下载文档原格式
尾流效应对风电场输出功率的影响3I m p act of W ind T u rb ine W ake on W ind Pow er O u tp u t国家电力公司电力科学研究院 陈树勇 戴慧珠 白晓民 周孝信 (北京100085) 3国家“九五”科学技术攻关项目【摘要】 研究了风电机组尾流效应对风电场输出功率的影响,提出了风电机组效率矩阵、风电机组的功率特性矩阵,以及等效输出功率特性等新的概念和相应的算法,从而建立了比较全面的风电场输出功率和风速的关系模型,为研究并网风电场运行和规划方面的有关问题奠定了基础。
【关键词】 风电 尾流效应 功率特性Abstract A novel model fo r si m ulating the relati on 2sh i p betw een w ind speed and w ind pow er p lant output has been developed ,in w h ich the w ind turbine w ake effects is integrated .Som e useful concep ts ,such as w ind pow er efficiency m atrix ,w ind turbine generato r pow er m atrix and equivalent pow er characteristics ,are defined ,and m ethods fo r calculati on are given .T h is paper p rovides an i m po rtant foundati on fo r studying technical and econom ical p roblem s concerned w ith gridconnected w ind farm s in pow er system opera 2ti on and p lanning .Key words w ind pow er w ake effects pow er out 2put0 前言在研究并网风电场运行和规划方面的有关问题(如:潮流计算、稳定计算、短路计算和随机生产模拟等)时,需要确定风力发电机组(以下简称风电机组)和风力发电场(以下简称风电场)的输出功率。
电气传动2020年第50卷第12期ELECTRIC DRIVE 2020Vol.50No.12摘要：提出一种考虑尾流效应时风电场最大功率优化控制策略。
针对风向变化及尾流叠加问题，基于笛卡尔坐标变换的方法，建立了不同地形下尾流与风轮交汇面积的计算方法。
在风电场布局确定的情况下，利用粒子群算法优化每台机组的轴向诱导因子，为了减小机组的载荷，采用先调节转速，再调节桨距角的方案，从而确定使得风电场功率最大时每台机组的转速和桨距角，对16台风电机组进行仿真研究，仿真结果表明，与传统单机最大风能跟踪方式相比，所提出的优化控制策略使得风电场功率明显增加。
关键词：风力发电机组；尾流模型；粒子群算法；功率优化；风电场中图分类号：TM31文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd20072Optimal Control of Wind Farm Power Maximization Considering Wake EffectLIU Jun ，CAO Mengjiao（College of Automation and Information Engineering ，Xi ’an University of Technology ，Xi ’an 710048，Shaanxi ，China ）Abstract:A maximum power optimization control strategy for wind farms considering wake effect was proposed.Aiming at the wind direction change and wake superposition problem ，based on the Cartesian coordinate transformation method ，the calculation method of the intersection area of wake and wind turbine under different terrains was established.In the case where the layout of the wind farm was determined ，the particle swarm optimization algorithm was used to optimize the axial induced factor of each unit.In order to reduce the load of the unit ，the scheme of first adjusting the rotational speed and then adjusting the pitch angle was adopted so as to determine the speed and pitch angle of each unit when the power of the wind farm was maximized.The simulation of 16wind turbines were carried out ，the simulation results show that compared with the traditional single-machine maximum wind energy tracking method ，the optimized control strategy proposed makes the wind farm power increase significantly.Key words:wind turbine ；wake model ；particle swarm optimization ；power optimization ；wind farm考虑尾流影响时风电场功率最大化优化控制刘军，曹梦娇（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048）作者简介：刘军（1963—），男，博士，教授，Email ：近年来，随着风电机组容量和风电场规模的不断增大，尾流效应对风电场功率的影响也逐步显现。
风力发电机组的尾流效应研究与优化引言随着对可再生能源的需求不断增长，风力发电作为一种清洁且可持续的能源形式受到了广泛关注。
然而，风力发电机组在发电过程中会产生尾流效应，这一效应对于机组后方的发电机组和环境都会产生一定影响。
因此，研究和优化风力发电机组的尾流效应显得非常重要。
尾流效应及其影响尾流效应是指风力发电机组运转时，机组旋转的风叶会引起机组后方的气流下降速度增加、气压增大以及湍流强度增加等情况。
这种气流扰动会对机组后方的其他发电机组以及周围环境造成一定的影响。
对于机组后方的发电机组来说，尾流效应会导致其收到来自前方机组产生的湍流扰动，从而减少了被风力利用的效率。
尤其在多台机组并网的情况下，若未对尾流效应进行优化，会导致前排发电机组产生明显的功率损失。
因此，研究尾流效应对发电效率的影响，并针对性地进行优化，对于提高整个风电场的发电能力至关重要。
另一方面，尾流效应还会对周围环境产生影响。
高速下降的气流会导致周围地面气温升高、湿度降低以及土壤水分蒸发速度加快，可能对农作物生长和土地利用产生一定的负面影响。
此外，尾流效应还可能对气象和大气环境产生一定的干扰。
因此，优化风力发电机组的尾流效应对于减少对周围环境的负面影响具有重要意义。
尾流效应的研究方法研究风力发电机组的尾流效应通常采用实地观测、数值模拟以及风洞试验等方法。
实地观测是直接观察机组运转时尾流效应的发展和变化情况。
通过布设风速仪、湍流传感器以及气象观测设备等，可以获取到尾流效应产生的数据，并分析其对发电机组和环境的影响。
这种方法可以提供实际运转状态下的尾流效应数据，对于研究和优化具有重要参考价值。
数值模拟是通过计算流体力学方法对尾流效应进行模拟和分析。
研究人员利用风力发电机组的几何参数和运转条件建立数学模型，运用计算流体力学软件模拟机组运转时的风流场分布、湍流强度以及气压分布等信息。
通过数值模拟可以更为全面地了解尾流效应的分布和变化规律，并指导优化设计。
考虑地形影响及尾流效应的风电场可靠性分析杨子成【摘要】现今大型风电场通常安装于山区、丘陵等风能资源丰富的山区,自然界风在流过这些地区时,由于地形复杂、机组间存在遮挡等因素,使得流过每台风力机的风速不尽相同,直接影响风电场的输出功率.为提高风能利用率、增加风电场输出功率,对所建风电场基于序贯蒙特卡罗模拟法,在综合考虑风速变化模型、所建地形影响及机组间尾流效应的情况下,对机组排列进行最优分布,并分析并网后系统的可靠性.该研究结果对于风电场规划选址、设计机组排列布局以及提高并网风电场经济效益等方面具有重要的理论指导意义.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】6页(P71-76)【关键词】地形影响;尾流效应;最优分布;可靠性分析【作者】杨子成【作者单位】国网山西省电力公司,太原 030001【正文语种】中文近些年，随着日益严重的环境问题，风能作为一种清洁的可再生能源，受到人们越来越多的广泛关注，风力发电技术也得到了迅猛发展。
自然界流过的风速直接决定着一台风力机的输出功率。
由于风速随机变化的不确定及不可控，使得统计风电机组输出功率的范围波动很大，因此，建立有效的风速概率模型[1]，了解风速的统计特性，是计算风电场输出功率的首要重点工作。
现今大型风电场通常安装在山区、丘陵等风能资源丰富但地形结构却比较复杂的地方，地形影响使得流过每台风力机的风速不尽相同，直接影响每台风力机的输出功率[2]。
故深入分析山区、丘陵等地形特点对风速变化的影响规律，如文献[2]所述，对于统计风电场输出功率、分析并网系统可靠性以及风电场规划选址等有重要的现实意义。
处于同一风电场的风电机组，由于上风向机组会对下风向机组造成一定遮挡，即尾流效应[3-5]，会造成下风向机组风速及输出功率的大幅降低，因此，为更高效地利用风力资源，实现风电场经济效益最大化，迫切需要对风电机组的排列进行最优分布[3,5-7]，迫切需要对并网后系统进行详细、准确的可靠性分析[6-7]。
考虑尾流效应的风电场减载出力优化控制近年来，随着风电行业的不断发展，风电场逐渐成为一种重要的可再生能源，越来越受到人们的关注。
然而，在风力机组的运行过程中，要面临不同风速带的不同风速工作。
而在一些大型风电场中，风机的密度很高，尾流效应将使得下风风机受到影响，导致发电效率降低，甚至损坏发电设备。
因此，减载出力优化控制成为了风电场优化管理的重要手段之一。
本文将探讨如何考虑尾流效应进行减载出力优化控制，提高风电场的效益和稳定性。
一、尾流效应及其影响尾流是指高速运动的空气流到与其平行的静止物体后所形成的一种能量损失的空气流动现象。
在风电场中，由于风向与地面大体平行，风力机组受到风的影响后，会形成尾流。
尾流由高速流在下方涡核两侧的涡街和低速流两部分构成，随着距风机的远近，尾流逐渐扩散。
尾流的形成会对下风风机产生影响，降低下风风机的产电和叶片的寿命。
具体表现为：（1）降低下风风机的产电量：下风风机由于处于前一台风机的尾流区域内，收到了前一台风机吸走的部分风能。
由于空气的不可压缩性，这些被吸走的风量等于后一台风机的风量，即下风风机的生成能力减小，左右相当于实现了减载。
（2）影响叶片的寿命：尾流导致了下风风机背面的非常规进风方向，造成了垂直轴向的风接触。
这种风接触使得下风风机部分的叶片受到振动和产生疲劳，从而降低了风机的寿命。
综上所述，尾流效应对风电场运行造成了不小的影响，因此，必须要采取一定的措施进行控制和优化。
二、减载出力优化控制在风电场中，减载出力优化控制是一种重要的措施，可以有效地缓解尾流效应对下风风机的影响，提高风电场的效益。
具体来说，减载出力优化控制可以通过降低前一台风机的功率来减小其尾流区域内的风速，从而减少下风风机的受影响范围。
一般来说，减载出力优化控制的原则是尽可能地保证风电场的总发电量不受影响。
在实践中，减载出力优化控制主要包括两种方法：一种是基于功率的减载控制，另一种是基于叶尖速度的减载控制。
电力系统Electric System2020年第24期2020 No.24电力系统装备Electric Power System Equipment1 风电场群间尾流效应分析文中选取宁夏两个风电场群作为分析研究对象，其风电场群有如下特性：（1）两个风电场群地势均相对平坦，主风向稳定且相对集中；（2）风电场群（一）风机排布较规则；风电场群（二）风机排布无规则。
基于风电场群实时测风塔数据进行流场测量，揭示大型风电场群上下游风电场间尾流效应的影响。
1.1 风能资源参数选取和计算风电场群（一）位于宁夏回族自治区贺兰山南段，地势开阔且平坦，局部有起伏，海拔1300~1400 m ，由于风场处于咽喉狭窄地带，风电场主导风向西北风，年盛行风向及风能风向一致且稳定，月平均风速呈现明显的季节性变化，春季风速最大，秋季风速最小。
风电场群（一）分五期建设，总装机169台，装机容量18.3万kW 。
风电场群（一）周围先后设有11座测风塔，本次采用其中2座测风塔数据分析尾流效应。
风电场群（二）场址位于宁夏回族自治区吴忠市太阳山开发区境内，海拔1400~1430 m ，为半荒漠土地，地势平坦开阔，风电场主导风向东南偏南风，风场年盛行风向及风能风向一致且稳定，风电场群（二）分七期建设，总装机271台，装机容量34.3万kW 。
风电场群（二）周围先后设有7座测风塔，本次采用数据完整的1座测风数据分析尾流效应。
风电场群的计算均采用美国航天局SRTM 信息地图资料作为风电场地形图的来源，运用MeteodynWT 软件对该区域进行风资源评估，并得到该区域的尾流效应平均折减率和年平均发电量。
1.2 风电场群（一）尾流效应图1 风电场群（一）风机机位图图2 风电场群（一）风能分布模拟图由图1、图2可见，风电场群（一）的风向风况较单一，前三期风场风机机位排布规律，其在盛行风向上机组相隔为360 m 左右，约为6倍风轮直径，在垂直于盛行风向上机组间相隔240 m 左右，约为4倍风轮直径。
尾流对风力发电机组的影响作者：雷启龙、黄瑞芳、李高峰黄瑞芳工作单位：内蒙古电力工程技术研究院内蒙古邮编： 010010 雷启龙、李高峰工作单位：国华（河北）新能源有限公司邮编： 076750摘要：由于大型风电场风力发电机组数量众多，占地面积较大，风力发电机组间尾流效应将对风电场并网点输出特性有较大的影响。
以定速机组风电场为例，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC平台上，搭建了25台750kW风电机组组成的风电场模型。
分析结果表明，尾流效应会造成风电场的风能损失。
在风电场接入电网检测中，需要考虑尾流效应的影响。
（文章题目主要是想说尾流对单个风力发电机组的影响，比如对叶片、对变桨控制、对机组振动、对其他自动控制等影响正常运行的分析）关键词：风电场；风力发电机组；尾流效应；输出特性1 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。
为准确分析大型风电场的动态行为，机组间尾流效应值得关注。
当研究风电场等值模型或风电场对电力系统的影响时，通常假定风电场内所有风电机组的风速相同。
实际上，当风吹过风力机时会损失部分能量，表现为风速的降低。
在风电场中，前面的风电机组要遮挡后面的风电机组，因此，处于下风向风电机组的风速小于上风向风电机组的风速。
风电机组相距越近，前面风电机组对后面风电机组风速的影响越大，这种现象称为尾流效应。
以5排、每排间距为400m的风电场为例，假定风速为8m/s，风穿过整个风电场的时间至少需要3min。
因此，尾流效应将对风电场输出特性有重要的影响。
国家电网公司于2009年2月颁布了风电场接入电网技术规定。
技术规定中给出了风电场接人电网的技术要求，对风电场最大功率变化率和风电场并网点电压偏差以及风电场接人电网检测有了明确规定。
在风电场接入电网检测中，需要尾流效应对风电场并网点特性的影响。
鉴于此，本文以PSCAD/EMTDC为研究平台，搭建了25台定速风电机组组成的风电场。
考虑尾流效应的风电场有功功率控制策略研究尾流效应是指当一台风力发电机转动时，其旋转叶片所形成的气流将影响其后方的其他风力发电机的工作效率。
同时，研究表明，风力发电机之间的距离越近，尾流效应越显著。
因此，在风力发电场中，采取合理的有功功率控制策略可以有效减少尾流效应对发电量的影响，提高电站发电效率和经济效益。
有功功率控制策略是指通过改变风力发电机的输出功率来控制尾流效应。
在风力发电场中，制定合理的有功功率控制策略需要考虑以下因素：首先，风速是影响风力发电机输出功率的重要因素。
因此，在制定有功功率控制策略时，需要根据实际风速情况调整发电机的输出功率。
具体来说，当风速较低时，提高发电机的输出功率可以降低尾流效应的影响；当风速较高时，适当降低发电机的输出功率可以减少尾流效应对后方风力发电机的影响。
其次，风向也是影响风力发电机尾流效应的重要因素。
因此，在制定有功功率控制策略时，需要考虑风机之间的布局和方向，使得风机之间的相互作用最小化。
具体来说，在风向相同的情况下，应尽量避免将风机布局在同一直线上，而应将风机布置为互相错开的方式，以最大限度地减少尾流效应的影响。
最后，风力发电场中的风机数量和类型也会对有功功率控制策略的制定产生影响。
在小型风力发电场中，风机数量相对较少，且类型单一，因此可采取较为简单的有功功率控制策略。
而在大型风力发电场中，风机数量较多，类型较复杂，因此需要采用更加复杂的有功功率控制策略，以保证风力发电机之间的相互作用最小化。
在实际应用中，考虑尾流效应的风力发电场有功功率控制策略可分为两种：集中控制和分散控制。
集中控制策略通常通过预测风速和风向等气象因素，控制整个风电场内的所有风机，以最大化整个风电场的发电效率。
分散控制策略则将每个风机都设置为独立控制单元，通过风机之间的通讯和协调来最小化尾流效应的影响。
总之，考虑尾流效应的风力发电场有功功率控制策略是提高风力发电场经济效益和可靠性的重要措施。
考虑尾流效应的风电场减载出力优化控制高丙团;胡正阳;张磊;杨志超【摘要】在高风电渗透电力系统中,风电场参与系统调频普遍忽略了尾流效应对风电机组出力的影响.文章提出了一种考虑尾流效应的风电场减载出力优化控制方案.首先,采用改进Jensen尾流模型,给出了任意风向的尾流区域划分方法;其次,在满足系统调频需求的前提下,以风电场有功出力最大为目标,对风电场功率分配进行优化;然后,针对不同风速区间设置了相应的优化控制方案,并给出方案的具体实现方法;最后,以江苏某海上风电场为例进行算例仿真,算例结果表明,所提方案可有效地提高风电场整体出力.%Wind farm participating in system frequency modulation always ignores the influence of wake effect in power system with high wind power penetration.Therefore,this paper proposes a new optimal control scheme for load reduction considering wake effect.Firstly,improved Jensen wake model is used to divide wake region under arbitrary wind conditions.Secondly,considering the requirement of system frequency modulation,the power allocation of wind farm is optimized to maximize the active power output of wind farm.Moreover,the corresponding control strategy is designed for the different wind speed region.Finally,Jiangsu offshore wind farm is simulated as an example to show that the proposed scheme can improve the wind farm output effectively.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】9页(P117-125)【关键词】风力发电;尾流效应;减载运行;有功出力;优化【作者】高丙团;胡正阳;张磊;杨志超【作者单位】东南大学电气工程学院, 江苏南京 210096;东南大学电气工程学院, 江苏南京 210096;中国电力科学研究院新能源与储能运行控制国家重点实验室,江苏南京 210003;东南大学电气工程学院, 江苏南京 210096【正文语种】中文【中图分类】TK890 引言随着能源和环境问题的日益加剧，风能等可再生能源受到世界各国的高度重视。
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。
考虑尾流效应对风电场机组布局的影响分析【摘要】随着经济的快速增长，在风电场机组布局这个方面也有所突破,但是对于尾流效应的研究还是存在一定的问题，为了使尾流效应对风电场机组布局这个方面的影响减小到最小，所以,本文就从采取怎么样的措施去减小尾流效应这方面来研究。
【关键词】尾流效应；风电场；机组布局一、前言当今社会中，人们对于自身所处的环境是要求十分严格的，风电场机组的布局对操作者来说是很重要的，但是还是存在尾流效应，可能尾流效应会对人们的自身安全做出威胁，所以，一定要科学技术人员在这个方面做出努力，保证社会稳定发展。
二、尾流效应模型大型风电场内有大量分散布置的风电机组，在某一风向作用下，坐落于下风向的风电机组的风速往往低于坐落于上风向风电机组的风速，这种现象称之为尾流效应。
自然风经过每台风电机组后形成的尾流效应影响区域是一个圆锥形空间，具有三维的特点，在风电场等值分析中通常采用如图 1 所示的二维模型。
图 1 尾流效应二维模型图中，风电机组安装在0 处；x 为风经过风轮后沿风向传播的距离；0v 和tv 分别为自然风速和通过叶片的风速；xv 为受尾流影响的风速；r 为风轮半径；为圆锥顶点因数；xr 为风轮在x 处投影截面半径。
式中，为尾流下降常数，它与风的湍流强度（一定时间内风速的均方差与均值之比）成正比，表示风经过风轮后沿风向每传播 1 m 时xr 所增加的长度，一般可表示为k 。
式中：G和0分别为风电机组产生的湍流和自然湍流的均方差；U 为平均风速；Wk 是一经验常数。
三、考虑尾流效应的风电机组功率特性假设风电场内有J种型号的风电机组,风速共离散成I段,风向分成D个方位。
在以下的公式中,为了叙述方便,在矩阵中一般用i代表风速Vi,用d和j分别代表风向和风电机组型号,其取值范围是i= 1, 2…,I,、d= 1, 2,…,D和j= 1, 2,…,J无特殊情况时公式中不再注明它们的取值范围。
风力发电机组正在变得越来越大，叶片也变得越来越长，对风力发电机组尾流效应特性的理解，就因此变得越来越重要了。
唯有如此，才能正确地找到风力发电机组的最佳排布，获得最优化的发电量，同时使风险得到有效控制。
下面小编就带领大家了解一下尾流的特征以及影响。
1.尾流的定义因为风力发电机组从风中吸收能量发电，根据能量守恒原理，风吹过风力发电机组后，能量一定比之前降低了。
因此，风力发电机组总是在后面形成风影，即尾流，就像船舶驶过后，在水面上形成的尾流。
图1 风电场的尾流图2.尾流的基本结构特征风力发电机组尾流的结构包括多个区域，如下图所示，它们分别是近区、中间区和远区。
每个区的长度取决于风轮直径的大小，同时还与气压、风速和大气稳定度有关。
图2 风力发电机组尾流结构1）尾流近区的特征①长度约为风轮直径的2~4倍；②随着气流管道扩展到叶片边缘，风力发电机组前面（迎风面）气压增加，然后在风轮面另一侧突然降低，之后在近区内不断增加，直到恢复到自由风流的压力Pa；③气流管道内部的风速在接近风力发电机组时降低，并在风力发电机组风轮面的另一侧保持不变，然后在近区内，随着气压值逐渐恢复到Pa而继续降低；④近区内尾流的半径增加，并当气压恢复到Pa时达到最大。
由于质量守恒和动量守恒定律，风速下降。
2）尾流中间区的特征①长度约为风轮直径的2~3倍，当混合层的内边界与中央轴线相交时结束。
交点处风速发生变化；②中间区的气压保持不变，始终等于Pa；③尾流区的外边界的湍流增加，而中央线处的风速保持不变。
3）尾流远区的特征①长度超过5倍风轮直径；②气压不变，等于Pa；③由于湍流混合，中央线的风速开始稳步增加，恢复到自由气流的风速值Va。
根据每个区的特征，可以选择风力发电机组之间的最佳距离，从而使风力发电机组之间的相互影响最小。
由于尾流效应对风向的敏感性，主导风向对风力发电机组的排布方案起到决定性作用。
在主导风向上，风力发电机组的距离应该至少达到中间区的末端。
尾流效应对风电场功率输出的影响分析
孙辉;吴姝雯;王超
【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2015(042)002
【摘要】大规模风电并网背景下,需要研究风电场功率输出特性.在风电场功率建模中引入了尾流模型,分别考虑了地形、风速风向以及风电机组布置等因素对风电场区域内风速分布的影响,定义了风电场功率影响因子,定量分析了尾流效应对风电场功率输出的影响情况.典型风电场下的仿真分析可为风电场建设选址以及区域风能评估提供参考.
【总页数】6页(P55-60)
【作者】孙辉;吴姝雯;王超
【作者单位】武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072;武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072;安徽省电力公司合肥供电公司,安徽合肥230000
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
【相关文献】
1.考虑尾流效应对风电场机组布局的影响分析 [J], 贾彦;刘璇;李华;任哲;赵文武
2.基于改进鲸鱼算法考虑尾流效应的风电场优化控制 [J], 陈景;樊小朝;史瑞静;王维庆;李鉴博
3.探析风电场群间尾流效应对于发电量的影响 [J], 罗芳
4.基于高斯模型的海上风电场尾流效应评估及偏航优化 [J], 刘奕元;辛妍丽;唐文
虎;Salvy Bourguet
5.考虑尾流效应与载荷损耗的风电场优化控制 [J], 樊小朝;陈景;史瑞静;王维庆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
风力机尾流对风电机组排布的影响研究金盛1，2（1.新疆农业大学机电工程学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆新能源新风投资开发有限公司，新疆乌鲁木齐830000）1风力发电现状能源是国民经济的重要物质基础，也是人类生活必须的物质保证，经济的快速发展和生活水平的提高离不开能源的消耗。
近年来，在不断开发、研究各种可再生能源中，风能因其独有的优点越来越受到世界各国的青睐，已成为世界上发展最为迅速的能源之一，预计今后5年内风能的增长率将达到20%[1]。
风能与传统化石能源如石油、煤等不同，既不会枯竭，也不会对环境造成污染。
风能的经济性随着科技的发展也在快速提高，大多数能源的使用成本在不断上涨，而风能的成本却在下降。
进入21世纪后，风能成为世界范围内技术上最成熟、商业上最成功的新兴清洁、可再生能源之一。
全球风电装机大幅度增长，截至2017年全球风电累计装机容量达到514GW。
我国的风力发电起步较晚，于20世纪70年代才慢慢开始逐渐被人们所熟知，近10年来随着我国为了扶持新能源发展而出台的一系列政策，我国新能源出现了爆发式的增长，尤其是风力发电在这方面体现的尤为突出。
根据中国电力企业联合会统计，2017年全国累计风电装机容量达到了163670MW。
2风力发电机组集中布置存在的问题随着风电技术的快速发展，单台风电机组的容量越来越大，随之相应的风电机组的叶片也越来越长，扫风面积逐渐增大；由于风资源较好地地区位置有限，为了达到最佳的土地利用率，风电场也逐渐向集群式发展，一个大型风电场的机组数量往往可以达到几十台甚至上百台。
大容量风电机组、大规模集群式风电场逐渐成为当今风电开发的主流，而这必将带来一些新的空气动力学问题[7]。
布置在下风向的风力发电机组的风速要在一定程度上小于布置在上风向的风力发电机组的风速，同时在布局中，如果风力发电机组布局越相近，则上风向的风力发电机组对邻近的风力发电机组的流经风速影响越大，这种现象被称之为尾流效应力，不仅降低风电机组发电量，也会影响叶轮的使用寿命。
尾流效应对风电场机组功率特性影响的研究罗海荣;朱丹;李峰;杨雪红【摘要】针对影响风电场机组功率输出的问题,通过实地考察,选择合适位置安放测量装置,并结合GB/T 18451.2-2003功率特性测试标准进行测试研究,分析不同区域内的风速和风功率输出特性.结果表明:风电机组之间的尾流效应,降低了风电机组的风能利用系数,影响了风电机组的功率输出;因此,在建设风电场时,应充分考虑风电机组之间的距离,尽量减少尾流效应对风电机组的影响.【期刊名称】《宁夏电力》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】5页(P58-62)【关键词】尾流效应;风电场;功率特性【作者】罗海荣;朱丹;李峰;杨雪红【作者单位】国网宁夏电力公司电力科学研究院,宁夏银川750011;宁夏农林科学院,宁夏银川750011;国网宁夏电力公司电力科学研究院,宁夏银川750011;国网宁夏电力公司电力科学研究院,宁夏银川750011【正文语种】中文【中图分类】TK8随着新能源的快速发展，风力发电占电网电源结构比值持续增加，有些大型风电场由几百台甚至上千台机组组成。
由于风力本身具有随机性、波动性和间歇性，给电网的安全运行带来了一系列问题，为更加准确分析大型风电场的动态行为，风电机组间的尾流效应值得关注。
我国地形比较复杂，风电机组的出力又与气象环境关系密切，为了给电网调度提供准确的实测机组功率特性曲线数据，风功率测试系统的准确性变的尤为重要。
实测所获得的数据越准确，风力发电并网给电网的安全运行带来的影响就越小，这样可以增加对风电资源的利用率，提高风力发电的经济性。
鉴于此，本文在文献［1］的基础上，以某风电场为例，选择了2台风电机组，并参考风电机组的地理位置，选择了测量装置的测量位置，通过计算分析和比较，得出不同情况下风速和风功率的输出特性。
风电机组吸收了风中的部分能量，所以当风经过风电机组后，其速度要有所下降。
在大型风电场中，由于风电机组数量较多，迎风面部置的机组会遮挡其后面部置的机组的部分风量［2-3］。
尾流效应对风电场输出功率的影响3I m p act of W ind T u rb ine W ake on W ind Pow er O u tp u t国家电力公司电力科学研究院 陈树勇 戴慧珠 白晓民 周孝信 (北京100085) 3国家“九五”科学技术攻关项目【摘要】 研究了风电机组尾流效应对风电场输出功率的影响,提出了风电机组效率矩阵、风电机组的功率特性矩阵,以及等效输出功率特性等新的概念和相应的算法,从而建立了比较全面的风电场输出功率和风速的关系模型,为研究并网风电场运行和规划方面的有关问题奠定了基础。
【关键词】 风电 尾流效应 功率特性Abstract A novel model fo r si m ulating the relati on 2sh i p betw een w ind speed and w ind pow er p lant output has been developed ,in w h ich the w ind turbine w ake effects is integrated .Som e useful concep ts ,such as w ind pow er efficiency m atrix ,w ind turbine generato r pow er m atrix and equivalent pow er characteristics ,are defined ,and m ethods fo r calculati on are given .T h is paper p rovides an i m po rtant foundati on fo r studying technical and econom ical p roblem s concerned w ith gridconnected w ind farm s in pow er system opera 2ti on and p lanning .Key words w ind pow er w ake effects pow er out 2put0 前言在研究并网风电场运行和规划方面的有关问题(如:潮流计算、稳定计算、短路计算和随机生产模拟等)时,需要确定风力发电机组(以下简称风电机组)和风力发电场(以下简称风电场)的输出功率。
目前采用的数学模型基本上是,假设风电场内所有风电机组的风速相同,根据风电机组的功率特性曲线确定某一风速下风电机组和风电场的输出功率[1～4],而没有考虑风电场内风速的变化。
风电机组吸收了风中的部分能量,所以风经过风电机组后,其速度要有所下降。
在风电场中,前面的风电机组要遮挡后面的风电机组,因此,座落在下风向的风电机组的风速就低于座落在上风向的风电机组的风速,风电机组相距越近,前面风电机组对后面风电机组风速的影响越大,这种现象称为尾流效应。
尾流效应造成的能量损失可能对风电场的经济性有着重要的影响。
美国加州风电场的运行经验表明,尾流造成损失的典型值是10%;根据地形地貌、机组间的距离和风的湍流强度不同,尾流损失最小是2%,最大可达30%[5]。
为了充分利用当地的风能资源和发挥规模效益,大型风电场通常有几十台到数百台风电机组,受场地和其它条件的限制,这些机组不可能相距太远。
因此,在确定风电机组和风电场的输出功率时,必须考虑尾流效应对每台风电机组风速的影响,只有这样才能保证计算的准确性,从而使得研究结果具有实际意义和实用价值。
本文考虑了风电机组的尾流效应,提出了风电场效率矩阵、风电机组的功率特性矩阵,以及等效输出功率特性等新的概念和相应的算法,从而建立了比较全面的风电场输出功率特性的模型,在很大程度上提高了风电场输出功率的计算精度,为研究并网风电场运行和规划方面的有关问题奠定了基础。
1 尾流效应的模型 尾流效应如图1所示,图中:X 是沿着风速方向离开风电机组的距离,风电机组安装在X =0处,R 是风电机组转子的半径,R W 是X 点的尾流半径,V 0和V X 分别是吹向和离开风电机组的风速。
图1 尾流效应示意平坦地形的尾流模型[6]是:V X =V 0[1-(1-1-C T )(RR +K X)2](1)式中,C T 是风电机组的推力系数;K 是尾流下降系数,它与风的湍流强度(湍流强度是一定时间内风速的均方差与均值之比)成正比K =k W (ΡG +Ρ0) U (2)式中,ΡG 和Ρ0分别是风电机组产生的湍流和自然湍—82—流的均方差;U是平均风速;k W是一经验常数。
因为V X是C T的函数,所以尾流效应与风电机组的空气动力特性有关。
复杂地形的尾流模型[5]:假设风电机组的下风向是复杂地形(高度和地表不同等),安装风电机组之前和之后(受尾流影响)X点的风速分别是V0X和V′X,令V X=V0(1-d F)(3)V′X=V0X(1-d C)(4)式中,d F和d C分别是平坦地形和复杂地形对应的风速下降系数。
假设没有风电机组时坐标0点和X 点的压力相同,则根据无损耗贝努里方程有p0+015ΘV20=p X+015ΘV0X2(5)式中,p0和pX分别是风电机组所在地点和X点的空气静压力;Θ是空气密度。
假设安装风电机组后复杂地形的尾流损耗和平坦地形相同,即p0+015ΘV02(1-d F)2=p X+015ΘV0X2(1-d C)2(6)则有V02(-2d C+d C2)=V0X2(-2d F+2d F2)(7)因为d C和d F较小,把上式线性化,可以得到d C=d F(V0V0X)2(8)该式能够较好地近似有损耗的非均匀风速场。
2 考虑尾流效应的风电机组功率特性 假设风电场内有J种型号的风电机组,风速共离散成I段,风向分成D个方位。
在以下的公式中,为了叙述方便,在矩阵中一般用i代表风速V i,用d 和j分别代表风向和风电机组型号,其取值范围是i =1,2…,I,、d=1,2,…,D和j=1,2,…,J无特殊情况时公式中不再注明它们的取值范围。
定义1:风电机组的效率系数是,不同风速和风向时所有该型号机组的实际输出功率与不考虑尾流效应时计算的功率之比。
效率系数组成的矩阵称为效率矩阵(E F j),它的元素是:E F j(i,d)=w j(v i,d)N j x0j(v i)(9)式中,E F j(i,d)和W j(v i,d)是风速为v i、风向在第d 个方向上时第j种型号风电机组的效率系数和实际输出功率,一般D取12或16个方位;x0j(v i)和N j 分别是第j种型号风电机组的功率特性和台数。
定义2:多台同一型号风电机组的等效功率特性矩阵(X j)是风电机组输出功率的均值与风速和风向的关系,它的元素是:x j(i,d)=E F j(i,d)x0j(v i)(10)式中,x j(i,d)是v i风速时第j种型号风电机组输出功率的均值。
定义3:多台同一型号风电机组的等效功率特性是某一风速下,风电机组输出功率的均值与该风速的关系x j′(v i)=1P′(v i)∑Dd=1P(v i,d)x j(i,d)(11)式中,x j(v i,j)是v i风速时第j种型号风电机组的平均输出功率;P(v i,d)是风速为v i风向在第d个方位上时的概率;P′(v i)是风速为v i的概率:P′(v i)=∑Dd=1P(v i,d)(12)每个方向上风速的概率密度函数可以用W eibu ll分布来描述f d(v d)=k dc d(v dc d)k d-1exp[-(v dc d)k d](13)式中,f d是第d个方位风速的概率密度函数,vd、k d和cd分别是风速变量、形状系数和尺度系数。
定义4:有风向和无风向的风电场输出功率特性分别是:y(v i,d)=∑JJ=1N j x j(v i,d)(14)y′(v i)=∑JJ=1N j x′j(v i)(15)式中,y(v i,d)和y′(v i)分别是有风向和无风向的风电场输出功率。
风电场的平均输出功率(P P)是:P P=∑Ii=1∑Dd=1P(v i,d)y(v i,d)=∑Ii=1P′(v i)y′(v i)(16)而不考虑尾流效应时,计算的风电场平均输出功率(F P)是:F P=∑Ii=1P′(v i)∑Jj=1N j x0j(v i)(17)定义5:风电场的能量损失率(∃L)是:∃L=(F P-P P) F P(18)风电机组的优化布置就是在场址边界和机组型号以及台数已经确定的情况下,求解使∃L最小的每台风电机组的位置坐标。
3 风速和风电功率的计算方法假设已知风电场的风速,则根据尾流模型可以确定每台风电机组的风速。
方法如下:—92—(1)输入气象数据、风电机组参数和位置以及地形地貌参数;(2)根据风向进行坐标变换,使变换后的纵坐标与风向相反;(3)确定风向上第1台风电机组,计算它对其它机组的影响;(4)沿着风速的方向,即纵坐标减少的方向,依次计算下一台机组的风速和它对其它机组的影响;(5)计算各个方向和各种风速条件下风电机组的效率矩阵;(6)计算风电机组的功率特性矩阵;(7)可以根据风速风向的时间序列计算风电场的瞬时输出功率;(8)可以根据风速和风向的联合概率分布确定风电机组和风电场的等效功率特性曲线和平均输出功率以及能量损失率。
4 算例假设风电场具有36台容量是600k W 的风电机组,其具体位置如图2所示,图中坐标的单位是风电机组风轮的直径(D );纵坐标是40和50的风电机组座落在山坡上,其它机组座落在较平的地面。
图2 风电机组的位置风电场各个方向的风速分布参数如表1所列。
分别考虑采用失速型和变浆距型风电机组2种情况,其典型推力系数曲线如图3所示。
表1 风速的概率分布参数方位概率c k101140918213020110691521063010769132111401060911214650105671221556010676112123701080713210580108961821269010676102124100105661221101101086716210612011189182124假设风轮直径相同,计算结果如下:(1)风电场的效率矩阵如图4和图5所示。
其中:风速标在图标的下侧;雷达图周围的数字是方位,方位1是正北:坐标是效率系数。
可见:a 1 风电场的效率系数与机组布置的关系很大。
由于机组的横向间距仅为3D ,而纵向间距是10D ,所以横向(方位4和10)的效率系数比纵向(方位1和7)的效率系数低很多;而在方位3、5、9和11,由于机组基本上不受尾流影响,所以其效率系数是1。
b 1 效率系数与风速的关系是,在风速低于风电机组的额定风速时,风速越大效率系数越高。
