一种海上风电场自动发电控制流场动态建模方法

摘要

本发明公开了一种海上风电场自动发电控制流场动态建模方法，包括以下步骤：利用CFD仿真进行数据采样，获取数据集；对数据进行收集和整理；采用本征正交分解进行降阶处理；构建基于偏航、变桨、转速调节过程及其扰动过程的海上风电场自动发电控制流场动态模型。本发明能够有效克服高精度风电场流场动态仿真得到的数据集结构庞大，难以直接应用的缺点，得到的风电场流场的动态降阶模型能够大幅度地压缩数据结构，保留流场的主要特征，具有较高的尾流预测精度。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种海上风电场自动发电控制流场动态建模方法。

背景技术

常见的用于尾流调控的风电场流场模型通常是Jensen模型等基于经验的静态尾流模型，该类尾流模型通常精度较低而且不能反映风速变化在风电场中传递造成的延迟问题。为了能够快速模拟风速风向和机组状态改变导致的风电场流场变化的过程，需要建立海上风电场动态流场控制模型。而现有的风电场流场动态模型大都是基于流场CFD的数值模型，产生了大量动态过程流场演变过程数据集，但难以被应用于控制中。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种能够解决现有技术中存在的高精度风电场流场动态仿真得到的数据集结构庞大，难以直接应用于海上风电场自动发电控制这一问题的海上风电场自动发电控制流场动态建模方法。

发明内容：本发明的海上风电场自动发电控制流场动态建模方法，包括以下步骤：

(1)利用CFD仿真进行数据采样，获取数据集；

(2)采集到所需数据后，对数据进行收集和整理；

(3)采用本征正交分解进行降阶处理；

(4)构建基于偏航、变桨、转速调节过程及其扰动过程的海上风电场自动发电控制流场动态模型。

步骤(1)中，所述利用CFD仿真进行数据采样，获取数据集具体包括，通过ICEM软件实现风力机组的实体建模，将风力机组模型导入XFlow软件,并设定输入的风速，且风向与机组排列方向一致，还设定仿真采样时间间隔。

步骤(1)中，所述利用CFD仿真进行数据采样中采样数据包括轮毂高度处水平面各网格点风速的x,y,z分量、穿过机组中心的竖直平面上各网格点风速的x,y,z分量、各机组的输出功率、第一台机组的偏航角。

步骤(2)中，采集到所需数据后，按以下格式进行整理：假设共有n个采样时间点，两个风速数据采样平面共有N个网格点；在第i个采样时间点，采集到的两个平面各网格点风速的x,y,z分量组成向量x

式中，U

步骤(3)中，所述采用本征正交分解进行降阶处理具体为：根据合适的模型精确度和复杂度，选择合适的模型阶数r，对收集的风场数据进行降阶处理；最终得到如下形式的离散状态空间模型：

降阶前后状态向量的关系定义为：

式中，P∈R

步骤(4)中，所述构建基于偏航、变桨、转速调节过程及其扰动过程的海上风电场自动发电控制流场动态模型具体为：

对步骤(2)得到的X进行奇异值分解：X＝U∑V

令

由于Ur为实正交矩阵，则PP

由式(2)得，

把式(3)(5)代入(6)，得状态空间矩阵：

把状态空间矩阵代入式(2)得到风电场流场的动态降阶模型。

工作原理：本发明采用本征正交分解(POD)、动态模式分解(DMD)等模式辨识的模型降阶方法，通过数据压缩提出高效可靠的海上风电场自动发电控制流场动态过程的降阶方法，构建偏航、变桨、转速调节过程及其扰动过程的降阶状态空间模型，得到的风电场流场的动态降阶模型能够大幅度地压缩数据结构，保留流场的主要特征，具有较高的尾流预测精度。降阶处理后的尾流模型虽然没有捕捉到较小尺度的尾流波动和偏移但能够从总体上反映尾流的分布特性。降阶尾流动态模型对海上风电场的动态尾流快速计算应用具有重要意义，尤其在基于海上风电场尾流调控方面。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：结合分析成果，得到的风电场流场的动态降阶模型能够大幅度地压缩数据结构，保留流场的主要特征，具有较高的尾流预测精度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中单排风电场机组排布图；

图3为本发明中偏航角随时间变化的设置图；

图4为本发明中计算域设置图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。

下面以构建基于仅第一台机组偏航调节过程的风电场流场动态模型为例。

对于本实施例，如图2所示，设风电场有单列3台同型号机组组成，其中风轮直径D,轮毂高度：H＝70m，三台机组以距离d等距排列。仿真过程中，设定输入的风速，风向与3台机组排列方向一致。仿真过程中，如图3所示，第一台机组的偏航角在0°到30°区间内阶跃变化，角度变化后维持一定时间使风电场流场充分发展，仿真时长及偏航角设置如表1所示。

表1仿真时长及偏航角设置

如图1所示，本发明的海上风电场自动发电控制流场动态建模方法，具体包括以下步骤：

(1)利用CFD仿真进行数据采样，获取数据集；具体地，通过ICEM软件实现风力机组的实体建模，将风力机组模型导入XFlow软件,对三台机组串列布置，最上游机组进行阶跃偏航的尾流场进行数值模拟。

如图4所示，为计算域设置图，计算域长宽高分别设置为(12D+2d)×4D×4D，风轮平面距离入流边界的距离为2D，D为风轮直径。入口计算域入口设置为速度入口,出口设置为自由出口，底面设置为壁面(ground wall)，其余面设置为周期(periodic)边界。采用WALE亚格子湍流模型，模型参数C

在流场不同位置处设置probes，进行数据采样。仿真采样时间间隔0.1s，采样数据包括：轮毂高度处水平面各网格点风速的x,y,z分量、穿过3台机组中心的竖直平面上各网格点风速的x,y,z分量、各机组的输出功率、第一台机组的偏航角。

(2)采集到所需数据后，对数据进行收集和整理；具体地，按以下格式进行整理：假设共有n个采用时间点，两个风速数据采样平面共有N个网格点。在第i个采样时间点，采集到的两个平面各网格点风速的x,y,z分量组成向量x

式中，U

(3)采用本征正交分解进行降阶处理；具体地，根据合适的模型精确度和复杂度，选择合适的模型阶数r，对收集的风场数据进行降阶处理。最终得到如下形式的离散状态空间模型：

降阶前后状态向量的关系定义为：

式中，P∈R

(4)构建基于偏航、变桨、转速调节过程及其扰动过程的海上风电场自动发电控制流场动态模型；具体地，先对步骤(2)得到的X进行奇异值分解：X＝U∑V

令

由于U

由式(2)得，

把式(3)(5)代入(6)，得状态空间矩阵：

把状态空间矩阵代入式(2)得到风电场流场的动态降阶模型。