技术领域
[0001] 本发明涉及一种考虑阻塞和尾流效应的风力机风速分布预测方法，属于风力机风速分布预测技术领域。
相关背景技术
[0002] 海上风电场由于受大气边界层、风电机组尾流干扰、大气热稳定度、海流、海浪和机组运行状态等时空间因素的影响，呈现非定常多尺度耦合、强非线性等高度复杂的流动特点。风电场对局部风速具有明显的影响，其对风速的衰减效应导致风电场上游风电机组所受风速降低，这个现象称为风电场的阻塞效应。目前在进行风资源评估时，对风电机组的尾流效应考虑较多，但阻塞效应的影响常被忽略，导致风电场实际发电量与预测值相比降低4%以上，对国内大型风电企业可能导致较大的电能损失。因此，研究风电场的阻塞效应评估方法，据此对待建风电场进行机组优化布局，对于准确评估待建风电场的发电量，提高发电效率具有重要作用。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0019] 实施例1，本实施例介绍一种考虑阻塞和尾流效应的风力机风速分布预测方法，包括：获取初始风速、风力机参数及湍流强度；
基于获取的初始风速、风力机参数及湍流强度，通过多项式拟合、流体力学公式计算以及尾流模型应用，分别预测风力机前阻塞区域的风速分布和风力机后方尾流区域的风速分布；
在风力机后方尾流两侧处叠加尾流与阻塞的风速，输出风力机尾流两侧区域的风速分布；
整合得到的风力机前阻塞区域、风力机后方尾流区域以及风力机尾流两侧区域的风速预测结果，形成综合考虑阻塞效应与尾流效应的风力机风速分布预测模型；
应用风力机风速分布预测模型，输出风力机前阻塞区域、风力机后方尾流区域以及风力机尾流两侧区域的风速分布。
[0020] 如图1所示，本实施例提供的考虑阻塞和尾流效应的风力机风速分布预测方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
[0021] 步骤1，输入初始风速Uin，得到入流风速。坐标系和涡旋模型如图2所示。x轴为轴向2 2 2
距离，系统原点位于转子中心。引入径向距离r，使得r = y + z。假设初始风速Uin是均匀的。入流风速沿x方向为
U0 = Uinex(1);
其中U0为入流风速，e为坐标轴模量。
[0022] 步骤2，将已知风力机推力系数表进行多项式拟合，输入上步得到的入流风速U0，得到对应的推力系数CT。推力系数表如表1所示。
[0023] 表1 风力机推力系数表U0 CT
3 1.07719
3.34694 1.00427
3.69388 0.945564
4.04082 0.899517
4.38776 0.877309
4.73469 0.85799
5.08163 0.843492
5.42857 0.840243
5.77551 0.837378
6.12245 0.833873
6.46939 0.828971
6.81633 0.824545
7.16327 0.815507
7.5102 0.801269
7.85714 0.787298
8.20408 0.767751
8.55102 0.744016
8.89796 0.719764
9.2449 0.691789
9.59184 0.660344
9.93878 0.626114
10.2857 0.591056
10.6327 0.555188
10.9796 0.517749
11.3265 0.480111
11.6735 0.443268
12.0204 0.407501
12.3673 0.373171
12.7143 0.341226
13.0612 0.312537
13.4082 0.28702
13.7551 0.26338
14.102 0.242322
14.449 0.224052
14.7959 0.207854
15.1429 0.193353
15.4898 0.180281
15.8367 0.168484
16.1837 0.157804
16.5306 0.148122
16.8776 0.139286
17.2245 0.131206
17.5714 0.123798
17.9184 0.116988
18.2653 0.11072
18.6122 0.104883
18.9592 0.0993356
19.3061 0.0940567
19.6531 0.089027
20 0.084233
[0024] 步骤3，将得到的推力系数CT输入公式(2)得到切向涡量 。忽略涡度面膨胀，假设风轮及其尾迹包含在半径为R的圆柱体内，等于风轮半径；(2);
式中CT为推力系数， 为轴向因子。
[0025] 步骤4，将步骤3得到的切向涡量 输入轴对称风速公式(3)得到二维轴向风速与径向风速 ：(3);
(4);
E、K和Π分别是第一类、第二类和第三类完全椭圆积分，其中k为椭圆参数；x、r分别为轴向、径向距离。
[0026] 步骤5，输入湍流强度I0，由公式(5)求得湍流强度相对值；(5);
式中，I0表示湍流强度，Iref 表示参考湍流强度，取值为0.2。
[0027] 步骤6，输入轴向、径向坐标x、r与风轮直径D，得到修正距离dist：(6);
式中，dist表示点到风轮中心的距离。
[0028] 步骤7，将公式(5)(6)得到的Iu与dist输入公式(7)，得到湍流强度修正系数ktur，用来表征湍流对阻塞的影响；(7);
式中，dist_ref取值为2，为保证风力机尾流部分不受修正距离限制，设置ktur [ x > 0 ] = 1。
[0029] 由于高湍流强度下模型产生较大误差，因此对湍流系数ktur 加以修正，修正后的关系式如下：(8);
步骤8，输入湍流强度修正系数ktur与轴向、径向坐标x、r，得到修正后的轴向、径向距离。
[0030] (9);(10);
[0031] 步骤9，将上步得到的轴向、纵向距离输入公式(11)得到修正后的椭圆参数k。
[0032] (11);步骤10，将公式(11)与公式(3)(4)联立即可得到考虑湍流强度的风力机阻塞效应预测风速：
(12);
(13)。
[0033] 图3、图4是加入湍流系数前后阻塞模型结果对比图，考虑湍流强度的风力机阻塞模型不仅与风速和涡流强度有关，而且在大气稳定度的影响下随着湍流强度的降低，阻塞效应的影响更加明显。经过改进后的风力机阻塞简化模型可以提高阻塞效应计算精度，有效降低计算成本。
[0034] 图5是风力机阻塞效应简化模型与尾流模型耦合应用流程图。
[0035] 步骤11，使风力机阻塞效应简化模型的感应速度在圆柱体积内和转子平面上（即在x≥0且r≤R所划分的区域内）强制为零。
[0036] 步骤12，根据步骤11所述的x≥0且r≤R所划分的区域内，即风机后方考虑耦合尾流模型。
[0037] 方法1：耦合Larsen尾流模型：
[0038] 步骤12.1.1，输入风轮直径D与风速对应的推力系数，得到有效风轮直径Deff：(14)。
[0039] 步骤12.1.2，将上步得到的有效风轮直径Deff输入公式(15)，得到距离常数x0：(15);
式中， R9.5D为下游 9.5D位置处的尾流半径。
[0040] 步骤12.1.3，将公式(14)(15)计算得到的Deff和x0代入到公式(16)求得无量纲混合长度c1：(16);
式中，A为风轮扫略面积。
[0041] 步骤12.1.4，输入上步得到的无量纲混合长度与距离常数x0到公式(17)(18)，得到风力机尾流半径Rw与尾流风速亏损 ：(17);
(18);
式中，r为风机盘面后方计算位置处至风机轮毂轴线的径向距离。
[0042] 方法2：耦合高斯尾流模型：步骤12.2.1，输入湍流强度I0，得到尾流的线性增长速率 ;
(19);
步骤12.2.2，输入入流风速对应的推力系数CT，由公式求得尾流膨胀系数β：
(20);
步骤12.2.3，将上步得到的尾流膨胀系数β和线性增长速率k'输入公式(21)得到尾流宽度 ：
(21);
步骤12.2.4，将得到的尾流宽度 代入二维高斯尾流模型公式(22)得到尾流风速亏损 ：
(22);
步骤12.2.5，据上步所述的尾流模型得到考虑湍流强度的尾流风速预测模型。
[0043] 步骤13，风力机尾流两侧区域风速分布 ，即（x≥0且r≥R区域内）由步骤2所得到的尾流风速和考虑湍流强度的风力机阻塞效应预测风速叠加得出，阻塞与尾流效应耦合示意图如图14所示。
[0044] (23)。
[0045] 根据图1、图5所述的考虑阻塞效应与尾流效应的风力机风速分布预测方法，其应用步骤如下：步骤1，根据公式(1)输入初始风速Uin，得到入流风速；
步骤2，将已知风力机推力系数表进行多项式拟合，输入上步得到的入流风速U0，得到对应的推力系数CT；
步骤3，将得到的推力系数CT输入公式(2)得到切向涡量 ；
步骤4，将步骤3得到的切向涡量 输入轴对称风速公式(3)(4)得到二维轴向风速与径向风速 ；
步骤5，输入湍流强度I0，由公式(5)求得湍流强度相对值；
步骤6，将轴向、径向坐标x、r与风轮直径D输入公式(6)得到修正距离dist；
步骤7，将公式(5)(6)得到的Iu与dist输入公式(8)，得到湍流强度修正系数ktur；
步骤8，输入湍流强度修正系数ktur与轴向、径向坐标x、r到公式(9)(10)得到修正后的轴向、径向距离；
步骤9，将上步得到的轴向、纵向距离输入公式(11)得到修正后的椭圆参数k；
步骤10，将上步得到的椭圆参数k输入到公式(12)得到考虑湍流强度的风力机前阻塞区域预测风速；
步骤11，获取风力机后方尾流风速分布。
[0046] 方法1：获取Larsen尾流模型：步骤11.1.1，输入风轮直径D与风速对应的推力系数到公式(14)，得到有效风轮直径Deff；
步骤11.1.2，将上步得到的有效风轮直径Deff输入公式(15)，得到距离常数x0；
步骤11.1.3，将公式(14)(15)计算得到的Deff和x0代入到公式(16)求得无量纲混合长度c1；
步骤11.1.4，输入上步得到的无量纲混合长度与距离常数x0到公式(17)(18)，得到风力机尾流半径Rw与尾流风速亏损 。
[0047] 方法2：获取高斯尾流模型：步骤11.2.1，输入湍流强度I0到公式(19)，得到尾流的线性增长速率 ；
步骤11.2.2，输入入流风速对应的推力系数CT，由公式(20)求得尾流膨胀系数β；
步骤11.2.3，将上步得到的尾流膨胀系数β和线性增长速率k'输入公式(21)得到尾流宽度 ；
步骤11.2.4，将得到的尾流宽度 输入到二维高斯尾流模型公式(22)；
步骤11.2.5，据上步所述的尾流模型得到考虑湍流强度的尾流风速预测模型。
[0048] 步骤12，由步骤10所得到的尾流风速和步骤11得到的考虑湍流强度的风力机阻塞效应预测风速叠加得到风力机尾流两侧区域，即（x≥0且r≥R区域内）风速分布，阻塞与尾流效应耦合示意图如图14所示。
[0049] 图8、图9、图10是不同湍流强度下的阻塞效应示意图。输入风速Uin= 6 m/s，湍流强度4%、10.6%、22.8%，得到三种不同程度的风力机阻塞效应，湍流强度越小，由于阻塞效应引起的感应区的面积越大。海上风电场区域广阔，大气较为稳定，湍流强度相比陆上较小，阻塞效应更为明显。
[0050] 图11、图12、图13是采用CFD方法的风力机阻塞效应示意图。
[0051] 通过基于BEM的致动盘模型模拟风力机尾流，采取靖边风电场风电场内风力机机型数据对上述方法进行验证：
[0052] 靖边风电场运行的是 Haizhuang 2 MW 风力机，直径 93 m，轮毂高度 67 m。风力机尾流测量数据对应的轮毂风速为 6 m/s，大气粗糙度为0.05 m，各稳定度对应的流动参数如表2所示。
[0053] 表2 Haizhuang 风力机尾流模拟来流条件
[0054] 由于靖边风电场所选案例或是地形坡度较小或是风轮后轴向距离较短，地形对流场的影响远小于尾流，因而在模型中不考虑地形，相应的计算域底部边界设为平坦地形。风力机尾流模拟的计算域长宽高分别为20D、10D和10D。风力机致动盘区域网格加密等级设置为3，使得风轮直径长度上约分布80个网格节点，保证施加的风力机推力与理论值差值在0.2%以内。致动盘区域向后5D和10D范围加密等级分别为2和3，用来捕捉尾流结构。计算域包含约160万单元格。
[0055] 根据模拟结果分析，在相同入流风速不同热稳定度和湍流强度下流场计算结果差异较大，当热稳定度为稳定时，其尾流在轴向影响最大，但考虑稳定条件下入流湍流较小即其波动较小，故而在展向影响范围最小，同样在风机前方堵塞效应影响的展向范围最小，轴向范围最大；当热稳定度为不稳定时，其尾流和堵塞效应在轴向范围影响最小，展向范围影响最大；当热稳定度为中性时，各影响范围适中。由此可知，阻塞效应影响范围和尾流在轴向和展向影响范围相似。
[0056] 图6、图7以及图15、图16、图17是引入尾流模型前后结果对比图，引入尾流模型的风力机阻塞简化模型可以更好的模拟风力机周围的流场状态，且模拟精度与时间成本得到明显优化，使其工程实用性大大提高。
[0057] 本发明提出的一种考虑湍流影响的风力机阻塞效应简化模型与CFD模拟结果具有较好的一致性，能够考虑湍流强度预测阻塞效应对风力机感应区的影响效果，提高海上风电场大气环境的可适用性；增加尾流模拟恢复效果，提高阻塞模型可靠性，改善圆柱涡流模型对阻塞效应的预估效果。
[0058] 实施例2，本实施例提供一种考虑阻塞和尾流效应的风力机风速分布预测装置，包括：获取模块，用于获取初始风速、风力机参数及湍流强度；
预测模块，用于基于获取的初始风速、风力机参数及湍流强度，通过多项式拟合、流体力学公式计算以及尾流模型应用，分别预测风力机前阻塞区域的风速分布和风力机后方尾流区域的风速分布；
叠加模块，用于在风力机后方尾流两侧处叠加尾流与阻塞的风速，输出风力机尾流两侧区域的风速分布；
整合模块，用于整合得到的风力机前阻塞区域、风力机后方尾流区域以及风力机尾流两侧区域的风速预测结果，形成综合考虑阻塞效应与尾流效应的风力机风速分布预测模型；
输出模块，用于应用考虑阻塞效应与尾流效应的风力机风速分布预测模型，输出风力机阻塞区域、尾流区域以及尾流两侧区域的风速分布。
[0059] 上述各模块的具体功能实现参考实施例1方法中的相关内容，不予赘述。
[0060] 实施例3，本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0061] 实施例4，本实施例提供一种计算机设备，包括：存储器，用于存储计算机程序/指令；
处理器，用于执行所述计算机程序/指令以实现实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0062] 实施例5，本实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0063] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
[0064] 本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0065] 本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0066] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0067] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0068] 最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本公开的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本公开后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在公开待批的权利要求保护范围之内。
