一种考虑大气稳定度的风力机尾流风速分布获取方法

本发明涉及一种考虑大气稳定度的风力机尾流风速分布获取方法，属于风力机尾流计算。

背景技术：

1、空气流经风力机时，受风轮阻碍和叶片旋转扰动作用，在风轮后形成流速降低、湍流强度增加的尾流区；导致下游机组发电量降低，疲劳载荷增大。在风电场微观选址、风功率预测、尾流调控等工程应用中，为降低计算成本，广泛使用风力机工程尾流模型量化风力机尾流影响。风力机尾流与机组所处的大气环境及机组本身的运行状态和特性有关，其中大气稳定度对风力机尾流影响较为显著。现有风力机工程尾流模型大多基于中性大气条件，很少考虑稳定和不稳定大气条件对尾流影响，其在非中性条件下的可靠性有待验证。因此，开发考虑大气稳定度的风力机工程尾流模型具有重要意义。

2、大量的风洞和现场实验表明，大气稳定度可以显著影响风力机尾流。chamorror等人通过分析风洞实验数据发现，相对于中性条件下，稳定条件下较大的风速垂直梯度能够增强尾流区湍流强度，并使湍流强度影响范围增大。zhang在风洞实验中发现，相对于中性条件下，不稳定条件下较大的湍流强度促进了尾流恢复，造成尾流损失降低约15%、最大湍流强度增加20%。platis等人通过气象飞机研究了大型风电场群在不同大气稳定度下的尾流影响范围，发现风电场尾流影响范围与大气稳定度关系密切，且随着稳定度的降低而缩小：在稳定条件下平均可达40km，而在不稳定条件下平均只达到约5km。

3、尽管有些商业软件已经在风资源评估中嵌入了致动盘模型，但由于尾流的非线性，同一风向下不同风速区间都需要计算流动分布，因而需要耗费大量的计算成本。在海上风电场尾流主动控制中，使用致动盘模型计算尾流分布也不能及时响应控制的需要。致动盘模型可以用于对已有设计方案校核、模型研究和开发上；而在工程中，还需要进一步简化模型，形成能够满足工程精度和计算成本需求的工程尾流模型。目前考虑大气稳定度影响的工程尾流模型主要有peña等人改进的jensen模型和cheng等人提出的基于横向湍流强度计算尾流扩张系数的尾流模型。改进的jensen模型预测尾流轮廓呈“高帽”状，与测量的类高斯分布形状差距较大。cheng等人提出的模型只使用数值模拟结果进行了验证，并没通过实测数据进行验证，可靠性有待研究。由于湍流强度在一定程度上能代表大气稳定度，现有基于湍流强度的尾流模型具备预测非中性条件下尾流风速的潜力，但也没有经过实测数据的验证。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种考虑大气稳定度的风力机尾流风速分布获取方法，通过包含尾流扩张系数的高斯分布型尾流模型，考虑大气稳定度对尾流产生的影响，降低计算成本，可以广泛使用风力机工程尾流模型量化风力机尾流影响。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种考虑大气稳定度的风力机尾流风速分布获取方法，包括：

4、根据获取的风电场的纵向湍流强度、风轮直径以及推力系数，计算得到近尾流长度；

5、将纵向湍流强度输入预先获取的尾流扩张系数与纵向湍流强度的关系公式，得到改变后的尾流扩张系数；

6、根据近尾流长度和尾流扩张系数，计算得到尾流宽度；

7、将尾流宽度和尾流扩张系数输入预先构建的包含尾流扩张系数的高斯分布型尾流模型，得到风力机尾流风速分布。

8、进一步的，所述纵向湍流强度使用已有的测量值或者使用预设的相似函数进行估算，其中，所述相似性函数的计算公式如下：

9、(7)；

10、式中，iu为纵向湍流强度，为风速波动值，uh为轮毂高度处风速；大气稳定度参数，z为离地高度，l为monin-obukhov长度，是湍流动能，是相似性函数参数；

11、式(7)中使用fullrf相似性函数，在不稳定时计算公式如下：

12、(8)；

13、式中是摩擦风速；

14、在稳定时计算公式如下：

15、(9)。

16、进一步的，所述根据获取的风电场的纵向湍流强度、风轮直径以及推力系数，计算得到近尾流长度，计算公式如下：

17、(2)；

18、式中，x0为近尾流长度，ct表示风力机推力系数，d为风轮直径。

19、进一步的，所述将纵向湍流强度输入预先获取的尾流扩张系数与纵向湍流强度的关系公式，得到改变后的尾流扩张系数，包括：

20、通过cfd方法获取实验风力机的数值模拟结果；

21、通过最小二乘法拟合数值模拟结果，获得尾流扩张系数；

22、筛选并建立纵向湍流强度在设定范围之间的训练数据；

23、根据训练数据得到尾流扩张系数和纵向湍流强度之间的关系，计算公式如下：

24、(6)；

25、式中，k∗为尾流扩张系数；

26、将纵向湍流强度输入公式(6)，计算得到得到改变后的尾流扩张系数。

27、进一步的，所述根据近尾流长度和尾流扩张系数，计算得到尾流宽度，计算公式如下：

28、(3)；

29、式中，为尾流宽度，为与偏航角相关联的参数。

30、进一步的，所述将尾流宽度和尾流扩张系数输入预先构建的包含尾流扩张系数的高斯分布型尾流模型，得到风力机尾流风速分布，包括：

31、将尾流宽度和尾流扩张系数输入包含尾流扩张系数的高斯分布型尾流模型，得到尾流风速损失，公式如下：

32、(5)；

33、式中，表示尾流风速损失；

34、根据尾流风速损失，得到风力机尾流风速分布。

35、第二方面，本发明提供一种考虑大气稳定度的风力机尾流风速分布获取装置，包括：

36、第一计算模块，用于根据获取的风电场的纵向湍流强度、风轮直径以及推力系数，计算得到近尾流长度；

37、第二计算模块，用于将纵向湍流强度输入预先获取的尾流扩张系数与纵向湍流强度的关系公式，得到改变后的尾流扩张系数；

38、第三计算模块，用于根据近尾流长度和尾流扩张系数，计算得到尾流宽度；

39、获取模块，用于将尾流宽度和尾流扩张系数输入预先构建的包含尾流扩张系数的高斯分布型尾流模型，得到风力机尾流风速分布。

40、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述中任一项所述方法的步骤。

41、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括：

42、存储器，用于存储计算机程序/指令；

43、处理器，用于执行所述计算机程序/指令以实现前述中任一项所述方法的步骤。

44、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现前述中任一项所述方法的步骤。

45、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

46、本发明提供一种考虑大气稳定度的风力机尾流风速分布获取方法，通过获取的风电场的纵向湍流强度、风轮直径以及推力系数，计算得到近尾流长度，同时将纵向湍流强度输入预先获取的尾流扩张系数与纵向湍流强度的关系公式，得到改变后的尾流扩张系数，接着通过近尾流长度和尾流扩张系数，计算得到尾流宽度，并将尾流宽度和尾流扩张系数输入预先构建的包含尾流扩张系数的高斯分布型尾流模型，得到风力机尾流风速分布，能实现不同大气稳定度条件下的风力机尾流计算，保证工程级别尾流计算精度，降低计算成本，可以广泛使用风力机工程尾流模型量化风力机尾流影响。