[发明专利]基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法

摘要

本发明公开了一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法，涉及杆塔绕流效应的风电机组输出功率模型设计领域，针对风电场中杆塔对下游风电机组的遮挡影响，建立电力杆塔的绕流模型时，应用了亚临界雷诺值下的圆柱绕流模拟结果，并对风速变化曲线进行拟合，建立杆塔的风速绕流模型；将杆塔绕流风速模型与尾流效应、山体地形和随机风向结合，其中尾流模型引用了Jensen尾流模型，山体地形模型引入两山峰的贝尔模型，并且运用风电机组的功率特性模型计算计及杆塔绕流时考虑尾流效应、山体地形和随机风向下的风电场输出功率，并且通过仿真计算研究杆塔绕流对风电机组输出功率的影响。本发明对风电机组和杆塔的微观选址有重要参考价值。

主权项

1.一种基于杆塔绕流效应风速模型对风电机组输出功率影响的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：采集风电场的历史风速风向数据：采集一年内每15分钟的平均风速和风向，将风向角分为m等份，即每个扇区基于历史风向数据得到每L分钟之内风向角在扇区出现的概率，将统计得到的概率值作为待建风电场地区的风向频率；S2：生成山体地形模型：参考经典的贝尔山体模型，将两个经典的单峰贝尔模型进行组合，建立模拟风电场地形的双峰的贝尔模型，该模型的函数为：其中，H₁为左侧山峰的高度，H₂为右侧山峰的高度，x₁、x₂分别为两山峰峰值的横坐标，x₃为两山峰交界处横坐标，L₁、L₂分别为两山峰的迎风坡面长度；S3：研究障碍物绕流特性，通过大涡模拟法对风速绕流进行数值模拟，得到障碍物的风速绕流曲线；将杆塔按照圆柱体进行绕流分析，参考亚临界雷诺值下的圆柱绕流仿真结果对杆塔的风速绕流进行建模；亚临界雷诺值下整个圆柱绕流区域的风场趋向于稳定，来流风V₀与x轴方向相同，y轴垂直于来流风向，V轴表征风速大小；由x方向上的风速变化特性可以看出，在风经过杆塔之后，由于障碍物的绕流特性，风在刚经过杆塔时的一段区域内风向与来流方向相反，并且随着距离x的增加，大小逐渐趋近于初始风速V₀；由沿y轴方向的风速变化特性可以看出，在x恒定的某一空间位置，绕流风速V_x,y随着y绝对值的增加而增大；S4：建立杆塔的风速遮挡模型，根据来流风向的方向距杆塔的远近，将风经过杆塔后的影响区域，划分为绕流区、过渡区和稳流区：其中y＝0时沿x轴的风速V_x的变化特性曲线可拟合为：其中，λ₁为空气密度修正系数，反映了风速衰减的幅度，λ₂为摩擦系数；D为杆塔的直径，x＝2D处风速为0，为绕流区和过渡区的临界点；x＝20D处为过渡区和稳流区的临界点；绕流区、过渡区和稳流区内沿y轴的风速变化趋势不同，沿y方向的风速变化曲线为分段函数，x＝x₀时，沿y轴的风速变化特性曲线拟合为：其中：A₁～A₃为绕流区的特征参数，由绕流区风速变化曲线拟合计算所得：过渡区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合的分段函数为：其中：B₁～B₃为过渡区的特征参数，由过渡区风速变化曲线拟合计算所得：稳流区内，V_x0,y的风速变化曲线拟合函数为：V_x0,y＝(sin(Cy)+1)·V_x0，其中，C为稳流区特征参数，由稳流区风速变化曲线拟合计算所得：得到x＝x₀处的风速V_x0后，进而通过沿y方向上的风速变化曲线，即V_x0,y风速曲线，可以得出空间内任意位置(x₀,y₀)处的风速V_x0,y0，为了表征风经过杆塔后的衰减特性，设定杆塔的风速衰减系数d_t为：d_t＝1‑V_x,y/V₀；S5：建立计及杆塔绕流的风电机组输出功率模型：计及杆塔绕流效应的风电机组风速模型建立时参考风电机组尾流效应的理论：初始风速V₀在经过上游机组WT₁后，部分风能被WT₁吸收，尾流部分风速大小降为V₁；速度为V₁的尾流风经过杆塔绕流后大小变为V_T，V_T的大小与杆塔和下游机组的相对位置有直接关系；V_T和V₁的关系为：V_T＝V₁×(1‑d_t)＝V₀·(1‑d_t)(1‑d_w)；在山体地形和随机风向的影响下，杆塔和风电机组的相对位置发生改变，从而影响杆塔对下游机组的绕流遮挡面积以及下游机组的风速，计算考虑杆塔的绕流影响时，可将遮挡模型分解为：上游风电机组单独对下游机组的影响模型以及上游杆塔单独对下游机组的风速影响模型：杆塔单独对下游风电机组的绕流遮挡面积A_T的计算为：其中D_T为杆塔绕流在下游机组投影面积的宽度，Δh为杆塔与下游风电机组的高度差，r为风电机组叶轮半径；综合每台风电机组和杆塔单独对下游机组WT_i的尾流、绕流风速及遮挡面积，求出每台风电机组的等效输入风速V_Ti：其中β_m为遮挡系数，β_m＝A_Tm/A_ri，A_Tm为下游机组WT_i被杆塔m遮挡的面积，M为风电场中的杆塔数量，V_mi为被杆塔m影响下的WT_i的风速；S6：评估杆塔绕流对风电机组输出功率的影响，按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比；S7：评估以山体地形为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，针对风电场山尖处的风电机组进行仿真，其中以山体地形为变量，通过等比例增加或减小基础山体模型中短峰和高峰的高度值，得到不同的山体坡度；按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比；S8：评估以随机风向为变量的情况下杆塔绕流效应对风电场输出功率的影响，针对不同的风向，对不同风向下的风电机组绕流效应进行评估：按S1～S5步骤对于现有的风电场进行评估，将考虑杆塔绕流效应的情况、不考虑绕流情况下仿真得到的风电场输出功率与实测功率进行对比。