风电场尾流快速模拟方法及应用研究
发布时间：2021-06-13 18:44
大型风电场中因为尾流效应导致的风电场发电量损失通常占年度发电量的10%至20%,准确模拟风电场内机组尾流分布是评估风电场发电量及经济性的基础。风电项目建设前期微观选址时应合理布置场内机组位置,尽量降低风电场的尾流损失,提高风电场的综合经济效益。对于已投产的风电场,可以通过一个综合控制策略调整上游机组的运行状态从而抑制其尾流对下游机组所造成的影响,实现整场发电量最大化。在风电场微观选址优化和风电场优化运行控制的研究工作中需要对风电场内的机组尾流场在短时间内进行高达上万次的模拟,所使用的尾流模拟方法不仅要能保证一定的计算精度,运算效率也必须满足工程要求。围绕高精度的尾流快速模拟方法及其在风电场微观选址和优化控制中的应用开展研究,主要完成了以下研究工作:（1）探索了改进的Jensen尾流模型与Frandsen尾流模型分别高估和低估尾流区速度损失的原因,为模型改进提供了理论依据。分析两个模型中控制体内外的质量与动量交换,发现改进的Jensen尾流模型高估尾流区内速度损失是由于没有考虑控制体内外交换的质量;Frandsen尾流模型低估尾流区内速度损失则是因为大气输入控制体内的实际动量低于理论动量...
【文章来源】：华北电力大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图I-12007年至2018年风电装机容量统计U.z1Fig.l-1
１．２．１风电机组尾流概述??来流风经过风电机组时的流动一般可分为四个区域，分别为诱导区、近尾流??区、过渡区和远尾流区［１Ｇ］，如图１－４所示。诱导区是从风轮前到风轮附近的部分，??区域内来流风速逐渐下降，压力逐渐升高。当来流经过风轮时风轮吸收来流风中??的动能，这导致了机组下游尾流区中风速的下降，同时来流在风轮处会出现一个??快速的压力降，导致流体压力低于大气压水平。??Ｍｅａｎ?ｓｈｅａｒｅｄ?ｉｎｆｌｏｗ?爲?▲??Ａ?Ｉ?＾????１￣Ｗ＾ｅＳｏｗＪ??丄——ｉ?１??１?１?Ｋ???ＩＤ?２Ｄ?３Ｄ?４Ｄ?５Ｄ??图１－４风电机组尾流的流动发展［１０】??Ｆｉｇ．?１－４?Ｆｌｏｗ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｗａｋｅ??来流通过风轮后流体压力开始逐渐恢复，速度进一步降低，区域内的低速流??体与外部高速自由流之间的风速梯度形成了剪切层。当机组风轮旋转时，从叶片??后缘脱落的尾涡会形成一个由螺旋涡面构成的复杂涡系，涡系由叶根中心涡、叶??
每个网格中心点是可能布机的位置，如果布置机组则该网格点用“１”表??示，反之则用“０”表示。每一种机组排布方式都可以表示为一组由〇和１组成??的字符串并作为启发式算法中的一个个体。如图１－５所示，矩形风电场离散为??ｌ〇ｘｌ〇共１〇〇个网格，左图中的机组排布方式被表示成右图中的二进制字符串。??优化时随机产生多个初始个体，即多个机组排布方案，分别计算在这些布机方案??下风电场的发电量，通过不断优化迭代最终得到目标函数最小的最优布机方案。??人人人人人人人人人人?１１１１１１１１１１??ＡＡＡＪＬ＿１＿？ｌＪＬＡＡ＿２＿??Ａ?Ａ?ＡＡＡＡＡ?ＡＪＬ＿￡．????＿２＿＿Ｌ?????人人人又又又人人人人ｔｉｉｉｉｉｉｉｉｉ????＾?ＪＬ?ＡＡ?ＡＡＡ????????人人人人人人人人人人?ｉｉｉｉ?ｉｉｉｉ．??图１．５风电场布机方案的编码方式??Ｆｉｇ．?１－５?Ｃｏｄｉｎｇ?ｍｅｔｈｏｄ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｆａｒｍ?ｌａｙｏｕｔ??Ｇｒａｄｙ［１Ｑ８］和Ｍｉｔｔａｌ［１（）９］采用了同样的计算模型和优化策略复盘并校核了??Ｍｏｓｅｔｔｉ的工作，经计算发现由于Ｍｏｓｅｔｔｉ选取的迭代步数不够而导致结果未收敛??到最优解。尽管如此，Ｍｏｓｅｔｔｉ的研宄所使用的研究方法和思路以及建立的数学??模型被后来的学者广泛沿用。简单来讲，该研究方法是将风电场的布机方案作为??一个个体，计算该布机方案下的风电场发电量，设定合理的目标函数，对多个个
【参考文献】：
期刊论文
[1]热稳定性对近海风电场影响研究[J]. 彭秀芳,王磊,项雯,薛飞飞,许昌. 太阳能学报. 2019(01)
[2]基于修正湍流模型的致动盘方法研究[J]. 任会来,张晓东,康顺. 动力工程学报. 2019(01)
[3]考虑尾流效应的风电场优化控制技术研究[J]. 顾波,胡昊,刘永前,张洋,康顺. 太阳能学报. 2018(02)
[4]基于Park-Gauss模型的风场尾流数值模拟[J]. 杨祥生,赵宁,田琳琳,朱君. 太阳能学报. 2016(09)
[5]基于风轮平均风速的风电场致动盘模型[J]. 韩星星,许昌,刘德有,Wenzhong Shen,郑源,张明明. 工程热物理学报. 2016(03)
[6]基于CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化[J]. 许昌,杨建川,韩星星,Wenzhong Shen,刘德有,郑源. 太阳能学报. 2015(12)
[7]基于改进致动盘和拓展k-ε湍流模型的风力机尾流数值研究[J]. 许昌,韩星星,王欣,刘德有,郑源,SHEN Wenzhong,张明明. 中国电机工程学报. 2015(08)
[8]半经验风力机尾流模型的研究[J]. 张晓东,张镇. 太阳能学报. 2014(01)
[9]串列风力机尾流干扰的研究[J]. 朱翀,王同光,钟伟. 力学与实践. 2013(05)
[10]复杂地形风电场的机组布局优化[J]. 田琳琳,赵宁,武从海,沈志伟. 南京航空航天大学学报. 2013(04)
博士论文
[1]风电场尾流场与功率多精度模拟方法研究[D]. 王一妹.华北电力大学(北京) 2018
[2]考虑尾流和电气损耗的风电场有功功率提升控制策略研究[D]. 李丽霞.沈阳工业大学 2017
[3]风电场尾流快速计算及场内优化调度研究[D]. 顾波.华北电力大学(北京) 2016
[4]风力机尾流数值模拟及风电场机组布局优化研究[D]. 田琳琳.南京航空航天大学 2014
[5]风电场内机组优化调度研究[D]. 张晋华.华北电力大学 2014
[6]风力机叶片非定常气动特性的研究[D]. 刘磊.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
硕士论文
[1]风电机组半经验尾流模型改进方法研究[D]. 崔岩松.华北电力大学(北京) 2017
[2]考虑空气动力学影响的风电场最大出力控制技术研究[D]. 叶飞.东南大学 2016
本文编号：3228109
【文章来源】：华北电力大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：133 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图I-12007年至2018年风电装机容量统计U.z1Fig.l-1
１．２．１风电机组尾流概述??来流风经过风电机组时的流动一般可分为四个区域，分别为诱导区、近尾流??区、过渡区和远尾流区［１Ｇ］，如图１－４所示。诱导区是从风轮前到风轮附近的部分，??区域内来流风速逐渐下降，压力逐渐升高。当来流经过风轮时风轮吸收来流风中??的动能，这导致了机组下游尾流区中风速的下降，同时来流在风轮处会出现一个??快速的压力降，导致流体压力低于大气压水平。??Ｍｅａｎ?ｓｈｅａｒｅｄ?ｉｎｆｌｏｗ?爲?▲??Ａ?Ｉ?＾????１￣Ｗ＾ｅＳｏｗＪ??丄——ｉ?１??１?１?Ｋ???ＩＤ?２Ｄ?３Ｄ?４Ｄ?５Ｄ??图１－４风电机组尾流的流动发展［１０】??Ｆｉｇ．?１－４?Ｆｌｏｗ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｗａｋｅ??来流通过风轮后流体压力开始逐渐恢复，速度进一步降低，区域内的低速流??体与外部高速自由流之间的风速梯度形成了剪切层。当机组风轮旋转时，从叶片??后缘脱落的尾涡会形成一个由螺旋涡面构成的复杂涡系，涡系由叶根中心涡、叶??
每个网格中心点是可能布机的位置，如果布置机组则该网格点用“１”表??示，反之则用“０”表示。每一种机组排布方式都可以表示为一组由〇和１组成??的字符串并作为启发式算法中的一个个体。如图１－５所示，矩形风电场离散为??ｌ〇ｘｌ〇共１〇〇个网格，左图中的机组排布方式被表示成右图中的二进制字符串。??优化时随机产生多个初始个体，即多个机组排布方案，分别计算在这些布机方案??下风电场的发电量，通过不断优化迭代最终得到目标函数最小的最优布机方案。??人人人人人人人人人人?１１１１１１１１１１??ＡＡＡＪＬ＿１＿？ｌＪＬＡＡ＿２＿??Ａ?Ａ?ＡＡＡＡＡ?ＡＪＬ＿￡．????＿２＿＿Ｌ?????人人人又又又人人人人ｔｉｉｉｉｉｉｉｉｉ????＾?ＪＬ?ＡＡ?ＡＡＡ????????人人人人人人人人人人?ｉｉｉｉ?ｉｉｉｉ．??图１．５风电场布机方案的编码方式??Ｆｉｇ．?１－５?Ｃｏｄｉｎｇ?ｍｅｔｈｏｄ?ｏｆ?ｗｉｎｄ?ｆａｒｍ?ｌａｙｏｕｔ??Ｇｒａｄｙ［１Ｑ８］和Ｍｉｔｔａｌ［１（）９］采用了同样的计算模型和优化策略复盘并校核了??Ｍｏｓｅｔｔｉ的工作，经计算发现由于Ｍｏｓｅｔｔｉ选取的迭代步数不够而导致结果未收敛??到最优解。尽管如此，Ｍｏｓｅｔｔｉ的研宄所使用的研究方法和思路以及建立的数学??模型被后来的学者广泛沿用。简单来讲，该研究方法是将风电场的布机方案作为??一个个体，计算该布机方案下的风电场发电量，设定合理的目标函数，对多个个
【参考文献】：
期刊论文
[1]热稳定性对近海风电场影响研究[J]. 彭秀芳,王磊,项雯,薛飞飞,许昌. 太阳能学报. 2019(01)
[2]基于修正湍流模型的致动盘方法研究[J]. 任会来,张晓东,康顺. 动力工程学报. 2019(01)
[3]考虑尾流效应的风电场优化控制技术研究[J]. 顾波,胡昊,刘永前,张洋,康顺. 太阳能学报. 2018(02)
[4]基于Park-Gauss模型的风场尾流数值模拟[J]. 杨祥生,赵宁,田琳琳,朱君. 太阳能学报. 2016(09)
[5]基于风轮平均风速的风电场致动盘模型[J]. 韩星星,许昌,刘德有,Wenzhong Shen,郑源,张明明. 工程热物理学报. 2016(03)
[6]基于CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化[J]. 许昌,杨建川,韩星星,Wenzhong Shen,刘德有,郑源. 太阳能学报. 2015(12)
[7]基于改进致动盘和拓展k-ε湍流模型的风力机尾流数值研究[J]. 许昌,韩星星,王欣,刘德有,郑源,SHEN Wenzhong,张明明. 中国电机工程学报. 2015(08)
[8]半经验风力机尾流模型的研究[J]. 张晓东,张镇. 太阳能学报. 2014(01)
[9]串列风力机尾流干扰的研究[J]. 朱翀,王同光,钟伟. 力学与实践. 2013(05)
[10]复杂地形风电场的机组布局优化[J]. 田琳琳,赵宁,武从海,沈志伟. 南京航空航天大学学报. 2013(04)
博士论文
[1]风电场尾流场与功率多精度模拟方法研究[D]. 王一妹.华北电力大学(北京) 2018
[2]考虑尾流和电气损耗的风电场有功功率提升控制策略研究[D]. 李丽霞.沈阳工业大学 2017
[3]风电场尾流快速计算及场内优化调度研究[D]. 顾波.华北电力大学(北京) 2016
[4]风力机尾流数值模拟及风电场机组布局优化研究[D]. 田琳琳.南京航空航天大学 2014
[5]风电场内机组优化调度研究[D]. 张晋华.华北电力大学 2014
[6]风力机叶片非定常气动特性的研究[D]. 刘磊.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
硕士论文
[1]风电机组半经验尾流模型改进方法研究[D]. 崔岩松.华北电力大学(北京) 2017
[2]考虑空气动力学影响的风电场最大出力控制技术研究[D]. 叶飞.东南大学 2016
本文编号：3228109
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