一种针对偏航风机尾流的湍流强度分布预测方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种针对偏航风机尾流的湍流强度分布预测方法。

背景技术

对于风电行业的自身发展来说，人们很早就了解到尾流的流动现象，也认识到风机的尾流效应会给风电场的发电功率和何在评估产生很大的影响；于是，学者们很早就展开了对风机尾流与尾流效应的研究。总的来说，尾流效应的研究方法主要有三种：风洞试验与风场实测、计算流体力学方法(CFD)和尾流模型。

风洞试验与风场实测是人们在早期研究风机尾流效应的主要方法。但这种方法只能对已有风机进行实测，无法对未建风机进行预测，并且只能得到风机尾流流场局部区域的部分信息，无法全面了解整个流场，投入大且周期长。

近几十年来，CFD方法在风机尾流效应的研究中越来越被广泛运用。计算机的计算速度和能力是CFD数值模拟方法的重要基础和保障。整体来说，CFD方法虽然计算精度高、流场信息全面，但其对计算资源以及计算操作者的水平要求同样也很高，尤其是在涉及复杂的工程问题时，比如说风电场微观选址优化和风电场集群预测等，冗长的计算时间是在实际工程所不能接受的。

尾流模型主要是指描述风机尾流结构的数学模型，用来计算尾流区的速度分布和湍流分布情况，其结构相对简单、计算精度可接受、计算时间短，非常适合用在装备有大型风机机组的风电场课题研究中。在保证具有工程可接受精度的同时，尾流模型的使用大大提高了尾流分布计算效率。

在风电场设计中，准确预测尾流湍流水平对风机发电功率和荷载评估至关重要。然而，对尾流湍流特性的认识仍存在差距，同时对相关工程湍流强度模型的开发研究也很少。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种针对偏航风机尾流的湍流强度分布预测方法，用于解决现有风资源评估以及风场实时偏航控制技术中所应用的偏航尾流湍流强度模型精度不足，进而导致荷载与功率评估失真以及控制效率较低的问题。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种针对偏航风机尾流的湍流强度分布预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取风机的机械性能参数和偏航角度参数，并通过实测获得风机所在位置的风场环境参数；

S2、根据风机的机械性能参数和偏航角度参数，确定风机的最大附加湍流度函数G(x)、风机尾流边界和尾流宽度扩展系数；

S3、根据风机的机械性能参数和偏航角度参数，计算风机尾流的双高斯加权参数C

S4、根据双高斯系数参数并结合风机所在位置的风场环境参数，确定尾流附加湍流强度分布模型的型函数部分

S5、根据尾流附加湍流强度分布模型的型函数部分

S6、根据偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型，得到偏航风机尾流总湍流强度分布。

优选地，步骤S1中：

所述风机的相关参数包括轮毂高度、叶轮直径等等；所述风场环境参数是根据测风塔数据或者相关现场实测数据获得风机所在位置的来流风速风向以及环境湍流强度等风场条件信息。

优选地，步骤S2中：通过如下公式计算风机的最大附加湍流度函数：

式中，G(x)为最大附加湍流度函数，d、e为推力系数，f为环境湍流强度的函数，I

通过如下公式计算风机尾流边界和尾流宽度扩展系数：

式中，σ为风机尾流边界高斯标准差，x为风机下游位置，k

优选地，步骤S3中，首先根据双高斯系数参数和风机所在位置的风场环境参数，确定风机尾流的双高斯加权参数；然后基于双高斯加权参数和风机所在位置的风场环境参数余弦计算，得到双高斯系数参数。

优选地，步骤S3中：通过如下公式计算风机尾流的双高斯加权参数：

式中，C

优选地，根据风机尾流的双高斯加权参数，进而通过如下公式计算双高斯系数参数：

式中，k

优选地，步骤S4中：通过如下公式计算尾流附加湍流强度分布模型的型函数部分：

式中，

优选地，步骤S5中：通过如下公式计算得到偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型：

式中，ΔI为偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型函数，G(x)为最大附加湍流度函数，

优选地，步骤S6中，首先计算偏航风机尾流附加湍流强度分布预测函数；然后结合环境湍流强度进行平方求和以及算数平方根计算，得到对应的偏航风机尾流总湍流强度分布，即：

通过如下公式计算得到偏航风机尾流总湍流强度分布：

式中，I为偏航风机尾流总湍流强度分布函数，ΔI为偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型函数，I

相比现有技术，本发明具有如下有益的技术效果：

1、本发明构建了一个针对偏航风机尾流的附加湍流强度模型，并考虑了偏航风机尾流湍流强度分布的偏移不对称性，提高了偏航尾流附加湍流强度预测的精度。总体提升偏航风机尾流湍流强度预测的精度和分布区域，在源头上提升真实性，帮助提高风机荷载评估分析的准确性，从而更好的辅助获得风电场通过高准确性的偏航控制策略以提升风机发电量，增加运行安全性能、经济效益以及能源利用率。

2、本发明提出的偏航风机尾流的附加湍流强度模型，能够根据风电场中不同风机类型以及来流风情况对风机尾流附加湍流强度进行良好的预测，提高荷载评估分析、风资源评估以及实时偏航控制的准确性与优化率，进而提高风电场发电功率，从而获得更大的发电量与经济效益。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明针对偏航风机尾流的湍流强度分布预测方法的处理流程示意图。

图2是偏航角为0°时风机的尾流附加湍流强度分布状态示意图。

图3是偏航角为非0°时风机的尾流附加湍流强度分布状态示意图。

图4为实施例中偏航角yaw为0°时风机下游x/d＝2位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；

图5为实施例中偏航角yaw为0°时风机下游x/d＝4位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图6为实施例中偏航角yaw为0°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图7为实施例中偏航角yaw为10°时风机下游x/d＝2位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图8为实施例中偏航角yaw为10°时风机下游x/d＝4位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图9为实施例中偏航角yaw为10°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图10为实施例中偏航角yaw为20°时风机下游x/d＝2位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图11为实施例中偏航角yaw为20°时风机下游x/d＝4位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图12为实施例中偏航角yaw为20°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图13为实施例中偏航角yaw为30°时风机下游x/d＝2位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图14为实施例中偏航角yaw为30°时风机下游x/d＝5位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

图15为实施例中偏航角yaw为30°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。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。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明解决了风力发电机组的功率优化评估与荷载分析评估的精度与真实性的问题，将加权的双高斯函数引入尾流湍流强度分布预测中，提出一种针对偏航风机尾流的附加湍流强度模型。

本发明提出了一种针对偏航风机尾流的湍流强度分布预测方法，包括如下步骤：

S1、获取风机的机械性能参数和偏航角度参数，并通过实测获得风机所在位置的风场环境参数；

S2、根据风机的机械性能参数和偏航角度参数，确定风机的最大附加湍流度函数G(x)、风机尾流边界和尾流宽度扩展系数；

S3、根据风机的机械性能参数和偏航角度参数，计算风机尾流的双高斯加权参数C

S4、根据双高斯系数参数并结合风机所在位置的风场环境参数，确定尾流附加湍流强度分布模型的型函数部分

S5、根据尾流附加湍流强度分布模型的型函数部分

S6、根据偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型，得到偏航风机尾流总湍流强度分布；

下面对本发明方法中各个环节做进一步的详细说明。

在步骤S1中，获取的风机的机械性能参数包括轮毂高度、叶轮直径等等，获取风机的偏航角度参数包括风机偏航角度值等；风场环境参数主要是根据测风塔数据或者相关现场实测数据获得风机所在位置的来流风速风向以及环境湍流强度等风场条件信息。

在步骤S2中，通过如下公式计算风机的最大附加湍流度函数：

式中，G(x)为最大附加湍流度函数，d、e为推力系数，f为环境湍流强度的函数，I

通过如下公式计算风机尾流边界和尾流宽度扩展系数：

式中，σ为风机尾流边界高斯标准差，x为风机下游位置，k

在步骤S3中，首先根据双高斯系数参数和风机所在位置的风场环境参数，确定风机尾流的双高斯加权参数；然后基于双高斯加权参数和风机所在位置的风场环境参数余弦计算，得到双高斯系数参数。

通过如下公式计算风机尾流的双高斯加权参数：

式中，C

根据风机尾流的双高斯加权参数，进而通过如下公式计算双高斯系数参数：

式中，k

在步骤S4中，通过如下公式计算尾流附加湍流强度分布模型的型函数部分：

式中，

在步骤S5中，通过如下公式计算得到偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型：

式中，ΔI为偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型函数，G(x)为最大附加湍流度函数，

在步骤S6中，首先计算偏航风机尾流附加湍流强度分布预测函数；然后结合环境湍流强度；最后对其进行平方求和以及算数平方根计算，得到对应的偏航风机尾流总湍流强度分布。偏航风机尾流总湍流强度分布的计算公式如下：

式中，I为偏航风机尾流总湍流强度分布函数，ΔI为偏航风机尾流附加湍流强度分布预测模型函数，I

图2和图3分别示出了偏航角为0°时和不为0°时风机的尾流附加湍流强度分布状态，利用本发明提供的偏航风机的非高斯尾流风速损失分布预测方法，能够对不同状态下风机的尾流附加湍流强度分布情况进行准确预测，用以帮助提高风机荷载评估分析的准确性，从而更好的辅助获得风电场通过高准确性的偏航控制策略以提升风机发电量，增加运行安全性能、经济效益以及能源利用率。

实施例：

为了对本发明提供的偏航风机的非高斯尾流风速损失分布预测方法进行进一步的验证，本发明还通过如下的检验案例，来加以进一步的说明。

以模型风机WIRE-01为研究对象，以检验本偏航风机尾流湍流强度预测模型的效果。风机转子直径为0.15m，轮毂高度为0.125m。轮毂高度处的来流风速为4.88m/s，湍流强度为7％；测试偏航角度为0度、10度、20度以及30度；

采用本发明提出的偏航尾流湍流强度预测模型进行风机尾流分布的预测，并将本发明模型的预测结果(记为Proposed)与Crespo湍流模型模拟结果(记为Crespo)、Qian-Ishihara双高斯尾流湍流模型模拟结果(记为Qian-Ishihara)进行对比，比较三者相对于设定尾流非对称偏移参数模拟得到的湍流强度横向分布轮廓(记为LES)的分布偏差，以验证本发明方法的预测性能。图4～图15为偏航角等于0°～30°的风机尾流模型预测湍流强度横向分布预测结果的对比图。其中，图4为偏航角yaw为0°时风机下游x/d＝2(这里x为风机下游位置，d为风机轮盘直径)位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图5为偏航角yaw为0°时风机下游x/d＝4位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图6为偏航角yaw为0°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图7为偏航角yaw为10°时风机下游x/d＝2位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图8为偏航角yaw为10°时风机下游x/d＝4位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图9为偏航角yaw为10°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图10为偏航角yaw为20°时风机下游x/d＝2位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图11为偏航角yaw为20°时风机下游x/d＝4位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图12为偏航角yaw为20°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图13为偏航角yaw为30°时风机下游x/d＝2位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图14为偏航角yaw为30°时风机下游x/d＝5位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图；图15为偏航角yaw为30°时风机下游x/d＝6位置处的湍流强度横向分布预测结果对比图。

通过试验测试以及上述的对比图4～图15可以看出，在本实例中，预测各偏航角下风机尾流附加湍流强度横向分布的情况，与传统的Crespo尾流湍流强度模型(Crespo)以及对称双高斯尾流湍流强度模型(Qian-Ishihara)相比，本发明模型(Proposed)通过引入尾流非对称偏移参数对模拟数据的分布预测上表现出了更高的精度，将非偏航风机尾流湍流强度在全尾流区域内存在的近似双峰分布以及偏航风机尾流湍流强度在全尾流区域内存在的非对称双峰分布变化现象进行了良好的再现预测。同时可以看出，本模型对于尾流的偏移量以及较大偏航角下湍流强度的分布变化特性有了更好的预测效果和展现。针对偏航风机的横向湍流强度分布现象，本发明能够很好的解决和准确描述，通过对尾流湍流强度的预测精度的提升，进而提升风机结构疲劳荷载评估与预测的能力与精度以及风电场风资源评估布局与发电量优化的效率，使得风电场总发电量与经济收益得到有效的提升。

综上所述，本发明构建了一个针对偏航风机尾流的附加湍流强度模型并考虑了偏航风机尾流湍流强度分布的偏移不对称性，提高了偏航尾流附加湍流强度预测的精度。总体提升偏航风机尾流湍流强度预测的精度和分布区域，在源头上提升真实性，帮助提高风机荷载评估分析的准确性，从而更好的辅助获得风电场通过高准确性的偏航控制策略以提升风机发电量，增加运行安全性能、经济效益以及能源利用率。另一方面，本发明提出的偏航风机尾流速度损失模型，能够根据风电场中不同风机类型以及来流风情况对风机尾流附加湍流强度进行良好的预测，提高荷载评估分析、风资源评估以及实时偏航控制的准确性与优化率，进而提高风电场发电功率，从而获得更大的发电量与经济效益。

最后说明的是，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。