一种串列多风机尾流平均风速和湍流度指数叠加模型

摘要

本发明公开了一种串列多风机尾流平均风速和湍流度指数叠加模型，通过以下步骤实现平均风速和湍流度的计算：通过SOWFA进行串列多风机尾流的高精度数值模拟，获取没有风机影响时，风场在轮毂高度的平均来流风速和湍流度；采用Ishihara‑Qian单风机尾流模型计算出第i台风机的单风机尾流平均风速和单风机湍流度；计算提取前一台风机后的，当前风机所处位置处，风轮直径范围内的风机的工作风速和工作湍流度；再根据指数叠加模型计算第二台风机之后的第i台风机的尾流实际平均风速和实际湍流度。本发明可以计算出多风机尾流区域的平均风速和湍流强度，计算结果可为风场布局优化，提升风场的发电效率和降低风机疲劳荷载提供参考。

说明书

技术领域

本发明属于风机模拟解析技术领域，尤其涉及一种串列多风机尾流平均风速和湍流度指数叠加模型。

背景技术

全球能源短缺和环境污染问题突出，风能等可再生能源的快速发展可以为这些问题的解决做出突出贡献。但是目前研究表明风机的尾流效应会造成风场在正常工作情况下损失10-20％的发电效率，并且尾流中湍流度的增加会引发下游风机振动造成更大的疲劳损伤。因此如果想要提升风场发电效率，延长风机工作寿命，就必须能准确快速地计算风场中风机尾流的重要特征，平均风速和湍流度。

现有技术中，所采用的多风机尾流平均风速叠加模型的系数均为定值，在不同的风场工况下无法都能获得较为准确的结果。或者所采用的多风机尾流湍流度的计算方法是采用离计算位置最近的一台上游风机的尾流湍流度来表示的，没有考虑多风机尾流湍流度的叠加效应。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种串列多风机尾流平均风速和湍流度指数叠加模型。

本发明的一种串列多风机尾流平均风速和湍流度指数叠加模型，通过以下步骤实现串列多风机尾流平均风速和湍流度的计算：

步骤1：通过SOWFA进行串列多风机尾流的高精度数值模拟，获取没有风机影响时，风场在轮毂高度的平均来流风速U

步骤2：采用Ishihara-Qian单风机尾流模型计算出第i台风机的单风机尾流平均风速U

步骤3：计算提取前一台风机后的，当前风机所处位置处，风轮直径范围内的风机的工作风速

步骤4：根据指数叠加模型计算第二台风机之后的第i台风机的尾流实际平均风速U

其中，c为拟合风速叠加模型的指数系数，与风机间距的关系为：

c＝4.579(Δx/D)

式中，D为风轮直径。

d为拟合湍流度叠加模型的指数系数，取值0.8。

本发明的有益技术效果为：

本发明中的尾流平均风速指数叠加模型的指数系数可以根据工况的不同进行调整，具有更强的适用性和准确性；尾流湍流度指数叠加模型可以考虑尾流中多台风机的湍流度叠加效应，具有更高的准确性。本发明方法可以计算出多风机尾流区域的平均风速和湍流强度，计算结果可为风场布局优化，提升风场的发电效率和降低风机疲劳荷载提供参考。

附图说明

图1为本发明计算流程图。

图2为数值模拟轮毂高度平面风场平均风速云图(Case 1:4m/s-5.5％-6D)。

图3为数值模拟轮毂高度平面风场湍流强度云图(Case 1:4m/s-5.5％-6D)。

图4为不同指数系数c的尾流平均风速指数叠加模型结果(Case 3:11.4m/s-5.5％-6D)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种串列多风机尾流平均风速和湍流度指数叠加模型如图1所示，通过SOWFA(Simulator for Offshore Wind Farm Applications)进行串列多风机尾流的高精度数值模拟得到尾流数据，包括各台风机尾流的平均风速和湍流度。以数值模拟的结果作为参照，对平均风速和湍流度叠加模型的指数系数进行拟合，得到每个工况下的最优指数系数。

进行多风机数值模拟的主要目的是发展新的多风机尾流叠加模型，选取最典型的单串列风机排布。影响多风机尾流衰减的主要因素包括来流风速、来流湍流强度、风机的纵向间距。

每台风机都有三个特殊的工作风速，分别是切入风速、额定风速、切出风速。风机在风电场中主要工作情景还是在额定风速及以下，出现大风、极端风相对较少，因此本节的模拟在NREL5MW的工作风速范围中选取4m/s(接近切入风速)，7m/s(切入风速和额定风速之间)，11.4m/s(额定风速)，即可反映风机在大部分来流风速下工作的状态。

描述来流风除了平均风速还有湍流强度，地面粗糙度大致分为三类。为了考虑不同的来流湍流度，模拟选取地面粗糙度为0.001m(典型海上粗糙度)，0.02m(平坦草原)，0.2m(典型陆地粗糙度)，即可考虑大部分风场位置的环境湍流度情况。

根据国外试验，大部分认为风机的顺风向间距约为5-9倍风轮直径。因此模拟考虑风机行间距分别为4、6、8、10D的情况。

本发明多风机尾流数值模拟工况设置如表1所示。

表1多风机尾流数值模拟工况设置

注：U

当串列4台风机尾流在入流风速4m/s，地面粗糙度0.001m(入流湍流度为5.5％)，风机间距为6D(D为风轮直径)时的大涡数值模拟结果。模拟轮毂高度平面风场平均风速和湍流强度云图分别如图2、图3所示。

接下来采用叠加模型来计算多风机尾流。

步骤1：获取没有风机影响时，风场在轮毂高度的平均来流风速U

步骤2：采用Ishihara-Qian单风机尾流模型计算出第i台风机的单风机尾流平均风速U

步骤3：计算提取前一台风机后的，当前风机所处位置处，风轮直径范围内的风机的工作风速

步骤4：根据指数叠加模型计算第二台风机之后的第i台风机的尾流实际平均风速U

其中，c为拟合风速叠加模型的指数系数，d为拟合湍流度叠加模型的指数系数。

据此获得模拟的8种工况的最优指数系数，如表2所示。

表2不同工况的最优指数系数

可见尾流平均风速指数叠加模型的指数系数c主要与风机间距相关，尾流湍流度指数叠加模型的指数系数d基本不变为0.8，因此可以拟合出指数系数c与风机间距的关系如下：

c＝4.579(Δx/D)

式中，D为风轮直径。

指数叠加模型的指数系数c和d，需要根据数值模拟的结果确定其具体的数值，如图4所示，改变模型系数的大小可以使得叠加模型计算出不同的结果。