基于实测数据的西北地区风电场风场及尾流特性分析

基于西北地区某风电场2015—2016年的风速风向实测数据,分析了风电场风塔的尾流特性,并与现有风力机尾流模型进行了对比分析.在此基础上,对在远尾流场作用下的风速风向、湍流强度、湍流积分尺度、概率密度分布等风场特性进行了详细分析.研究结果表明:现有的Jensen模型、Park-Gauss模型与实际工程中多个尾流作用下的风电场尾流特性存在差异.在多风向多尾流叠加作用下,当风速大于10 m/s时,各风塔湍流强度随着平均风速的增长呈增大趋势,风电场内部风塔湍流强度在低湍流段更加集中,外围风塔湍流强度随平均风速的增大速率略快于内部风塔,而湍流积分尺度随平均风速的增大程度总体慢于内部风塔,且外围风塔实测风速更加接近高斯分布.     

风电场尾流干涉效应及布局优化研究

为探寻风电场尾流干涉效应及定量预报不同风电场布局下整体输出效能，从工程中预报单台风电机尾流效应使用最普遍的Jensen模型出发，基于风电场布局中上游风力机对下游风力机的遮蔽效应及遮蔽模式，构建尾流干涉效应数学模型，编制风电场尾流干涉效应预报程序，研究齐位排列方式下风电场整体输出效能随风电场规模、行列间距及风向角的变化规律，以及错位排列方式下风电场整体输出效能随错位间距和风向角的变化规律。结果表明：不同风电场规模下整体输出效能均随着行列间距的增大而增大，不同行列间距下整体输出效能均随着风电场规模的增大而减小；不同错位间距和风向角下风电场整体输出效能差异明显，需根据风电场所在地风向来合理安排风力机行列间距，以最大化整体输出效能。研究可为工程中预报任意风电场布局下风电机组尾流干涉效应及合理化设计风电场布局提供技术支撑。     

考虑尾流效应的风电场建模以及随机潮流计算

采用变量变换法拟合了风速频率的三参数weibull分布函数,在风能分布的Jensen和Lissaman模型的基础上,结合风速的频率分布模型与风力发电机组的单机稳态模型,建立了大型并网运行风电场的综合模型.该模型同时考虑了尾流效应和风电场地形因素对不同位置风机风速的影响,得到了考虑以上因素时风电场的输出功率.在此基础上,应用蒙特卡罗法对风电场接入系统进行了随机潮流计算.最后,以40机的风电场为例建立了风电场模型,将此模型引入到IEEE14系统中,通过随机潮流计算得到系统节点电压的概率分布以及风电场输出功率的概率分布,分析了风电场并网运行对系统各节点电压的影响,从而为减小风电接入系统的电压波动提供参考.     

致动盘模型在风电场上的应用

为了提高风力机的利用效率,优化风电场布局,利用实测以及基于致动盘的数值模拟方法,对风电场中多台串列布置的风力机的尾流进行研究,获得尾流的速度场、压力场及各台风力机功率的分布规律.结果表明:致动盘模型能很好地模拟上下游风力机之间功率的损失,但获得的功率小于风电场的实际数据;上下游之间风力机的功率损失达到35%左右,然而随着尾流向下游发展,对下风向风力机功率的影响减弱;风电场排布设计时应避免将风力机串列布置在常年盛行风方向.     

大气稳定性对风力机尾流影响的数值模拟

基于Park模型尾流区线性膨胀假设和涡黏性模型对尾流区径向风度呈高斯分布假设,提出了一种ParkGauss新模型,对单台风机尾流进行数值模拟.为了进一步提高模型精度,对初始尾流半径进行了修正.基于ParkGauss模型,研究了大气稳定性对风力机尾流的影响.通过理论与试验结果对比分析结果表明:文中提出的ParkGauss模型对尾流区风速模拟取得较好的效果;不稳定大气条件尾流区风速恢复快,与试验结果最接近;稳定大气条件下尾流风速恢复慢,风速低于试验结果;中性大气条件介于二者之间,风速略低于试验结果.     

一种新型结构叶片对风力机气动性能的影响

针对风力机在旋转过程中产生的叶尖涡影响风力机本身以及下游风力机气动性能的问题,提出了一种控制叶尖涡的策略,以减小叶尖涡对风力机本身及下游风力机气动性能的影响.以PhaseⅥ叶片的1/8模型为原始模型,在叶尖处和轮毂处同时开洞,用管道将洞连接的模型称作新模型.采用数值模拟的方法对来流风速从6 m/s到20 m/s的15个工况下原始模型和新模型风力机进行了对比分析,结果表明:在低风速下原始模型和新模型气动性能几乎一样,即新模型对叶片气动性能影响很小,尾流扩散速度也相近;但随着来流风速的增大新模型对风力机气动性能的影响也随之增大,新模型风轮功率比原始模型风轮功率有明显提高,尾流在风轮旋转平面内扩散速度变快,在来流方向传播距离变短.新模型尾流可以减小对下游风力机的影响,提升了风电场风能的利用效率.     

基于尾流效应的低风速地区风电场布局优化方法

为了减少低风速地区风电场尾流效应对其发电能力的影响,提出一种通过改变风机塔筒高度以提高风电场收益的布局优化方法。首先分析了塔筒高度与风电场年发电量的关系,进而优化风电场主风向上机组塔筒高度,以使轮毂海拔高度呈渐进式增加,实现风电场年发电量提升的同时尾流损失下降的优化目标。最后,使用Wasp10.0风资源评估软件建立风电场模型,与未使用优化方法的风电场进行仿真对比。仿真结果表明,随着主风向上前后排机组轮毂海拔高度差值的不断增加,风电场年发电量不断增加,验证了所提方法的有效性。     

山地风电场稳态输出评估方法研究

由于山体地形的特殊性,加之风电机组间存在相互遮挡,在风速和风向变化时山地风电场的稳态输出波动较大,无法充分利用风能。针对以上问题提出一种山地风电场稳态输出评估方法,该方法首先分别构建了计及尾流效应的山体地形风速模型、风电机组的输出功率模型和随机风向模型。在此基础上,结合ArcGIS开发了一套风电场稳态输出评估系统。通过该系统分析了风速和风向变化对山地风电场稳态输出的影响,找出了最佳风向角和最佳风速范围,从而为山地风电场风电机组的最优布局和提高风电场的风能利用率提供了理论指导。     

考虑平滑效应的风电场功率模型

提出一个同时考虑风场运动延迟平滑效应和尾流效应的风功率预测模型.模型中通过模拟尾流效应对风速的影响,并计及风速传输的延迟性,获得处于不同空间位置风机的风速,通过功率的叠加,形成风电场功率输出曲线来表征功率输出的平滑效应.模拟及案例分析结果表明,所提出的模型有效性强、精度高,适合用来评估风电场注入功率对系统的冲击影响,更符合风电场的实际情况,有助于对电力系统机组的备用容量、爬坡率进行修正,并有利于合理评估风电场对电网运行安全的影响.     

浅析风力发电机组优化选型及电场选址

从风能利用和风电成本两个角度出发,推导出风电场选址与风力机优化选型的目标函数,提出将风力机容量系数作为风电场选址与风力机选型的判据,同时给出了基于风速分布特性的风力机容量系数计算方法。     

基于自适应遗传-粒子群优化算法的风电场微观选址优化

为了减小尾流效应对风电场发电量的影响,提高风能利用率,提出了一种自适应权重的遗传-粒子群优化算法(genetic-particle swarm optimization algorithm, GA-PSO)。首先,以风电场单位发电成本为目标函数,风机坐标为优化变量,通过在优化变量的速度更新中加入惯性权重,以改变算法的寻优速度;其次,在WASP软件选址的基础上,对风电机组进行布局优化;进而,将计算结果与遗传算法(genetic algorithm, GA)、萤火虫算法(firefly algorithm, FA)和粒子群(particle swarm algorithm, PSO)优化算法进行对比。结果表明：运用PGOA算法优化后的风电场单位发电成本为2 016元/GWh,减少了232元/GWh,年发电量为82.633 GWh,比优化前提高了8.538 GWh,同时尾流损失减小了1.12%。可见研究结论对未来的风电场微观选址具有一定指导意义。     

基于虚拟叶片方法的复杂地形风电场气动性能分析

基于计算机流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法和虚拟叶片(virtul blade method,VBM)方法研究了风力机尾迹与复杂地形的相互作用,以实际风电场为例,分析了造成复杂地形风电场中风力机振动的主要原因,提出了一种基于CFD的快速分析风电场气动性能的方法,比较了雷诺平均(Reynolds-averaged,Navier-Stokes,RANS)和大涡横拟法(large eddy simulation,LES)求解方法在捕捉地形效应和尾迹及预测风电场功率性能方面的差异。研究分析发现,机组尾流和复杂地形效应造成的湍流强度过大是造成该风电场风力机运行时剧烈震动的原因,LES方法预测尾流的延迟衰减和更明显的尾流干扰作用导致风电场的发电量低于RANS方法。RANS方法过度预测湍流,导致湍流动量更快的扩散和尾流快速恢复。因此,CFD结合VBM分析复杂地形条件下风电场气动性能的方法,可实现复杂地形大型风电场性能的快速分析,可应用于风电场相应气动控制策略的制定和复杂地形风电场的微观选址。     

大规模海上风电场内部电气汇集系统设计方案经济性优化

为解决大规模远距离海上风力发电技术的汇集送出时成本过高等经济性的问题,本文通过对海上风电场汇集系统的组成和特征以及汇集系统的经济性组成因素进行分析,以投资成本最低为目标,建立汇集系统经济性数学模型。在此模型基础上,提出了一种经济性优化组合算法。对风机排布采用放射型模糊聚类算法RFCM（Radial Fuzzy C-Means）,进行模糊聚类分片,并将聚类片区得出的风电机群的海底电缆分布路径采用Prim最小生成树算法进行优化找出电缆连接最小路径,得出最经济性的分布拓扑。结果表明,此组合算法解决了穷举法优化拓扑结构的维数灾问题,为简洁快速的解决大型海上风电场汇集系统经济性优化问题提供了支撑。最后对山东半岛北风电场实例进行该组合优化算法的算例分析,证明该组合优化算法的有效性。     

海上风电柔直输电系统黑启动研究进展

随着绿色能源的快速发展，海上风电场的规模也越来越大，同时柔性直流也是海上风电场对外传输电能的主要方式。海上风电柔直输电系统在遇日常或故障检修后，需要由换流站等独立完成系统的黑启动。本研究从系统黑启动电源的选择、风电场和换流站的启动方式展开，总结出一种适用于海上风电柔性直流输电系统的黑启动策略，并归纳分析了系统启动过程中注意事项及难点，最后提出系统黑启动的未来发展方向，为今后海上风电柔直输电系统黑启动的研究和应用提供参考。     

The investigation on computational grids in wind turbine positioning optimization using greedy algorithm

In this paper, the effect of the computational grids on the wind turbine positioning optimization is studied. The linear wake flow model is used to calculate the turbine wake flow. The power law is used to model the power curve of wind turbine. Greedy algorithm with repeated adjustments is introduced to solve the wind turbine positioning problem, with the target of maximizing the total power output of wind farm. Square grid and triangle grid with various orientations are used to discretize the area of wind farm. Three numerical cases are introduced to study the effect of the computational grids on the optimized results. The results show that the optimized power output can be improved through choosing appro- priate grid orientation. The suggested grid orientations for single direction wind case and multi-direction wind case are given.     

底部结构对高速列车流场及气动优化规律的影响

为了得到底部结构对列车流场及气动阻力优化规律的影响,通过计算流体力学和正交试验设计分析的方法,研究真实复杂车体的底部流动和尾迹特征,得到了复杂车体气动阻力优化规律.结果表明,尾车鼻尖静压系数在底部结构影响下降低了0.06,尾车流动分离提前,两反对称尾涡核间横向距离增大,尾涡间夹角增大.头型概念设计时的拓扑简化车体模型可以作为真实复杂车体的气动阻力优化设计模型,但考虑底部结构使得头车参数优化的极差值减小、尾车参数的优化极差值增大.头车阻力优化重点为转向架周边结构,尾车阻力优化对流线型长度参数更加敏感.     

H型垂直轴风力机远场尾流特性研究

基于非定常CFD数值模拟方法,采用FLUENT软件对H型垂直轴风力机的流场进行模拟,并分析尖速比和叶片数对远场尾流特性的影响规律。结果表明:风轮在运转过程中的空气流动近似于圆柱绕流,绕流和旋转对尾流两侧风速具有增大作用,增大的风速不断汇入到尾流中,有助于尾流风速恢复;随着尖速比的增大或叶片数的增多,远场尾流形成卡门涡街,尾流风速呈周期性上下波动分布;在风电场中风力机组的排布应根据不同的尾流特性,采取不同的布置方案。