【摘要】：對于大型風(fēng)電場,場內(nèi)機(jī)組間的尾流效應(yīng)可能引起的風(fēng)電場發(fā)電功率損失高達(dá)10～40%,建立準(zhǔn)確高效的風(fēng)電場尾流場模擬方法,對于提高風(fēng)電場優(yōu)化設(shè)計與優(yōu)化控制的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。當(dāng)今主流的風(fēng)電場尾流模擬方法主要有工程尾流模型模擬和計算流體力學(xué)(CFD)方法模擬兩大類,前者計算速度較快但精度較低,后者計算精度較高但需耗費大量計算資源。綜合考慮兩類方法的模擬特點,探索了一種結(jié)合二者計算優(yōu)勢的風(fēng)電場尾流場與功率模擬方法,即多精度模擬方法,在保證尾流場模擬精度的前提下,兼顧了模型計算效率。圍繞風(fēng)電場尾流場及功率多精度模擬,主要完成了以下研究工作:(1)提出了一種計及風(fēng)向不確定性的風(fēng)電場尾流場快速計算方法針對目前常用的風(fēng)電場發(fā)電功率計算均基于工程尾流模型實現(xiàn),且未考慮風(fēng)向的不確定性帶來的誤差,提出了考慮風(fēng)電場1Omin來流風(fēng)向分布特征的高斯平均修正方法。利用風(fēng)向滑動窗口內(nèi)計算功率的加權(quán)平均值代替1Omin平均風(fēng)向的功率計算值,研究了考慮風(fēng)向不確定性影響的尾流作用下的風(fēng)電場輸出功率及發(fā)電量計算。以歐洲的Lillgrund海上風(fēng)電場為例,采用Jensen、Gaussian以及Larsen尾流模型分別建模,利用高斯平均方法修正尾流模型計算結(jié)果以考慮風(fēng)向不確定性的影響。與實測數(shù)據(jù)的對比表明:高斯平均方法極大地提高了工程尾流模型用于風(fēng)電場發(fā)電功率計算的準(zhǔn)確性,并進(jìn)一步提高了發(fā)電量計算的收斂速度。(2)建立了基于高斯過程的風(fēng)電場高精度尾流功率代理方法針對全風(fēng)況下基于CFD方法的風(fēng)電場輸出功率計算耗時巨大,難以工程化應(yīng)用的問題,提出了考慮風(fēng)電場發(fā)電功率隨輸入風(fēng)況變化特征的基于高斯過程的全風(fēng)況下風(fēng)電場尾流功率代理方法。采用基于考慮風(fēng)電場局地切變的k-ε-fp湍流模型的CFD模擬方案,計算離散來流風(fēng)況下的風(fēng)電場尾流場與輸出功率,結(jié)合不同變量特征確定采樣方法與核函數(shù)方案,建立以來流風(fēng)速、風(fēng)向為變量的計及尾流效應(yīng)的風(fēng)電場輸出功率代理模型。以歐洲的Lillgrund海上風(fēng)電場為例,基于代理模型的功率預(yù)測均值及不確定性分析,驗證了高斯過程方法在全風(fēng)況下的風(fēng)電場輸出功率模擬中的有效性。(3)提出了將工程尾流模型與CFD模型相融合的風(fēng)電場尾流場與功率的多精度模擬方法針對風(fēng)電場流場計算CFD方法的準(zhǔn)確性和耗時性,以及工程尾流模型計算的高效性和低準(zhǔn)確性。分別以半經(jīng)驗的Larsen模型和基于k-ε-fp湍流模型的RANS模型作為低精度和高精度模型組分,結(jié)合二者計算結(jié)果的相似性以及不同模型的計算優(yōu)勢,建立基于協(xié)同克里格(Co-Kriging)算法的風(fēng)電場尾流場與功率的多精度模擬方法。以歐洲的Lillgrund海上風(fēng)電場為例,分析不同代理模型的計算精度及所耗時間,結(jié)果表明,構(gòu)建相同精度的風(fēng)電場尾流功率代理模型,多精度模擬方法具有顯著優(yōu)于單精度代理模型的計算效率,驗證了多精度代理模型用于風(fēng)電場尾流場與功率模擬的優(yōu)越性。(4)建立了基于CFD流場預(yù)計算的復(fù)雜地形風(fēng)電場功率預(yù)測模型為實現(xiàn)風(fēng)電場流場特性數(shù)據(jù)庫的高效、準(zhǔn)確利用,提出了基于CFD流場預(yù)計算數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜地形風(fēng)電場功率預(yù)測方法。通過建立流場特性數(shù)據(jù)庫的方式,將耗時的全風(fēng)況下的風(fēng)電場流場計算放在功率預(yù)測過程之前進(jìn)行,從而將功率預(yù)測過程轉(zhuǎn)換為以NWP數(shù)據(jù)為輸入的查表插值過程,在保證預(yù)測精度的基礎(chǔ)上提高了預(yù)測的實效性。該方法建模過程清晰,便于模型優(yōu)化及預(yù)測精度改善。(5)提出了基于數(shù)值天氣預(yù)報(NWP)風(fēng)速修正和基于風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組分組的風(fēng)電場短期功率預(yù)測CFD方法首先,針對傳統(tǒng)NWP風(fēng)速預(yù)測準(zhǔn)確性低的特點,基于多元線性回歸、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種算法分別建立中尺度NWP風(fēng)速修正模型,提出基于輸入NWP風(fēng)速數(shù)據(jù)修正的風(fēng)電場功率預(yù)測CFD方法。算例研究表明:建立的三種模式輸出統(tǒng)計(MOS)修正模型,均能大幅改善中尺度NWP風(fēng)速數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,同時顯著提高了以之為輸入的風(fēng)電場短期功率預(yù)測的準(zhǔn)確性。其次,針對單個測風(fēng)塔點位用于整場建模代表性差的特點,基于K均值聚類、層次凝聚聚類、譜聚類三種算法分別建立風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組分組模型,并建立以輪廓系數(shù)、Calinski-Harabaz指數(shù)及Within-Between指數(shù)為指標(biāo)的風(fēng)電機(jī)組分組合理性判斷準(zhǔn)則;通過分組方案比選,建立分組流場特性數(shù)據(jù)庫,進(jìn)而提出基于分組流場數(shù)據(jù)庫的風(fēng)電場功率預(yù)測CFD方法。算例研究表明:基于最優(yōu)分組方案的分組功率預(yù)測方法,在時間和空間尺度上大幅提高了單個組分?jǐn)?shù)據(jù)庫的預(yù)測準(zhǔn)確性,為風(fēng)電場短期功率預(yù)測系統(tǒng)的改進(jìn)提供支持。
【圖文】：

２００８邐２００９邐２０１０邐２０１１邐２０１２邐２０１３邐２０１４邐２０１５邐２０１６邐２０１７逡逑年份逡逑圖１－１邋２００８－２０１７年的全球累計風(fēng)電裝機(jī)容ｔ逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｇｌｏｂａｌ邋ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ邋ｆｒｏｍ邋２００８邋ｔｏ邋２０１７逡逑（ａ）累計裝機(jī)容量邐（ｂ）新增裝機(jī)容Ｓ逡逑（ａ）邋Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ邐（ｂ）邋Ｎｅｗ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ逡逑圖１－２邋２０１７年全球累計及新增風(fēng)電裝機(jī)容量國家分布逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｔｏｐ邋ｔｅｎ邋ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｈｉｇｈｅｓｔ邋ｎｅｗ邋ａｎｄ邋ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ逡逑１逡逑

第２章計及風(fēng)向不確定性的風(fēng)電場尾流場快速模擬逡逑流模型。Ｊｅｎｓｅｎ模型假設(shè)尾流影響區(qū)域直徑是線性擴(kuò)展的，，基于質(zhì)量，通過定義尾流衰減系數(shù)Ａ來表示尾流影響區(qū)域的線性擴(kuò)張，進(jìn)而實效應(yīng)的解析求解。Ｊｅｎｓｅｎ尾流模型所選取的控制體內(nèi)尾流速度分布如圖。逡逑邐
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM614

【參考文獻(xiàn)】

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1 許昌;韓星星;王欣;劉德有;鄭源;SHEN Wenzhong;張明明;;基于改進(jìn)致動盤和拓展k-ε湍流模型的風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值研究[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2015年08期

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8 朱

本文編號：2666567