[发明专利]一种计算充分发展风电场的等效粗糙度的方法

说明书

本发明提出一种计算充分发展风电场的等效粗糙度的方法，包括：考虑轮毂高度风速不均匀性修正了top dowm模型，引入修正系数α来表示实际风轮来流速度与平面平均速度的差异；修正后的top down模型同Jensen尾流模型相结合，利用Jensen尾流模型计算风电场叠加速度得到修正系数，根据top down模型计算等效粗糙度以及轮毂平面平均速度，通过耦合top down模型和Jensen模型的轮毂平面平均速度得到最终的等效粗糙度。本发明所得到的新粗糙度模型，可以快速、简单、方便、较准确地计算出大型风电场的等效粗糙度，为大型风电场的微观选址考虑粗糙度的影响提供参考。

技术领域

本发明属于充分发展风电场的风力发电微观选址技术领域，具体涉及一种计算充分发展风电场的等效粗糙度的方法。

背景技术

对于大型风电场来说，粗糙度的定性计算是非常复杂的。首先，大气边界层与风电场的相互作用是影响粗糙度精确评估的重要因素。其次，上游机组的尾流效应也是一个不可忽略的因素，风电机组之间的相互作用使内部流场发生剧烈变化。因此，准确预测风电场粗糙度，对于风电场微观选址、功率预测以及提高风电场经济效益都有十分重要的意义。解析模型由于具有理论性强、结构简单、计算时间短、计算精度高等优点，成为工程中广泛应用的研究尾流和大气边界层的数学方法。目前最经典的解析尾流模型是Jensen模型，该模型假设尾流区风速沿径向均匀分布(即顶帽分布)且只应用了质量守恒，因此高估了尾流区的风速，通过对风轮处速度剖面的修正，得到了修正Jensen模型。边界层模型中Frandsen模型将风电场大气层沿垂直方向分为两个应力层，相应地得到两个对数律的平均速度表达式；Calaf(top down)模型在Frandsen模型的基础上考虑了风轮尾流层，其速度分布更符合大型风电场的大涡模拟结果。由于边界层模型在建模过程中将风轮处的入流速度简化为轮毂平面的水平速度，因此得到的风电场等效粗糙度与数值模拟的值存在较大的差异。尤其是对于一些机组的流向或展向间距较大的风电场，现有的边界层模型对等效粗糙度的预测存在较大的误差。

发明内容

本发明提出一种计算充分发展风电场的等效粗糙度的方法，包括步骤如下：

步骤1：根据应力守恒方程，引入修正系数α，建立新的充分发展风电场的等效粗糙度的修正的top down模型，所述等效粗糙度为：

其中，D是风轮直径，s_x和s_y分别是风电机组流向和展向间距相对风轮直径的无量纲参数，z_h为轮毂高度，κ是卡门常数，κ＝0.4，z_0,lo表示地面等效粗糙度，z_0,hi是风电场等效粗糙度，C_T是风轮的推力系数；ν_T为等效涡粘系数，ν_w是尾流附加涡粘系数；

步骤2：根据质量守恒，得到包含修正因子β的Jensen模型，并得到相对尾流速度损失；

步骤3：通过修正的Jensen尾流模型和修正top down模型的耦合计算修正系数α以及风电场等效粗糙度。

进一步，在所述修正的top down模型中，假设风电场有三个应力层，

步骤1-1：根据边界层理论，速度随高度的变化符合经典的对数律：

其中，z₀表示地表等效粗糙度；u_*为摩擦速度，ρ是空气密度；τ_w是地表应力；δ是边界层高度；

步骤1-2：由式(1)可得到风轮下方和上方的平均速度分别为：

其中，u_*lo是地面摩擦速度；u_*hi是风电场摩擦速度；