基于CFD和PSO方法的兆瓦级风场风机群优化布置研究

发布时间：2017-10-31 11:34

  本文关键词：基于CFD和PSO方法的兆瓦级风场风机群优化布置研究

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【摘要】：风能是可再生能源,具有分布广、储量大、绿色环保等诸多优点,世界能源紧缺的时代,风能的利用正在愈加备受推崇。数量上升的同时,等条件下的发电效率成为新一轮的评价标准。风机的尾流效应是诱发风场发电能力下降的主要原因,上下游风机间相对位置的调整可以显著改善尾流效应对下游风机输出的影响。因此,针对风场中风机群布置优化来提高发电效率的研究显得十分紧迫。本文提出了结合CFD数值模拟和粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),对固定大小平坦地貌风场在匀速风条件下,以风场成本与风场总输出功率比值最小为目标函数,优化兆瓦级风场中风机群的布置方案,有效提高了风场的发电效益。本文研究内容如下:(1)建立2MW单风机的三维实体模型,MRF模型实现风轮的旋转,采用基于RANS方法的SST k-ω湍流模型计算风场绕流流场,得到风机额定功率非常接近的输出功率,验证了本文数值模拟研究方法的可行性。(2)通过研究串列布置、高低位布置、斜列布置的双风机尾流干扰效应,得到了不同排列方式的风场总输出功率随位置或高差的变化规律,进而获得下游风机与上游风机功率比随位置和高差多变量变化的多项式关系,改进了上游风机对下游风机输出影响的一位理论尾流效应。(3)以风场发电效益最高为目标函数编写适用于解决风机群布置的粒子群优化算法。通过与基于基因遗传算法的经典算例进行对比,验证本文编写的粒子群优化算法的可行性。将风机的功率比随多变量变化的多项式,通过功率曲线关系式转化得到基于三维尾流干扰风速关系式的改进粒子群优化算法,用改进后的优化算法搜索得到风场中风机群的最优布置方案。
【关键词】：风机群 三维尾流干扰 CFD数值模拟 粒子群优化算法 发电效益
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题来源和研究目的及意义9-12
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题研究目的及意义9-12
• 1.2 风力机尾流干扰的国内外研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 国内外研究简析14-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-17
• 第2章 2 MW单风机尾流特征的CFD数值模拟17-37
• 2.1 引言17-18
• 2.2 单风机设计与三维实体建模18-27
• 2.2.1 风力机叶片设计过程18-23
• 2.2.2 三维整机实体建模23-27
• 2.3 单风机风机尾流特征的CFD数值模拟27-35
• 2.3.1 CFD基本理论27-32
• 2.3.2 单风机尾流特征的CFD数值模拟32-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 多风机尾流气动干扰特征的CFD数值模拟37-54
• 3.1 引言37
• 3.2 数值计算模型37-41
• 3.2.1 双风机风场建模37-40
• 3.2.2 网格划分40-41
• 3.2.3 边界条件41
• 3.3 尾流干扰计算结果分析41-52
• 3.3.1 数值求解方法41-51
• 3.3.2 风机在综合因素对输出功率比的影响51-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 风机群优化布置的粒子群算法研究54-74
• 4.1 引言54
• 4.2 粒子群算法原理54-56
• 4.2.1 基本原理54
• 4.2.2 控制参数54-55
• 4.2.3 计算流程55-56
• 4.3 基于基本粒子群算法的风机群优化布置数学建模56-61
• 4.3.1 基本粒子群算法数学模型56-57
• 4.3.2 一维理论风机尾流模型57-59
• 4.3.3 Grady风机输出功率计算模型59
• 4.3.4 Mosetti成本计算模型59
• 4.3.5 基本粒子群算法的风机优化布置可行性验证59-61
• 4.4 改进粒子群算法的风机群发电效益优化研究61-73
• 4.4.1 改进粒子群方法的建模62-63
• 4.4.2 三维模拟风机尾流建模63-65
• 4.4.3 2MW风机输出功率计算模型65
• 4.4.4 本文成本计算模型65
• 4.4.5 匀速、单一风向工况下风场中风机群的优化布置65-68
• 4.4.6 匀速、四面风向工况下风场中风机群的优化布置68-70
• 4.4.7 匀速、十六面来风工况下风场中风机群的优化布置70-73
• 4.5 本章小结73-74
• 结论74-77
• 参考文献77-82
• 致谢82-83

【参考文献】

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1 金圣子;王琳;朱连成;赫健;昌亮;;国内外风力发电发展与展望[J];辽宁科技大学学报;2013年02期

2 赵慧欣,田德,王海宽,韩巧丽,孔令军;风力发电机叶轮技术的发展现状[J];农村牧区机械化;2004年04期

3 曹海昌;;风力发电场风机数学及经济模型分析[J];现代营销(学苑版);2011年10期

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1 李晓冰;风电场布机设计优化[D];华北电力大学;2012年

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本文编号：1122210