考虑尾流效应对风电场机组布局的影响分析

尾流效应的存在会导致风电场下风向风能减少,流场湍流度增加,进而影响风电场中位于下风向风机的效率和风轮的使用寿命。文章对尾流效应研究现状进行了概述,利用WASP软件以及风资源数据进行风电场模拟计算,将上下游风机之间间距以及上下游风机连线与主导风向的偏向角作为风机定位坐标,建立了分别由2台、3台、4台风机组成的模型并进行计算。比较在不同风机布局的情况下,风电场内每台风机和风电场的年净发电量以及尾流损失值随风机布局的变化趋势。对比计算结果得出风电场机组布局中风机之间的最佳间距和偏向角的定量值,确定风机尾流效应分析在风电场内机组布局中的重要性,为优化风电机组布局以及提高风电场风能利用率提供理论依据。     

基于CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化

针对复杂地形条件下风电场微观选址技术难度大的问题,提出一种基于数值计算结果和高效优化方法的微观选址优化算法。将测风数据按风向等分成12个扇区,并利用平均风速和CFD对复杂地形的每个扇区进行数值模拟,得到风电场各扇区的风资源分布,提取轮毂高度处的风速和风向分布。优化中风力机的尾流影响采用Jensen尾流模型,风电场风能计算中风速按照威布尔分布处理,并考虑每个扇区风速的大小、概率密度。目标函数为整个风电场的输出功率倒数的对数,自变量为风力机在给定风电场中的位置坐标,约束条件为地形边界和风力机之间的最小距离,优化算法采用该文提出的改进小生境粒子群算法(NCPSO),优化风力机组微观选址的最优解。该文提出优化算法得到的结果与基于高度的经验布置方法(EX-TH)、基于风能密度的经验布置方法(EX-PH)以及普通粒子群算法(PSO)进行比较,证明在复杂地形条件下所提出方法的可靠性与有效性,并可应用于工程实践。     

基于改进二进制萤火虫算法的风电场微观选址优化研究

风电场微观选址时应合理布置机组位置,减少尾流影响,提高风电场的综合经济效益。首先,针对不同布机方案及不同来流风向、风速下风电场尾流分布的变化,提出了一种基于坐标变换的风电场尾流场快速计算方法以提高计算效率;然后,对传统二进制萤火虫算法进行改进,从而提高寻求全局最优的能力;最后,基于以上工作,以机组总台数和布机方案为决策变量,以单位功率成本为目标函数,完成了3种风况条件下的风电场微观选址优化工作。经过计算对比分析,本方法在3种风况条件下均得到了更优的布机结果,对工程中海上风电场和陆上平坦地形风电场的微观选址工作具有参考价值。     

风电场复杂地形的微观选址

以红牧风电场为例,分析了复杂地形的风电场微观选址,根据主风向上和垂直主风向上的不同间距布置风机,以对比单机平均发电量和尾流影响.结果表明,主风向上单机的平均发电量随风机间距的增加先增后疵,尾流损失不断减小;垂直主风向上随风机间距的增大单机平均发电量不断增大,尾流损失也不断减小.建议在复杂地形的主风向上风机间距的选择比简单地形小,均为风机直径6～7倍;简单地形的风机间距约为风机直径7～8倍.     

多约束条件下智能优化风电场微观选址方法的探究

文中从微观选址的角度及基于CFD计算和多约束条件下智能优化风电场微观选址的方法,对风电场发电量存在不足的情况进行分析,并建立相应的数学模型,通过优化进行微观选址及实践验证。仿真结果表明,此方法在进行微观选址的过程中,可以通过风机位置的优化,得到优化的风能密度高值的点,从而减少尾流损失,提高风机发电量。     

基于场级偏航控制的风电场尾流敏感性分析

偏航偏转控制有利于减小风机尾流效应,通过场级偏航协调优化减小尾流损失,可使风电场总发电量达到最大化。采用FLORIS尾流代理模型,以各风机偏航角为优化对象,风电场总功率最大为优化目标,进行场级偏航寻优。针对不同风机间距、纵列个数、湍流强度、来流风速和来流风向等多个维度,对比分析了偏航优化对尾流损失及功率提升的敏感性。结果表明：当风电场排布间距小于5D、风机纵列大于3台且仅需优化前5排、纵列机位连线与风玫瑰图主频风向夹角小于15°、风场湍流小于0.1、来流风速位于风机“切入风速+2 m/s”至“额定风速+2 m/s”区间时,场级偏航控制对于尾流优化效果最佳;若仅采用单机偏航控制风向,前排风机保留3°～5°偏航误差有利于风电场整体的发电收益。     

海上风电场运行期尾流损失分析

  [目的]  为了充分认识海上风电场运行过程中的尾流效应,对风电场布局设计中的模拟计算结果进行验证,探索海上风电场的风机尾流损失变化规律。  [方法]  以华南地区某海上风电场为测试场址,选用PARK模型进行尾流模拟计算,对模型中的参数进行优化并进行实际发电量验证。  [结果]  结果表明:PARK模型用于海上风电场尾流模拟可以基本反映风机实际发电情况;在某风向上风机间距为7D情况下,主风向尾流损失在第2排后的分布规律呈现较为稳定的状态,约为首台风机的30%。  [结论]  PARK尾流模型能够较好的模拟近海风电场尾流损失和进行发电量计算,模型参数选择应根据项目实际情况进行敏感性测算。     

风电场的机组布局优化研究

以风电场年发电量和总投资成本为目标对平坦风电场机组布局进行优化。以统计得到的真实风资源分布作为输入,采用修正的Jensen尾流模型模拟机组之间的尾流干扰效应,根据实际工程经验对风电场的总投资成本进行数学建模。然后,基于NSGA-Ⅱ算法以机组总台数和每台风力机位置为决策变量,以年发电量和总投资成本为目标函数进行多目标优化。另外,该文还将上述两个目标折合为单目标(度电投资成本)进行优化。最后,给出多目标和单目标优化得到的风电场特征参数包括总投资成本、年发电量、风电场效率、度电投资成本以及相应的机组布局轮廓图。     

基于二维尾流模型的风电场产能分析

文章提出了同时考虑径向上的非均匀风速分布和轴向控制体侧面上空气流量变化对尾流风速影响的改进模型。采用Jensen模型、轴向改进的半经验模型、径向改进的二维模型、文章提出的改进模型进行风电场产能分析,验证不同尾流模型用于风电场产能分析时的计算精度。计算的产能结果与江苏省某风电场的实际产能进行对比,结果表明,文章提出的改进模型具有较好的计算精度。风电场的产能损失主要来源于尾流损失,其主要取决于3个因素:(1)风力机与上风向风力机间距的大小;(2)尾流效应影响的风向上的风速在全年风速中的比例大小;(3)是否受多台风力机尾流叠加影响。文章提出的改进模型能提高风电场产能的评估精度。文章提出决定尾流损失的3个因素对优化风电场的排布设计、提高风电场的总产能和经济效益具有重要指导意义。     

复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比

以CFD数值计算和实验相结合的方法,对处于中国西南某多山地区陆上风电场的尾流特性进行研究,验证不同数值方法在复杂地形的适用性。首先采用2台激光雷达,测量目标风力机一个月内的自由来流风速和尾流廓线,在地形上坡加速效应下,不同大气稳定度下目标风力机的自由来流风速廓线均呈负梯度。然后分别采用经典致动盘和改进致动盘法,模拟目标风力机在主风向下的尾流发展。不同于只有风速与压降关系的经典致动盘法,改进致动盘法更考虑了叶片几何和气动参数(尺寸信息、攻角、桨距角、升阻力系数等)。通过与后置激光雷达尾流测试结果对比,这2种基于CFD技术的数值模拟方法,计算网格相同,计算时间相当,且均能较好地模拟因为复杂地形而引起的尾流偏转;其中改进致动盘的尾流形状与激光雷达相似,速度亏损也更接近激光雷达结果。因此,改进致动盘法更适合于复杂地形条件下风场模拟,较好平衡了计算的效率与精度。     

考虑风速、风向变化及尾流效应的风电场建模

对风电场建模过程中,确立准确的输入风速模型至关重要。风电场中机组排列密集,风机之间存在尾流效应使得各台风机的输入风速不可能完全相同,尾流效应的强弱与很多因素有关,如:风速、风向、机组的排列布置等。利用MATLAB程序实现在不同风速、风向、风机排列情况下输入风速的计算,模拟实现对风速、风向变化情况下风电场的快速建模。可以较准确地描述出当风速、风向变化时风电场功率输出的变化。通过仿真验证了此方法的正确性,该方法的可移植性高,可用于各种规模风电场输入风速模型的计算。     

动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。     

扇区管理在风电场设计和运行中的研究与应用

由于大型风电场的尾流叠加效应以及山地复杂地形等因素影响,对风电场风机安全运行提出了更高的要求。国内发生过数起由特殊风况因素导致的风机事故,原因是在风电场设计和运行阶段没有充分考虑特殊风况对风机安全性的影响。扇区管理技术可减少某个风向上特殊风况对风机的危害,降低风机的载荷,确保风机安全运行。文章从风电场设计和安全运行的角度出发,通过技术分析和应用实例来探讨扇区管理在风电场设计和运行中的作用。     

基于二维代理模型的风力机尾流计算和风电场布局优化

针对现有风力机尾流采用计算流体力学方法（CFD）进行数值模拟遇到的网格数量多、计算资源需求大的问题,提出采用二维代理模型的风力机尾流数值模拟方法,并将此代理模型运用于风电场的布局优化中。首先对单台风力机的尾流进行数值模拟研究,并根据现场实测数据对模拟结果进行检验;其次将代理模型运用于多台风力机的风电场模拟中,分析风力机在不同来流风向角下尾流效应情况。最后结合风速风向玫瑰图计算多台等距矩形布置的风电场的年发电量,分析风电场与N（北）方向的夹角与风电场年发电量的关系。仿真表明：现场实测数据和模拟数据相关程度高且误差较小,验证了二维代理模型的可行性和计算结果的准确性。风电场与N（北）方向的夹角在0°～40°范围内时,夹角大于0°时的风电场年发电量均大于夹角等于0°时的年发电量;风电场布局优化时选择合适的风电场与N（北）方向的夹角有利于提高风电场的年发电量,提高经济效益。     

基于风速矢量的风机攻角与偏航全局鲁棒控制模型

针对风电场内风机叶片因应力过载造成的叶片损伤问题,研究了风机叶片攻角、偏航角度、叶片受力及风机出力之间的关系,在保证风场出力不变和叶片最佳应力的前提下,建立了风速风向动态变化过程中基于风速矢量的攻角和偏航参数鲁棒动态估计模型。为保障叶片迎风参数动态评估计算的实时性和准确性,文章基于Gauss-Newton(GN)方法,提出了风机攻角和偏航参数鲁棒动态估计模型的非线性迭代求解算法。针对某风电场内风机叶片应力建立了ANSYS数值仿真模型。仿真结果表明,文章所提出的模型能够对风机叶片迎风参数进行实时优化,有效地减小风力参数变化过程中风机叶片应力的不平衡。     

基于动网格对风力机尾流的数值模拟

为了更真实地分析风机尾流流场,尽量减小尾流影响,提高风电场输出功率及效益,提出一种利用动网格技术进行风场优化的新方法。针对1.5 MW风力机叶片旋转区域进行动态网格化求整个流道内的尾流场,同时利用CFD方法与致动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行数值模拟。利用两种计算方法对单台风力机的尾流区域进行计算,获得单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布及风力机下游不同位置处的流场分布,并与改进Jenson模型结果进行对比分析,表明该动网格方法能较好地捕捉尾流的流场特性,由于新的尾流计算模型考虑叶片真实旋转对尾流影响,准确捕捉风机尾流中产生大小不同尾漩涡,合理捕捉尾流恢复率及尾流半径的变化规律,因此可作为工程开发有效工具,为分析风机尾流流场及风电场风机布置提供一定参考。     

基于Openfoam的怀来复杂地形风电场流动特性研究

针对实际风电场复杂地形的流动特性,基于Openfoam开源软件进行二次开发。通过自主研发的网格捕捉地形工具,运用计算流体力学(CFD)模拟方法,研究了复杂地形条件下不同扇区入口方向的流动模拟。模拟结果表明:基于Openfoam的复杂地形模拟方法具有较高的模拟精度,验证了方法的可行性;以河北怀来的实际复杂地形为研究对象,通过定性和定量速度场特性分析可知,风绕过山体,受到山体漩涡流动和风机尾流损失的影响,风电场的风能品质下降;主风向下流动的自持性较高,而在其他扇区进出口的流向速度梯度不为零,存在较大的回流现象,各个机位点在轮毂高位处的观测结果与商业软件计算结果相差15%左右。文章的研究方法对于复杂地形数值模拟和风电场微观选址具有重要的参考价值。     

风电整机型号发展与选型分析

随着我国风力发电产业的快速发展,风电机型的更新换代步伐明显加快。本文通过对国内外典型风电企业机型开发历程回顾分析,并结合我国风能资源分布特征,对高原(寒)地带或偏Ⅱ、Ⅲ类风区的风电场提出适合的型号。这既是综合性能与综合成本两者间的最佳组合,也是风电机组与风电场效益优化匹配的必然选择。此外,本文提及叶片是风电机组捕捉风能并转化为电能的关键部件,叶片性能和长度不仅直接决定风电机组的效能,而且其与运输成本直接关联,因此风电机组选型应着重考虑叶片成本和商业化程度。     

大型海上风电场风机排布优化策略研究

为提升大型海上风电场的经济效益,得到合理的风机排布方案,提出了一种规则型排布优化策略,该策略通过对风电场内风机布局参数进行遍历取值,对各方案分别进行发电量计算,从而找出发电量最大的方案;同时,还提出了随机型迭代优化策略,该策略以最优规则型方案作为初始方案,通过不断调整尾流较大风机的位置,从而提升整个风电场的发电量。2种风机机位优化策略均采用Python语言实现,通过实际风电场监测数据的分析对比,验证了Jensen尾流模型可较准确预测海上风电场风机尾流损失,最后通过对Horns Rev2海上风电场算例进行风机机位优化分析,得出了在最优规则型排布方案中各排风机的连线均大致与主风向垂直,且随机型排布方案的年发电量可在规则型排布方案基础上平均提升约1.35%的结论。     

考虑尾流效应及连接架构的风电场等值方法研究北大核心CSCD

对大型风电场进行完整的仿真分析会消耗巨大的时间成本。文章提出了一种基于尾流效应和连接架构的风电场等值法,考虑了风机位置对输入风速的影响,最大程度地保留了原有结构和性能,建立了简单准确的等值模型。分析了容量加权法的误差及原因,提出了根据风电场连接架构对风机群进行考虑尾流效应的分组方法,并通过容量加权法对分组进行参数聚合。通过Matlab/Simulink建立仿真模型,结果表明,所提模型的各项性能在不同风向下均能与原模型性能相近,具有较高的精确度和适应度。