一种基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108108562A(43)申请公布日2018.06.01(21)申请号201711452906.7(22)申请日2017.12.27(71)申请人华北电力大学地址102206北京市昌平区朱辛庄北农路2号(72)发明人葛铭纬武英刘永前李莉(74)专利代理机构北京众合诚成知识产权代理有限公司11246代理人陈波(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书3页说明书6页附图6页(54)发明名称一种基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法(57)摘要本发明属于风力发电微观选址技术领域，具体涉及一种基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法。本发明包括：在适当假设的前提下，结合质量守恒和一维动量守恒定理，同时根据风速损失沿径向符合高斯分布且尾流半径呈线性膨胀的规律，推导出风电机组尾流区风速分布的计算模型；根据对不同下游位置的尾流速度的分析，确定下游尾流边界系数的取值范围；结合风轮处尾流的膨胀规律，确定风轮处尾流边界系数的取值范围。本发明所得到的简化尾流模型，可以快速、简单、方便、准确地计算出风电机组尾流区的风速分布，为风电场微观选址考虑尾流效应的影响提供参考。CN108108562ACN108108562A权利要求书1/3页1.一种基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1：根据伯努利方程和一维动量原理，用轴向诱导因子表示紧邻风轮后方的速度损失和下游尾流区的速度损失；步骤2：假设尾流区的速度损失沿径向呈高斯分布，根据一维动量原理计算出风轮处的最大速度损失；步骤3：假设尾流半径呈线性膨胀，并定义尾流边界，计算出风轮处尾流速度损失的标准差；步骤4：结合Jensen模型的推导方法，根据质量守恒方程以及步骤2-3所得的结果，计算出下游尾流区的最大速度损失；步骤5：根据步骤2-4所得的风轮处的最大速度损失、风轮处尾流速度损失的标准差和下游尾流区的最大速度损失，计算出下游尾流区内任意位置处的速度损失，进而得到风电机组下游尾流区风速分布的计算模型。2.如权利要求1所述的基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：步骤11：假设来流风速为U∞，在风轮平面处降低到Ua，在尾流中降低到Uw；大气压为P0，在紧靠风轮的前方气压稍微上升到P+，在风轮上有一个不连续的压力降ΔP，在紧邻风轮的-后方气压下降到P，在下游压力逐渐恢复到大气压P0；步骤12：从无穷远处来流到风轮前端以及从风轮后端到尾流区域满足伯努利方程，式(1)减去式(2)得：步骤13：根据一维动量原理：T＝∫dT＝∫ρUa(U∞-Uw)dA(4)其中，风轮上的推力T为：其中，CT为推力系数；ρ为空气密度；A0为风轮扫掠面积，步骤14：由于推力T是由风轮上的压力降产生的，所以步骤15：将(6)代入(4)，得：步骤16：定义轴向诱导因子则紧邻风轮后方的速度损失ΔUrotor和下游尾2CN108108562A权利要求书2/3页流区的速度损失ΔUwake为：ΔUrotor＝U∞-Ua＝aU∞(8)ΔUwake＝U∞-Uw＝2aU∞(9)。3.如权利要求2所述的基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：将风轮模型简化为单元流管时得到式(8)、(9)，当考虑速度剖面时，对风轮流动模型进行分析时得到同样结论，计算风轮处的最大速度损失具体为：步骤21：假设在尾流区速度损失符合高斯分布，则其中，a0为风轮处最大速度损失；σ0为风轮处速度损失标准差；a为轴向诱导因子；r为风轮径向距离；来流风速为U∞；在风轮平面处降低到Ua；在尾流中降低到Uw，步骤22：根据一维动量原理，将式(5)、(8)、(9)、(10)代入(4)，并从0到∞积分，得到：因此，风轮处的最大速度损失a0为：其中，d0为风轮直径；CT为推力系数。4.如权利要求3所述的基于高斯分布的风电机组尾流的解析建模方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：在x＞3d0时，风电机组尾流满足线性膨胀的假设，并定义尾流边界为2Jσ，引入尾流膨胀系数k得到：2Jσ＝kx+r0(13)其中，σ为下游距离x位置处速度损失标准差；J为和尾流边界有关的常数，取值范围是0.89≤J≤1.24；r0为风轮半径，在x＜＝3d0的近尾流区，假设风轮处σ0满足式(14)，尾流边界符合2Jσ0的假设，风轮处尾流边界为2βσ0＝r0(14)其中，r0为风轮半径；σ0为风轮处速度损失标准差；β为和风轮处尾流边界有关的常数，取值范围是k是尾流膨胀系数。将式(14)代入(12)，得其中，CT为推力系数；β为和风轮处尾流边界有关的常数；a0为风轮处最大速度损失值。5.如权利要求4所述的基于高斯分布的风电机组尾流的解