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
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。
风机尾流研就解析
u1n (u1 u1n ) u2n (u2 u2n ) un1,n (un1 un1,n ) un (u1 un )
un (u2
un )
un (un1
un )
un (u1,2,...,n1 un )(n 1)(n 2)2 2( A12 A13 A23 ... An2,n1 )
形成相对完整的一维风机尾流风速计算与尾流迭加模型 为风电场风机优化布置研究奠定的坚实的基础
坐标转换 旋转变换 Solid works 建模
Fluent求解器
计算结果
风电场流场模拟的条件设定
假定条件：（1）来流均匀不变；（2）稳态不可压缩空气流动问题；
（3）流动过程与外界无换热；
求解方法：k-epsil方程 + 壁函数法 + 压力-速度耦合采用simple算法 +
离散格式采用二阶迎风格式。
（一）系数b 的确定： 在x = 0 处，风机后尾流影响直径的突然扩大，保证其连续性。
（二）系数n 的确定： 系数n决定风机尾流包络线的曲率，基于经验以及相关试验成果得到。
（三）系数t 的确定： （1）联合线性模型确定； （2）基于经验以及相关试验成果得到。
一维非线性扩张尾流模型的算例分析
一维非线性模型计算结果更接近三维数值模拟计算结果
风机尾流迭加模型研究
➢ 尾流迭加情况1：
u0
A2
u1
u2
u0
An un
T1 u2 (u1 u2 ) A12 u12 (u1 u12 ) A12
T1
u13 (u1
u13 ) A13
u1n (u1
u1n ) A1n
1 2
A0u12CT1
T2
风电场的尾流效应
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。
风机尾流研就解析
风机尾流模型概述
风电场风机尾流模型
➢ 一维线性尾流模型：（主要用于风机优化布置）
Park模型与修正Park模型
➢ 二维轴对称涡漩粘性模型：（主要用于发电量计算）
GH模型、UO模型和FLaP模型
➢ 完整的三维CFD计算模型：
RGU模型、WT模型
不同尾流模型的核心部分是如何精确模拟风轮后尾流状况。
一维线性尾流模型
（一）系数b 的确定： 在x = 0 处，风机后尾流影响直径的突然扩大，保证其连续性。
（二）系数n 的确定： 系数n决定风机尾流包络线的曲率，基于经验以及相关试验成果得到。
（三）系数t 的确定： （1）联合线性模型确定； （2）基于经验以及相关试验成果得到。
一维非线性扩张尾流模型的算例分析
一维非线性模型计算结果更接近三维数值模拟计算结果
风机群
几个基本概念
• 风机尾流效应
风经过风机后，由于风轮吸收了部分风能，风机下游风速会出现 一定程度的突变减小，而后逐渐恢复。
• 给定面积的风电场
风机数量布置越多 -> 发电量越大 -> 成本越高
• 地形变化不大的风电场
除平原和海上风电场外，还包括：草原、丘陵、沿海、沿湖等地 区的风电场，以及山涧内的较平坦区域内的风电场。
边界条件：风洞入口为速度入口条件；风洞出口为压力条件或自由
出流；小控制体的各面设定边界条件为interface(适用于网格不一致的 情况)。风洞壁面选择边界条件为wall。对于粘性流动，物面速度采用 无滑移条件。
转动条件：采用MRF(Moving Reference Frame)来研究三维的旋转风场。
第三章 风电场风机尾流模型研究
• 风机尾流模型概述 • 风电场三维流场模拟
风力机的尾流分析资料
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。
考虑尾流效应的风电场建模以及随机潮流计算
Jensen 模型较好地模拟了 平坦地形的尾 流情 [ 6] 况 , 模型如图 2 所示. 设 X 是两个风电机组的距 离, 叶轮 半径和尾流半径 分别是 R 和 R W , 自然 风 速、 通过叶片 的风速 和受 尾流 影响的 风速 分别 是 v0、 vT、 vX .
图3 L issaman 模型
式中 : R G 和 R0 分别是风电机组产生的湍流和自然湍 流的均方差, 通常情况下 R 1 08 v a G = 0 R 0 = 0 1 12v a ( 18) ( 19)
假设有两个相邻的场地 , 一个地形平坦( 风机安 装的海拔高度相同 ) , 另一个地形复杂 ( 风机安装的 海拔高度不同) . 两台相同型号的风电机组分别坐落 在这两个场地的边缘 , 它 们的风速相同 v 0 , 沿着风 速方向的坐标位置都是 x = 0. 当在 x = 0 位置处没 有风电机组时 , 平坦地形 X 处风速仍为 v 0 , 而位于 海拔高度 H 处的风机的风速为
因此 , 通过调整 C , 一般取 C < min v, 由上式解 出 a 和 B, 作为 C 、 a 和 B 各自的估计值, 进而得到三 参数 Weibull 分布函数. 1 1 2 风力发电机模型 目前风力发电所采用的发电机多是异步电机, 除此以外还有双馈感应电机和同步感应电机. 但是, 就发电机出力和风速之间的关系而言, 都基本遵从 如图 1 所示的功率输出曲线. 由图 1 可以得到风机 输出有功功率 P 与风速 v 之间的关系为 P = f ( v) ( 15)
第 42 卷
第 12 期
2008 年 12 月
西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XIcAN JIAOT ONG U NIVERSIT Y
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万方数据
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风电场风机尾流及其迭加模型的研究
作者：曾利华， 王丰， 刘德有， ZENG Lihua， WANG Feng， LIU Deyou
作者单位：曾利华,ZENG Lihua(河北电力勘测设计研究院,河北省石家庄市,050031)， 王丰,刘德有,WANG Feng,LIU Deyou(河海大学水利水电学院,江苏省南京市,210098)
刊名：
中国电机工程学报
英文刊名：Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering
年，卷(期)：2011,31(19)
1.申洪;王伟胜一种评价风电场运行情况的新方法[期刊论文]-中国电机工程学报 2003(09)
2.曹娜;赵海翔;任普春风电场动态分析中风速模型的建立与应用[期刊论文]-中国电机工程学报 2007(36)
3.陈树勇;戴慧珠;白晓民风电场的发电可靠性模型及其应用[期刊论文]-中国电机工程学报 2000(03)
4.丁明;吴义纯;张立军风电场风速概率分布参数计算方法的研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2005(10)
5.刘德有;谭志忠;王丰风电-抽水蓄能联合运行系统的模拟研究[期刊论文]-水电能源科学 2006(06)
6.Lissaman P B S Energy effectiveness of arbitrary arrays of wind turbines 1979
7.Faxén T;Hògstròm A S S;Hògstròm U The meteorological field project at the wind energy test site kalkugnen 1978
8.Faxen T Wake interaction in an array of windmillstheory and preliminary resuits 1978
borrow D J The performance of arrays of wind turbines 1980(05)
10.Vermeulen P A wind tunnel study of the wake of a horizontal axis wind turbine[report 78-09674] 1978
11.Katic I;Hojstrup J;Jensen N O A simple model for cluster efficiency 1986
12.Frandsen S;Thogersen M L Integrated fatigue loading for wind turbines in wind farms by comining ambient turbulence and wakes 1999(07)
13.Mosetti G;Poloni C;Diviacco B Optimization of wind turbine positioning in large wind farms by means of a genetic algorithm 1994(01)
14.Grady S A;Hussaini M Y;Abdullah M M Placement of wind turbines using genetic algorithms[外文期刊] 2005(02)
15.Nielsen.P;Thφgersen M L The necessary distance between large wind farms offshore-study 2004
1.乔玉军.康顺.张晓东基于CFD的水平轴风力机均匀入流尾流分析[会议论文]-2011
2.叶坤.叶正寅.YE Kun.YE Zeng-yin一种新型风机翼型设计思路的探索研究[期刊论文]-空气动力学学报
2012,30(2)
3.邹斌.李冬基于有效容量分布的含风电场电力系统随机生产模拟[期刊论文]-中国电机工程学报2012,32(7)
4.孙晓颖.张立茹.汪建文.于海鹏.新吉乐图.赵虹宇水平轴风力机尾流结构数值模拟的研究进展[会议论文]-2011
5.周文平.唐胜利.吕红风剪切和动态来流对水平轴风力机尾迹和气动性能的影响[期刊论文]-中国电机工程学报2012,32(14)
6.李仁年.司小冬.LI Ren-nian.SI Xiao-dong一种水平轴风力机尾流模型及其计算方法[期刊论文]-兰州理工大学学报2012,38(1)
7.杨春.李秋实.袁巍.陆亚钧.YANG Chun.LI Qiu-shi.YAN Wei.LU Ya-jun风机结构形式对其性能影响的数值与实验研究[期刊论文]-航空动力学报2005,20(3)
本文链接：/Periodical_zgdjgcxb201119005.aspx。