一种风力发电机的尾流分析方法及系统
技术领域：
[0001] 本发明涉及风电领域，尤其涉及一种风力发电机的尾流分析方法及系统。
背景技术：
[0002] 随着风电大力发展，风电场建设规模的扩大，在分析风电场接入电力系统时，需要考虑风电场输出功率波动范围大的特点。风能具有间歇性和随机波动性，风速的变化直接导致风电场的有功功率和无功功率的变化，输出功率很不稳定。当风电穿透全运行时会产生严重的影响，同时也会影响电能质量和经济调度以及电力竞价。因此，积极开展风电功率预测研究工作，提高预测的准确性，对电网调度、提高风电的接入能力以及减少系统运行成木等方而具有现实意义。
[0003] 随着风电并网规模的不断提高，风力发电的不确定性和不可控性给电网的安全稳定经济运行带来诸多问题。因此需要对大规模风力发电的相关问题进行深入分析研究，尤其需要分析大规模风电集中并网情况下风机尾流效应对风电场运行情况的影响。
[0004] 此外，单叶轮风力发电机的发电效率只能通过调节叶轮大小、叶片形状来实现，往往并不理想，急需提供一种双叶轮的风机结构，以根据风速做叶轮的选择和调整，同时对这种双叶轮结构的风机进行尾流效应分析也是面临的一大难题。
[0005] 因此，现有技术中的缺陷是：基于多尾流模型的风机尾流分析，没有充分考虑多维数据对风机尾流的影响，使得存在稳定性差、可靠性低和成本高等缺陷，同时也不存在一种既可以对单叶轮风机进行尾流分析，又可以对特定的双叶轮结构的风机进行尾流分析的方法。
发明内容：
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于多维数据的风机尾流分析方法及系统，通过对尾流模型，及无风切变和风切变两种入流情况下的尾流进行分析，综合分析多维数据对风机尾流的影响，以实现稳定性好、可靠性高和成本低的优点。同时，本发明提出的方法既适用与单叶轮结构的风机，又适用于发明人提出的特定结构的双叶轮结构的风机，兼容性更佳。
[0007] 本发明由如下技术方案实施：
[0008] 第一方面提供了一种基于多维数据的风机尾流分析方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤S1，针对每一风机叶轮获取湍流强度数据；
[0010] 步骤S2，将所述湍流强度数据输入预先建立的尾流模型，进行尾流分析，得到尾流模型分析结果；
[0011] 步骤S3，根据所述尾流模型分析结果，对无风切变和风切变两种入流情况下的尾流进行分析，得到尾流分析结果。
[0012] 在另一实施方式中，
[0013] 所述预先建立的尾流模型，具体为：
[0014] 设定尾流区域半径线性增长，且紧邻风轮后方尾流区域半径与风轮相同，求得风轮后轴向距离x位置处尾流区域半径r；
[0015] 设定风轮后轴向距离x位置处风速沿径向均匀分布，根据质量守恒得到均匀风速v*；
[0016] 根据质量守恒和均匀风速v*，以抛物线函数描述风速沿径向分布规律，得到轮毂高度水平面上任意点风速v；
[0017] 基于尾流区域湍流强度对尾流恢复系数k的影响，根据叶片旋转附加湍流强度计算经验公式，得到尾流恢复系数k的计算公式；
[0018] 将尾流恢复系数k代入风速v计算公式，得到风电机组尾流区风速分布的尾流模型。
[0019] 在另一实施方式中，
[0020] 所述轮毂高度水平面上任意点风速，具体为：
[0021] 确定参考坐标系，以风轮中心为坐标原点，风轮旋转轴为x轴，径向为y轴，得到轮毂高度水平面各点位置坐标；
[0022] 根据来流风速，对照机组推力系数随风速变化曲线得到机组该工况下推力系数；
[0023] 将各输入参数代入抛物线尾流模型，得到轮毂高度水平面任意位置处风速。
[0024] 在另一实施方式中，
[0025] 所述步骤S3，具体为：
[0026] 根据所述尾流模型分析结果，通过大涡模拟法得到网格尺度；
[0027] 根据所述网格尺度，设定计算网格，得到计算域；
[0028] 在风力机处于额定转速时，对无风切变和风切变两种入流情况的边界条件进行设定：
[0029] 在无风切变入流情况下，根据风洞入口风速和所述湍流强度，得到所述计算域进流面的入流边界；
[0030] 在风切变入流情况下，通过UDF设定入流风速，并结合所述湍流强度，得到所述计算域出流面的出流边界；
[0031] 根据所述边界条件，通过SIMPLE算法对所述无风切变和风切变两种入流情况进行模拟计算，得到尾流分析结果。
[0032] 在另一实施方式中，
[0033] 所述计算网格采用非结构化四面体网格。
[0034] 在另一实施方式中，
[0035] 所述风机为双叶轮风力发电机，包括：
[0036] 一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；
[0037] 所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；
[0038] 所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴；
[0039] 当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；
[0040] 当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；
[0041] 当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。
[0042] 第二方面还提供了一种基于多维数据的风机尾流分析系统，包括
[0043] 数据获取模块，用于针对每一风机叶轮获取湍流强度数据；
[0044] 尾流模型分析模块，用于将所述湍流强度数据输入预先建立的尾流模型，进行尾流分析，得到尾流模型分析结果；
[0045] 尾流分析结果模块，用于根据所述尾流模型分析结果，对无风切变和风切变两种入流情况下的尾流进行分析，得到尾流分析结果。
[0046] 在另一实施方式中，
[0047] 所述尾流模型分析模块中包括尾流模型建立子模块，具体用于：
[0048] 设定尾流区域半径线性增长，且紧邻风轮后方尾流区域半径与风轮相同，求得风轮后轴向距离x位置处尾流区域半径r；
[0049] 设定风轮后轴向距离x位置处风速沿径向均匀分布，根据质量守恒得到均匀风速v*；
[0050] 根据质量守恒和均匀风速v*，以抛物线函数描述风速沿径向分布规律，得到轮毂高度水平面上任意点风速v；
[0051] 基于尾流区域湍流强度对尾流恢复系数k的影响，根据叶片旋转附加湍流强度计算经验公式，得到尾流恢复系数k的计算公式；
[0052] 将尾流恢复系数k代入风速v计算公式，得到风电机组尾流区风速分布的尾流模型。
[0053] 在另一实施方式中，
[0054] 所述尾流模型建立子模块具体用于得到轮毂高度水平面上任意点风速：
[0055] 确定参考坐标系，以风轮中心为坐标原点，风轮旋转轴为x轴，径向为y轴，得到轮毂高度水平面各点位置坐标；
[0056] 根据来流风速，对照机组推力系数随风速变化曲线得到机组该工况下推力系数；
[0057] 将各输入参数代入抛物线尾流模型，得到轮毂高度水平面任意位置处风速。
[0058] 在另一实施方式中，
[0059] 所述风机为双叶轮风力发电机，包括：
[0060] 一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；
[0061] 所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；
[0062] 所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴；
[0063] 当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；
[0064] 当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；
[0065] 当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。
[0066] 本发明的优点：通过对尾流模型，及无风切变和风切变两种入流情况下的尾流进行分析，综合分析多维数据对风机尾流的影响，以实现稳定性好、可靠性高和成本低的优点。
附图说明：
[0067] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0068] 图1为本发明实施例一所提供的一种基于多维数据的风机尾流分析方法的流程图；
[0069] 图2为本发明实施例一所提供的一种基于多维数据的风机尾流分析方法中风力机后方各位置上的垂直湍流强度剖面示意图；
[0070] 图3为本发明实施例一所提供的一种基于多维数据的风机尾流分析装置的示意图。
[0071] 图4为本发明实施例三提供的双叶轮风力发电机的结构示意图；
[0072] 图5为本发明实施例三提供的叶轮转速合并机构的原理图。
具体实施方式：
[0073] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0074] 实施例一
[0075] 第一方面，图1示出了本发明实施例所提供的一种基于多维数据的风机尾流分析方法的流程图；如图1所示，实施例一提供一种基于多维数据的风机尾流分析方法，包括：
[0076] 步骤S1，获取湍流强度数据；
[0077] 步骤S2，将湍流强度数据输入预先建立的尾流模型，进行尾流分析，得到尾流模型分析结果；
[0078] 步骤S3，根据尾流模型分析结果，对无风切变和风切变两种入流情况下的尾流进行分析，得到尾流分析结果。基于尾流模型的分析结果，不同端流强度下，无风切变和风切变两种入流情况下对尾流的影响。
[0079] 本发明提供的基于多维数据的风机尾流分析方法，其技术方案为：获取湍流强度数据；将湍流强度数据输入预先建立的尾流模型，进行尾流分析，得到尾流模型分析结果；
根据尾流模型分析结果，对无风切变和风切变两种入流情况下的尾流进行分析，得到尾流分析结果。
[0080] 本发明提供的基于多维数据的风机尾流分析方法，通过对尾流模型，及无风切变和风切变两种入流情况下的尾流进行分析，综合分析多维数据对风机尾流的影响，以实现稳定性好、可靠性高和成本低的优点。
[0081] 作为本发明的优选实施例，预先建立的尾流模型，具体为：
[0082] 设定尾流区域半径线性增长，且紧邻风轮后方尾流区域半径与风轮相同，求得风轮后轴向距离x位置处尾流区域半径r；
[0083] 具体为：
[0084] 引入尾流恢复系数k和x位置处尾流区域半径r，风轮半径为r0。
[0085] r＝r0+kx(1)
[0086] 设定风轮后轴向距离x位置处风速沿径向均匀分布，根据质量守恒得到均匀风速v*；
[0087] 具体为：应用质量守恒，通过以下公式：
[0088]
[0089] 其中，v1为紧邻风轮后尾流区风速，v0为来流风速，v*为x位置处均匀风速。
[0090] 由风轮动量理论得知，
[0091] v1＝(1-2a)v0(3)
[0092] 其中，a为轴向诱导因子，与推力系数Ct有如下关系：
[0093] Ct＝4a(1-a)(4)
[0094] 联立公式(1)—(4)可得，
[0095]
[0096] 根据质量守恒和均匀风速v*，以抛物线函数描述风速沿径向分布规律，得到轮毂高度水平面上任意点风速v；
[0097] 具体为：
[0098] 引入风轮直径D＝2r0，风轮后x距离处无量纲半径r1。
[0099]
[0100] 假设风轮后轴向距离为x处，风速沿径向(y轴方向)呈抛物线状分布
[0101] v＝Ay2+B(7)
[0102] 当y＝r1时风速恢复到来流风速。
[0103] Ar12+B＝v0(8)
[0104] 根据质量守恒，风轮后轴向距离为x处，均匀风速与抛物线状分布有相同的通量：
[0105]
[0106] 将公式(6)—(8)代入公式(9)求解得：
[0107]
[0108] 基于尾流区域湍流强度对尾流恢复系数k的影响，根据叶片旋转附加湍流强度计算经验公式，得到尾流恢复系数k的计算公式；
[0109] 具体为：
[0110] 尾流区域湍流强度包括两部分，环境湍流强度I0和叶片旋转附加湍流强度Ia；
[0111]
[0112] 叶片旋转附加湍流强度Ia由经验公式(12)求得。
[0113]
[0114] 尾流恢复系数k由经验公式(13)求得，其中，κ为经验常数取值0.4，可根据具体湍流强度变化情况进行修正。
[0115] k≈κ×I(13)
[0116] 将尾流恢复系数k代入风速v计算公式，得到风电机组尾流区风速分布的尾流模型。
[0117] 具体为：
[0118] 将尾流恢复系数k代入公式(10)，得到一种风电机组尾流区风速分布的经验尾流模型——抛物线尾流模型，如公式(14)所示。
[0119]
[0120]
[0121] 作为本发明的优选实施例，轮毂高度水平面上任意点风速，具体为：
[0122] 确定参考坐标系，以风轮中心为坐标原点，风轮旋转轴为x轴，径向为y轴，得到轮毂高度水平面各点位置坐标；
[0123] 根据来流风速，对照机组推力系数随风速变化曲线得到机组该工况下推力系数；
[0124] 将各输入参数代入抛物线尾流模型，得到轮毂高度水平面任意位置处风速。
[0125] 作为本发明的优选实施例，步骤S3，具体为：
[0126] 根据尾流模型分析结果，通过大涡模拟法得到网格尺度；
[0127] 所谓大涡模拟(Large eddy simulation，LES)，是直接数值求解大尺度湍流，而对于小尺度湍流，仅利用模型考虑其对大尺度运动的作用，不直接进行求解。因此，LES需要对N-S方程进行空间过滤，过滤后的连续性方程和N-S方程如下：
[0128]
[0129]
[0130] 式中，为x、y、z三个方向的速度(i＝1,2,3分别对应着x、y、z三个方向)；ρ为你流体密度，kg/m3；t为时间，s；p为流体压力，Pa；σi,j为由分子黏度引起的应力张量，定义为：
[0131]
[0132] 式中，μ为动力黏度，N·s/m2。
[0133] τi,j为亚格子应力，定义为：
[0134]
[0135] 亚格子应力是过滤掉的小尺度脉动和可解的大尺度脉动间的动量输运。要实现大涡数值模拟，必须构造亚格子应力模型。本文所采取的亚格子应力模型是dynamic Smagorinsky-Lilly模型，该模型中Smagorinsky常数依据小尺度湍流流动信息进行动态改变，可以更好地捕捉近壁面的湍流特性，得到网格尺度。
[0136] 根据网格尺度，设定计算网格，得到计算域；
[0137] 具体为：
[0138] 参照低速风速开口段实际尺寸，设定长方体计算域的高度和宽度，比如分别为
2.5d和3.64d；
[0139] 将风力机设置于计算域的中心，并设置风力机与进流面的距离，比如为2d，及风力机与出流面的距离。为了保证风力机尾流的充分扩散，本实施例中设置为20d，其中，d为风轮直径。
[0140] 优选地，在叶面表面设置了首层高度为0.1mm，法向增长率为1.25，共21层的边界层网格。
[0141] 经计算，检测该条件下叶片上的y+z值小于1，计算域的总网格数量为760万。
[0142] 在风力机处于额定转速时，对无风切变和风切变两种入流情况的边界条件进行设定：
[0143] 在无风切变入流情况下，根据风洞入口风速和湍流强度，得到计算域进流面的入流边界；
[0144] 在风切变入流情况下，通过UDF设定入流风速，并结合湍流强度，得到计算域出流面的出流边界；
[0145] 本实施例中，在无风切变入流情况下，设风洞入口风速为8m/s；湍流强度为0.4％；
在风切变入流情况下，利用UDF依据以下公式设定入流风速：
[0146]
[0147] 式中，Vhub为风轮轮毂高度处风速，本实施例中Vhub＝8m/s；Zhub为轮毂高度，Zhub＝
1.71m；α为风剪系数，α＝0.2。模拟中同时考虑入流的湍流强度，其值也设置为0.4％。
[0148] 根据边界条件，通过SIMPLE算法对无风切变和风切变两种入流情况进行模拟计算，得到尾流分析结果。
[0149] 为了进行模拟计算，出流面采取压力出流，设置相对压力为零；计算域侧壁面和顶面采取对称边界；地面、叶片表面、塔架、机头均采取无滑移壁面边界；
[0150] 采用SIMPLE算法进行模拟计算，具体为：
[0151] 为了加快收敛速度，先进行稳态计算，当残差达到10-4后再以此为基础进行非稳态计算。风机叶片旋转一周所需时间是0.11s，叶片每旋转30计算一次，对应的时间步长为
0.00917484s。为了确保流场的稳定性，计算中风轮共旋转15圈，后5圈中监测的扭矩系数，在后5圈内尾流的流动已达到稳定。
[0152] 为了能计算得到所有变量，如x，y，z三个方的向速度、压力及湍流强度等的方均根，计算中提取了风轮旋转的后5圈中所有变量的600个瞬态数据样本。
[0153] 为了保证模拟结果的正确性，计算中提取了入口风速为8m/s、湍流强度为5％时风力机在尖速比分别为4，4.5，5，5.5，6，6.5时的输出功率值，并将结果与风力机在预先进行风洞试验测得的功率值进行了比较，功率的计算值虽大于试验测量值，但两者随尖速比的变化规律基本相一致。计算值大于试验值有以下2个原因：
[0154] ①计算所得功率为风轮的真实轴功率，而试验所得功率是由风力机输出电流和电压计算得到的，由于损失的存在，计算值必然大于试验测量值；
[0155] ②计算中入口的湍流强度值为5％，而试验风洞入口的湍流强度为0.4％，入口湍流强度的提高将使风力机的输出功率有所提高，如在入口风速为8m/s，尖速比为5时，入口湍流强度设置为0.4％时，风力机功率为137W，而入口湍流强度设置为5％时，风力机功率为
150W。
[0156] 可见，虽然风力机功率的计算值与试验测量值之间存在差距，但排除以上两个原因所造成的误差后，可近似认为计算值与试验测量值是相符合的。也就是说，通过本实施例中的方法进行模型计算值是准确的，具有较高的参考价值。
[0157] 尾流的湍流特征对处于下游的风力机的输出功率及受力有重要影响，而尾流的湍流特征又与风力机的入流情况之间关系密切。将风轮上游和下游多个位置(-1