[发明专利]基于改进高斯分布尾流模型的风力发电机功率计算方法

说明书

本发明提出一种基于改进高斯分布尾流模型的风力发电机功率计算方法，在经典Jensen尾流模型的基础上，对其假设尾流区风速分布为定值的特性进行改进，采用高斯分布曲线来描述风力机尾流区轮毂高度水平面风速分布特征，初步提出简化的尾流模型；结合风力机前真实来流风速呈现指数分布的特点，引入风切变模型来描述风力机前自由来流风分布特性，对简化尾流模型进行修正，其次考虑尾流区湍流强度分布特性，提出湍流强度分布模型再次进行修正，得到改进的高斯分布尾流模型；最后将改进的高斯分布尾流模型应用风力机判断尾流扇区位置，提出风力机转子平面等效风速计算方法，进而应用于风功率计算公式，从而实现提升风功率计算精度的目的。

技术领域

本发明涉及一种风力发电机功率计算方法，尤其是涉及一种基于改进高斯分布尾流模型的风力发电机尾流扇区判断、尾流风速预测以及风功率计算方法，用于实现水平轴风力发电机功率的高精度计算。

背景技术

风能因其资源储备量丰富、开发技术相对成熟且具有污染小等优点，使风力发电在全球电力市场中占据着举足轻重的地位。然而由于风力发电的间歇性和波动性，风力发电同时具有不稳定性。因此，对风力发电系统进行详细的可靠性分析和评估至关重要。

自由来流风在经过风力机时，部分风能被风力机所利用转化为叶轮旋转的机械能，根据能量守恒原则，风力机下游能量降低，进而导致风速降低、湍流程度增加的现象，这种现象被称之为尾流效应。尾流效应作为风电场可靠性评估中的一项重要内容，其评估的精度直接影响风电场发电量的评估精度。对尾流效应的量化表征，当前主要采用尾流模型，其本质是通过数学表达式来描述尾流风速分布曲线。典型的代表有Jensen尾流模型，其假设来流风速为定值、尾流线性扩张且尾流区风速分布为定值。但当前大量的风洞以及现场实验数据表明尾流区风速分布呈现高斯分布，来流风存在风切效应且尾流区湍流强度变化复杂。因此有必要考虑上述因素对现有尾流模型进行优化，提升风力机轮毂高度平面内的尾流风速分布预测精度。

当前主流的风功率计算公式忽略了风电场尾流效应的影响，处于尾流扇区内的风机所面临的来流风速与自由来流风速有较大差异。而准确的风机前来流风速是风功率计算精度的保证。故采用改进尾流模型所预测的尾流扇区以及尾流区风速，并结合理论风功率计算方法可有效提升风电场风功率计算精度，对风电场的运行指标以及可靠性评估具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种基于改进高斯分布尾流模型的风力发电机功率计算方法，目的在于通过改进经典的Jensen尾流模型，提升尾流模型在尾流区预测风速的精度，同时结合风机偏航将尾流模型所预测的尾流扇区应用于风功率计算，进而提升风电场风功率预测精度。

本发明采用的技术方案：

基于改进高斯分布尾流模型的风力发电机功率计算方法，其实现步骤如下：

1)在经典Jensen尾流模型的基础上，对其假设尾流区风速分布为定值的特性进行改进，采用高斯分布曲线来描述风力机尾流区轮毂高度水平面风速分布特征，初步提出简化的尾流模型；

2)结合风力机前真实来流风速呈现指数分布的特点，首先引入风切变模型来描述风力机前自由来流风分布特性，对简化尾流模型进行修正，其次考虑尾流区湍流强度分布特性，提出湍流强度分布模型再次进行修正，得到改进的高斯分布尾流模型；

3)将得到改进的高斯分布尾流模型和现场测量数据进行对比验证，确保所改进模型的预测精度，最后将改进的高斯分布尾流模型应用风力机判断尾流扇区位置，提出风力机转子平面等效风速计算方法，进而应用于风功率计算公式，从而实现提升风功率计算精度的目的。

步骤1)中，根据Jensen尾流模型，假设来流风速为定值，尾流区位置x处轮毂高度水平面尾流扇区风速分布曲线呈现高斯分布特性，提出尾流区水平面速度分布U(x,y)的计算公式如下式所示：