风电场风机尾流及其迭加模型的研究

大型风电场的等值模型及其改进研究李芸;王德林【摘要】随着风电场规模的日趋扩大,其随机变化功率对接入电网的影响也越来越受到重视.风电场并网的仿真研究中,通常将数十台甚至上千台风力发电机等值简化为由几台风电机组成的风电场模型.因此,如何在多方面因素的影响下建立符合实际情况的风电场等值模型极为重要.本文分析了风电场风速的实际状况,运用同调等值法,结合风速产生的尾流效应和时滞效应,对大型风电场中不同型号的双馈风力发电机(DFIG)进行了区域划分,将同一区域的风电机等值为一台风电机.最后,基于Matlab/Simulink仿真平台,验证了在不同风速情况、故障情况下的等值效果,证实了本文等值方法的正确性,为风电场并网研究提供了一种可靠的参考模型.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2014(033)007【总页数】7页(P11-17)【关键词】双馈风力发电机;风电场等值;尾流效应;时滞效应【作者】李芸;王德林【作者单位】西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;西南交通大学电气工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TM910.6由于风速随机性、间歇性和波动性的特点导致风力发电场的输出功率不稳定，风电并网电力系统稳定性分析和控制技术成为当今最主要的问题之一。

该问题由于受到实际生产安全的制约，仅限于在大型电力系统软件中进行仿真实验分析，故风电场仿真与实际情况必须有较强的吻合，需要综合考虑多方面因素的影响。

风电场通常由数十甚至上千的风力发电机构成，直接研究如此庞大的风电系统计算量会非常大。

因此需要根据研究问题不同将风电场等效为单台或若干台风力发电机，从而简化复杂程度，缩短计算时间。

近年来，风电场等值建模的研究有着很大进展。

文献［1-3］总结了近些年风电场等值问题的研究现状，并提出这方面的研究还需要创新与改进。

在参数优化问题上，目前利用最小二乘法和单纯形法［4，5］。

文献［6］验证了不同风向下风电场的模型简化，但没有考虑电力线路的等值方法。

风电场的尾流效应王杰（华北电力大学，保定，071003））摘要：详细分析了尾流效应模型和尾流效应对不同位置风机风速的影响,以某风电场为例取得了考虑以上因素时风电场的风速散布和实际输出功率，在此基础上，改良基于风电场端口输出特性的风电场等值方式。

0 引言随着煤、石油、天然气等化石类非再生能源的日趋枯竭和全世界生态环境的不断恶化，风电作为一种可再生的干净能源进展愈来愈快。

可是由于风能具有随机性和间歇性的特点，风电场的输出功率也存在着周期性的波动，功率的转变会对电网产生一系列的影响，只要包括电压的波动和闪变、对接入点短路电流的影响、并网进程对电网的冲击、对频率的影响等等。

因此成立适合的动态模型，准确地模拟风电场动态行为是仿真研究结果可信度的关键。

1尾流效应模型基于风电场端口输出特性的风电场等值方式，未考虑由尾流效应对不同位置风机的影响，而统一的将所有风机的风速视为相等的。

如此对于等值结果会造成必然的误差，本文意在将尾流所造成的风机输出功率不同的影响考虑在内而提高等值的精度。

在风电场中，各台风力发电机排列在不同的位置上。

由于尾流的影响，座落在下风向的风电机组的风速将低于座落在上风向的风电机组的风速，一般称之为尾流效应。

肯定尾流效应的物理因素主要有机组间的距离、风电机组的功率特和推力特性和风的湍流强度。

受尾流影响的风的湍流强度是：0/()/G σνσσν=+ (1) 其中G σ和0σ别离是风电机组产生的湍流和自然湍流的均方差，ν是平均风速，通常情形下，G σ=ν，0σ=ν。

图1是尾流效应的Jensen 模型，Jensen 模型较好地模拟了平坦地形的尾流情形。

图1尾流效应模型 (Jensen 模型)假设风电场是均匀场，X 是两个风电机组的距离，叶轮半径和尾流半径别离是R 和W R ；自然风速、通过转子的风速和受尾流影响的风速别离是0v ，T v ，X v 。

据动量理论有：2222000()()()/W x T W w W G w w W G R v R v R R v dR k dtdR dR dt k v dxdt dx ρπρπρπσσσσ⎧⎪=+-⎪⎪=+⎨⎪⎪==+⎪⎩ （2） 式中ρ为空气密度W k 是一常数。

下击暴流条件下风力机尾流及载荷特性研究下击暴流条件下风力机尾流及载荷特性研究一、引言风力发电作为一种清洁能源，已经在全球范围内得到广泛应用。

然而，风力机在复杂的气象条件下工作时，面临着诸多挑战，其中之一是下击暴流的影响。

下击暴流是一种具有瞬时性和非均匀性的风速变化，对风力机的性能和工作安全性带来了一定的影响。

二、风力机尾流特性研究风力机在罗夫(Löffler)函数的驱动下，产生尾流。

尾流是指风力机转子后方的气流运动，其速度和方向通常与气流与转子面的夹角有关。

在下击暴流条件下，尾流特性可能发生一系列变化。

1. 尾流速度分布下击暴流会导致尾流速度的突然变化。

当暴流向下通过风力机时，风力机背风面受到较大的风力冲击，因此产生的尾流速度较高。

而在暴流通过之前和通过之后，尾流速度则会较低。

2. 尾流方向变化下击暴流的非均匀性会导致尾流方向的变化。

当暴流通过风力机时，风向的变化会导致尾流方向偏离原有的水平方向。

尤其是在暴流通过过程中，风向变化最为明显。

3. 尾流扰动下击暴流还会引起尾流的扰动。

暴流通过风力机时，其速度变化率较大，会给尾流带来各种涡旋和扰动，进而影响风力机的性能和振动特性。

三、载荷特性研究下击暴流引起的尾流特性变化，进而对风力机的载荷特性产生影响。

1. 功率特性下击暴流条件下，风力机的切片功率曲线可能会发生变化。

当暴流通过风力机时，尾流扰动会导致风力机转子面积受到影响，从而使风力机的切片功率产生波动。

2. 转矩特性下击暴流时，尾流扰动会导致风力机的转矩特性发生变化。

由于尾流速度和方向的突然变化，风力机受到的扭矩也会有所变化。

3. 振动特性暴流引起的尾流扰动会对风力机的振动特性产生影响。

尤其是在暴流通过的瞬间，风力机可能受到较大的振动力，进而加剧风力机的振动。

四、结论下击暴流条件下，风力机尾流及载荷特性会发生一系列变化。

尾流的速度分布、方向变化和扰动，会对风力机的切片功率、转矩和振动特性产生影响。

水平轴风力发电机尾流效应的研究水平轴风力发电机尾流效应的研究近年来，由于能源危机的严峻形势以及对环境保护的日益关注，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式受到了广泛关注。

水平轴风力发电机作为目前应用最广泛的风力发电设备，尾流效应对其性能与风场布置起着重要的影响。

因此，研究水平轴风力发电机尾流效应对于提高发电效率、降低设备成本与维护成本具有重要意义。

1. 尾流效应的概念与特点尾流效应是指水平轴风力发电机的旋转叶片排列出的一股向后倾斜的气流，主要由旋转叶片、塔架和发电机塔基等构成。

这种尾流气流不仅会对风力发电机的发电效率造成影响，同时还会对周围环境产生一定的影响。

2. 尾流效应的影响因素尾流效应的影响因素主要包括旋转叶片形状、旋转叶片数量、旋转叶片转速以及环境风速等多个方面。

其中，旋转叶片形状对尾流效应的影响较为重要，一般而言，叶片弯曲程度越大，尾流效应越强。

此外，旋转叶片数量和转速的增加也会导致尾流效应的增强。

3. 尾流效应的影响机理尾流效应的影响机理主要有两个方面。

一方面是由于旋转叶片的存在，风力发电机的工作区域会受到限制，周围环境无法充分利用风能。

另一方面是由于旋转叶片排列出的尾流气流会造成附近风力发电机的阻力增加，从而影响发电效率。

4. 尾流效应的研究方法研究尾流效应可以通过数值模拟、风洞试验以及实地观测等方法进行。

数值模拟可以通过计算流体力学方法模拟和预测尾流效应的产生和传播规律。

风洞试验可以通过模拟真实工况，进行实验性的数据采集与分析。

实地观测可以通过安装传感器在现场进行数据采集，了解风力发电机的运行状况与尾流效应。

5. 减小尾流效应的方法为了减小尾流效应对水平轴风力发电机性能的影响，可以采取一些措施进行优化设计。

首先是加强叶片的设计与制造工艺，优化叶片形状和材料，降低尾流损失。

其次是增加风力发电机的容量以及提高风车的转速，从而减少尾流效应的影响。

此外，优化风力发电场的布局也是减小尾流效应的关键。

风机尾流分析摘要在风电场场址选定的情况下，风电机组之间的尾流影响风电场风机的优化布置。

目前，国内外关于符合风电场风机实际尾流以及迭加模型的研究主要侧重于一维线性模型及其迭加模型的实际应用。

为此，推导建立了更加完整合理的一维非线性扩张尾流模型，即尾流影响边界随距离非线性增大；此外，根据风机尾流迭加的实际情况，分别推导建立了完整的风机尾流迭加计算模型来适应现有风电场的不同情形。

通过相关工程算例结果与三维数值模拟计算结果的对比分析表明，所建立的风机尾流模型和尾流迭加模型更加合理，可有效提高风电场的发电效益。

结合制动盘理论与CFD方法，采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。

风电场内风力机机组呈梅花型排布，考虑入流角分别为0°、15°和30°代表风力机的偏航现象，利用FLUENT提供的FAN边界将风力机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘，采用N-S 方程求解整个风电场的流场分布。

该文给出流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布，反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。

通过对风电场和风力机的成功模拟表明，制动盘理论结合CFD 的方法适用于风电场和风力机的流场模拟，可为风电场微观选址和风力机排布提供参考，且计算量远小于完全数值模拟方法。

关键词：风电场；风机优化布置；尾流模型；尾流迭加模型AbstractIn the case of wind farm site selection, layout optimization for wind turbine wake effects between wind turbine. At present, domestic and foreign about the practical application of the actual fan wake and overlay model of wind farm mainly focus on the one-dimensional linear model and its superposition model. Therefore, a more complete and reasonable derivation of one-dimensional nonlinear wake model, namely the slipstream boundary nonlinear increase with distance; in addition, according to the actual situation of WTG wake, respectively, are established by the fuller WTG flow superposition to adapt to different situation of existing wind farm model. Through the project example analysis results show that compared with thethree-dimensional numerical simulation of wind machine, the flow model and wake superposition model is more reasonable, can effectively improve the generation benefit of wind farm.Combined with the brake disc and CFD theory, using FLUENT software for wind farm in the limited area of the 9 sets of wind turbine wake interaction simulation. A wind farm wind turbine unit in the club arrangement, taking into account the yaw angle was 0 ° flow phenomenon, 15 ° and 30 ° representative wind machine, FAN boundary FLUENT provided by the use of the wind turbine is simplified to produce brake disc pressure jump down without thickness, by solving the N-S equation of the wind power field the flow field distribution. Wind energy density and turbulence intensity distribution is presented in this paper, the velocity distribution of flow field around the vorticity distribution and wind turbine generator, reflect the will of the flow field downstream units generate interference phenomenon of wind turbine generators upstream wake. The wind farm and wind turbine simulation shows that success, to simulate the brake disc theory combined with CFD method is applied to the wind farm and wind machine, can provide the micro-siting wind turbine arrangement and reference for wind farm, and the calculation method is far less than the amount of numerical simulation.Keywords: wind power; wind turbine layout optimization model; wake; wake superposition model引言随着风电技术的快速发展，以及风力发电在电力系统中比重的持续增加，大型风电场通常由几百台甚至上千台风电机组组成。

基于改进致动盘模型的风力机尾流特性研究基于改进致动盘模型的风力机尾流特性研究摘要：本文基于改进的致动盘模型，对风力机尾流特性进行了研究。

通过建立数学模型，并结合计算方法进行模拟计算，得出了尾流速度分布、尾流剪切速度、尾流湍流强度等关键参数的变化规律。

研究结果表明，改进的致动盘模型能够较准确地描述风力机运行过程中的尾流特性。

通过对尾流特性的研究，可以为风力机的布局与设计提供重要参考。

1. 引言作为一种清洁、可再生的能源，风能的利用正受到越来越多的关注。

而风力机尾流特性的研究对于风力机的布局和设计至关重要。

在过去的研究中，传统的致动盘模型（aerodynamic disk model）广泛应用于风力机尾流特性的研究中。

然而，由于致动盘模型的假设过于简化，其结果与实际情况存在较大偏差。

因此，有必要对致动盘模型进行改进，以改善对风力机尾流特性的描述能力。

2. 方法本文提出了一种基于改进致动盘模型的风力机尾流特性研究方法。

改进的致动盘模型引入了更多的实际因素，并对传统模型中的假设进行了修正。

具体而言，模型考虑了风力机叶片的转速、叶片间隙、叶片形状等因素对尾流特性的影响。

为了验证模型的准确性，我们采用数值模拟方法进行了计算。

通过对比计算结果与实际观测数据，验证了改进致动盘模型的有效性。

3. 结果与讨论在模拟计算中，我们针对不同条件下的风力机进行了尾流特性分析。

首先，我们比较了传统致动盘模型和改进致动盘模型的计算结果。

结果显示，改进的致动盘模型能够更准确地预测风力机尾流速度分布。

其次，我们研究了风力机叶片转速、叶片间隙以及叶片形状对尾流剪切速度和湍流强度的影响。

结果表明，随着叶片转速的增加，尾流剪切速度逐渐增大，湍流强度呈波动变化。

而叶片间隙和形状对尾流特性的影响较小。

4. 应用前景改进的致动盘模型为风力机的布局与设计提供了重要参考。

通过准确描述风力机运行过程中的尾流特性，可以更好地优化风力机的排布方式，提高发电效率。

风电场布局优化的数学模型在当今能源领域，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正发挥着日益重要的作用。

为了提高风电场的发电效率和经济效益，风电场布局的优化成为了一个关键问题。

而数学模型在这个优化过程中，发挥着核心的指导作用。

风电场的布局优化涉及到众多因素，如风资源的分布、风机的性能参数、地形地貌、障碍物的影响等等。

要建立一个有效的数学模型，首先需要对这些因素进行量化和分析。

风资源是风电场布局的基础。

风速和风向的分布是风资源的关键特征。

通过气象数据的收集和分析，可以得到特定区域内不同位置、不同高度的风速和风向的概率分布。

这些数据可以用统计学的方法进行处理，例如均值、方差、概率密度函数等。

风机的性能参数也是模型中的重要变量。

风机的功率曲线描述了其输出功率与风速的关系。

不同型号的风机具有不同的功率曲线，在模型中需要准确地考虑这一点。

此外，风机的塔筒高度、叶轮直径、扫风面积等参数也会影响其捕获风能的能力。

地形地貌对风的流动有着显著的影响。

山地、丘陵、平原等不同地形会导致风速和风向的变化。

在数学模型中，可以通过数字高程模型（DEM）来描述地形，并利用流体力学的原理来计算风在地形上的流动情况。

障碍物如建筑物、树木等也会对风的流动产生阻碍和干扰。

它们的位置、形状和大小需要在模型中进行准确的描述，并考虑其对风场的影响。

基于以上因素，可以建立起风电场布局优化的目标函数。

常见的目标是最大化风电场的年发电量或者最小化风电场的建设成本。

年发电量可以通过对每台风机在不同风速和风向条件下的输出功率进行积分计算得到。

建设成本则包括风机的采购成本、安装成本、维护成本以及输电线路的建设成本等。

在建立目标函数的同时，还需要考虑一系列的约束条件。

例如，风机之间需要保持一定的安全距离，以避免相互干扰和尾流效应。

尾流效应是指上游风机对下游风机的风速产生削弱作用，从而影响下游风机的发电效率。

安全距离的设定需要综合考虑风机的性能和当地的风资源条件。