[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

说明书

本发明涉及一种适用于多种地形的三维尾流风速分布计算方法，本发明考虑了地形加速效应与风切变效应耦合作用下对风机入流风速的影响以及背风坡地形变化对尾流中心沉降高度的影响，结合地基激光雷达所测量风速、湍流数据进行入流风廓线模型、湍流强度模型以及尾流下沉理论模型修正，保证模型的精度，最终建立适用于多种地形的尾流风速分布计算方法，为复杂地形风电场功率预测、布局优化以及微观选址提供精度保证。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是指一种适用于多种地形的三维尾流风速分布计算方法。

背景技术

风力机尾流效应作为影响风电场内部流场流动的重要影响因素，其形成原因为上游风力机从风中吸收能量，根据能量守恒原理，导致下游风力机获取能量降低。在尾流效应影响下，下风向风力机发电量减少，风力机的载荷也随着尾流内部湍流强度的增加而指数增长。随着陆上平坦地形风电场陆续开发完毕，风能资源丰富的复杂地形区域逐渐称为风电场选址的目标。复杂地形风电场由于受到风切变效应(风力机前入流风速随海拔高度发生变化的现象)以及地形起伏等因素影响，使得风电场内部尾流场错综复杂，严重影响了风电场功率预测以及微观选址精度。

现有先进的尾流风速计算方法主要为三维尾流模型，其假设入流风速为定值，尾流线性扩张，尾流区风速分布为高斯分布，并根据质量/能量守恒定律，推导建立尾流区风速分布模型，该类方法可较为精确预测平坦地形或海上风电场尾流分布特征，但对于复杂地形风电场，存在入流风廓线受地形影响分布不均匀、背风坡尾流下沉以及尾流扩张受到湍流强度分布影响大等现象，以上现象均对尾流风速分布曲线产生了较大影响。现有技术均未将风切变与地形加速效应耦合影响下的入流风速分布特性、地形对尾流的下沉影响应用于尾流分布方法计算，且尾流区湍流强度修正模型采用经验值，未结合先进的激光雷达进行数据源获取修正，导致现有尾流风速计算方法在预测复杂地形风电场尾流分布精准性方面值得商榷。因此，建立一种适用于多种地形的三维尾流分布计算方法是风力发电提质增效急需攻关的重点问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种适用于多种地形的三维尾流风速分布计算方法。

本发明解决的技术方案是：

一种适用于多种地形的三维尾流风速分布计算方法，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；