[发明专利]一种适用于多种地形的三维尾流风速分布计算方法

权利要求书

1.一种适用于多种地形的三维尾流风速分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、三维山体模型建立

采用余弦山体模型描述山体，如公式(1)所示：

式中，C为表示山体三维形状的常数，h为山体高度，L为山顶到h/2高度处的水平距离；

步骤2、复杂地形入流风廓线模型建立

结合三维山体地形模型，考虑入流风由平坦地形运动进入三维山体地形时，不同的风向下，对应的地形起伏变化会对风速有一定程度的加速放大效应，在风向θ对应地形下高度h₀处的风速v(x,θ)可用公式(2)表示，v₀为平坦地形下对应的风速，s为坡度，a为位置参数，用下式(3)确定：

v(z,x,y,θ)＝(1+4as)v₀·f(θ) (2)

式中，迎风侧x0时，L＝L₁；背风侧x0时，L＝L₂；

在平坦地形中，由于地面对入流风的摩擦力，风速随距地面高度增长呈现指数变化规律，考虑风切变效应影响对公式(2)中平坦地形风速v₀进行修正，如下式(4)所示，其中，α为风切变指数由布置于风机前方的地基式垂直风廓线型雷达进行确定，v_n对应高度z_n处的风速；

v₀＝v_n(z/z_n)^α (4)

最后联立公式(2)-(4)，可建立不同入流风向角度下的风切变与地形加速耦合作用下的复杂地形入流风廓线模型：

v(z,x,y,θ)＝v_n(1+4as)·(z/z_n)^α·f(θ) (5)

步骤3、尾流膨胀系数修正

利用布置在风机下风向的三维扫描式激光雷达所获取的精准湍流信息，在尾流区湍流强度模型的基础上对尾流膨胀系数进行了修正，如下式所示：

式中，k_n、n1、n2、n3由激光雷达所获取的数据源确定，C_T为风力机推力系数，I₀为入流湍流强度，x/D为无量纲下风向距离，D为风力机转子直径；

步骤4、三维尾流风速分布计算方法建立

在本步骤建立三维模型的过程中，假设背风坡为平坦地形，尾流风速分布为三维高斯分布，并结合步骤2和3所建立的来流风廓线模型以及尾流膨胀系数修正模型，基于流体动量守恒定律，建立不考虑尾流下沉的三维尾流模型：

a)三维高斯分布分布假设

根据步骤2所建立的入流风廓线模型和尾流分布呈现三维高斯分布的特点，建立三维高斯分布建设，并根据尾流半径扩张特性、高斯分布密度函数曲线性质以及尾流边界处风速与入流自然风相等的特性确定模型中的参数，如下式(7)所示，其中σ为高斯分布中的标准差，c为经验系数，r_w为下风向位置x处的尾流半径；

b)动量守恒定律推导

动量守恒定律认为尾流区任意两个位置x1和x2位置处相同尾流半径横截面范围内的质量通量是相同的，如下式(8)所示，其中a为轴向诱导因子，由风力机推力系数确定；

c)三维尾流风速计算方法建立

根据上述步骤所确定的参数，初步建立不考虑尾流下沉影响的三维尾流风速计算方法如下式(9)所示：

(5)考虑尾流下沉效应的三维尾流风速分布计算方法建立

建立尾流中心下沉高度模型对三维尾流风速分布方法进行了修正：

式中，z₀为尾流中心初始高度位置，γ(z)·f(θ)为不同风向θ对应下尾流中心下沉高度，故修正后的三维尾流风速分布计算方法如下式(11)所示：

上述三维尾流风速分布计算方法模型建立以后，即可快速、精准预测平坦地形或复杂地形下后排风机所面临的尾流场风速分布情况，进而有效预测后排风机的功率输出，也可通过提前精准预测复杂地形的尾流场三维风速分布情况，为后续风场布局优化、场级协同控制提供精准的数据源支撑，实现提升全场发电量的目的。