,y]为笛卡尔坐标系的坐标，x的方向和风向φ相同，它由全场风向V_∞平均获得，y的方向和x方向正交，z为轮毂高度方向，机组i位置为[X_i,Y_i]，为机组i在相对坐标系的位置，两者关系如下；

步骤6：根据离风轮的距离，将尾流区域划分为3个尾流区q，q＝1,2,3表示三个不同的尾流区，q＝1为近尾流区，q＝2为远尾流区，q＝3为混合尾流区，得机组i后的尾流直径：

D_w,i,q(x)＝max(D_i+2k_em_e,q[x-X_i],0) (7)

D_i为机组i的风轮直径，k_e，m_e,q为尾流系数，每个区域的尾流系数不一致，m_e,1为近尾流系数，通常为负数，表示近尾流区的横截面随着到风轮的距离而减小到零；

步骤7：尾流三区域中，风速衰减离风轮的距离直接相关，将机组i中心尾流位置y侧边偏移表示为分段常系数函数

c_i(x,y)为机组i中心尾流位置y侧边偏移的分段常系数函数，它根据机组i后的3个尾流区尾区域的半径分为4段；

步骤8：根据风电机组的偏航角度γ_i，尾流位于下风向x＞X_i的中心线角度ξ_i如下：

其中，γ_i为机组i的偏航角度，C_T为没有偏航条件的推力系数；

步骤9：y_w,i(x)为机组i在下风向x＞X_i区域的尾流中心位置，它结合了旋转和偏航导向；机组i在下风向x＞X_i区域的尾流中心位置表示如下：

y_w,i(x)＝Y_i+δy_w,旋转,i(x)+δy_w,偏航,i(x) (10)

其中，旋转导向尾流侧边偏移

δy_w,旋转,i(x)＝a_d+b_d[x-X_i] (11)

步骤10：偏航导向侧向偏移y_偏航,i由尾流中心线角度的正切沿x方向积分获取，旋转导向侧向偏移y_旋转,i，当上游风力发电机组没有偏航时，其尾流也会有一个微小的偏移量；当风轮顺时针旋转的时候，风轮之后的尾流会逆时针旋转，这使得在边界层下层的低速气流会被向上卷起向右侧偏离，边界层上层的高速气流会向下卷动并向左偏离，因此尾流右侧的速度损失量增加，尾流向右侧偏离；

通过泰勒二次展开得到：

D_i为机组i的风轮直径，k_d为偏航尾流挠度敏感性系数，表示尾流向主要风向Φ恢复，ξ_初始为风轮尾流初始偏航角；

步骤11：由风电机组后的尾流直径D_w,i,q，确定各区域的尾流衰减系数c_w,i,q(x)：

系数m_U,q为描述尾流区域衰减快慢的参数

上式表示了系数m_U,q和偏航角度γ_i关系；

步骤12：机组风轮和不同尾流区域的重叠面积从由风电机组尾流直径D_w,i,q和下风向尾流中心位置y_w,i(x)计算得到，为机组i尾流区和下风向机组j的风轮重叠面积：

表示上风向不受其它机组尾流影响的机组：

表示该机组受其它机组的尾流影响；

在集合中与机组有最大重叠面积用u(j)表示；

对于每个机组估计有效风速

为上风向不受其它机组尾流影响的机组，为受其它机组尾流影响的机组；

步骤13：根据风力发电机组所处地点空气密度ρ，机组实时偏航角度实时功率最佳风能捕获系数c_P，得到不受尾流风影响的有效风速v₁(j)直接由实时偏航角度实时功率计算得到：

由于下风向受尾流影响的机组，其有效风速由重叠面积尾流衰减系数c_i,q(x_j)、轴向诱导系数a_i决定；

表示在集合中与机组有最大重叠面积，机组在最大重叠区的有效风速，乘以一个表示不同尾流区的系数表示与上风向机组风轮的重叠程度；

步骤14：在非偏航情况下，功率系数和每台机组的轴向诱导系数相关，机组i轴向诱导系数a_i定义如下：

轴向诱导系数为自由风速与风轮平面风速差值与自由风速的比值，U_i,D为风轮风速，U_i为机组i前方的自由风速，机组i的功率系数C_P和轴向诱导系数a_i关系如下：

C_P(a_i)＝4a_i[1-a_i]² (21)

考虑到偏航对风误差对风轮功率影响，对上式进行修改；

这里，C_P(a_i,γ_i)是与轴向诱导系数a_i，偏航角度γ_i相关的功率系数，最大c_P＝0.482、效率η＝0.768、参数p_P＝2；

根据C_P特性曲线，轴向诱导系数a_i，从桨距角和叶尖速比关系中推导出来，也可以通过最大化风能捕获的有效风速中推导出来，通过求解最大化风电场功率问题，获得轴向诱导系数a_i最优；

步骤15：由于湍流的交叉影响，改变轴向诱导系数a_i，将影响机组i和其下风向机组j的功率由于空气密度、风轮扫风面积确定，风场发电功率最大化问题转化为求解轴向诱导系数a_i最优问题；

其中，

每台机组的功率P_i和风速v_∞的3次方成正比，利用斜率优化算法对轴向诱导进行迭代更新计算：

i＝1,…,n,k定义为迭代，系数K＞0为轴向诱导系数a_i相关的比例系数，考虑到计算量，利用过去的迭代通过一阶反向差分估算；

其中，

上风向机组和下风向最远机组的距离可能相差7-8个风轮直径的距离，当机组1的尾流传到机组n时，机组n的功率才能获得更新，尾流的传输将花费较长的时间，因此，仅考虑下风向相邻风机，对轴向诱导系数a_i进行简化：

由于尾流从一台机组传输到另一台机组时，仅考虑下风向相邻机组，对轴向诱导系数a_i进行迭代计算；

步骤16：由于机组功率P_i^实时和风能捕获系数直接相关，通过公式(23)将风场发电功率最大化问题转化为求解轴向诱导系数a_i最优问题，仅考虑下风向相邻机组，对轴向诱导系数a_i进行简化迭代计算，根据公式(22)功率和偏航角度的关系，反算出偏航角度，并下发给机组i控制器和风电场控制器系统，通过更新机组i尾流区和下风向机组j的风轮重叠面积获得机组的有效风速U_i，完成轴向诱导系数a_i最优和偏航角度的闭环控制；

P_i为机组i的功率，ρ为空气密度，A_i为风轮扫掠面积，C_P为机组功率系数，U_i为机组有效风速，a_i为轴向诱导系数，γ_i为偏航角度。