本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法。
背景技术：
目前，随着风场容量增大，风场中的机组尾流相互作用效果已成为一个研究风电机组控制算法的重要领域。尾流相互作用的拓扑和量级基于时变的大气条件(例如：风向、风速、尾流、大气稳定性)，也基于每台机组可调节的运行点(通过改变控制设置，例如：发电机转矩、变桨角度、偏航角度等)。
尾流是一种气流结构，它具有减少风速的特征，因为机组风轮从流入的气流中吸收动态能量，并且由于机组阻挡了气流而增加尾流。在风电场中的机组，通过风轮下风向的尾流，可以影响其它机组的性能。假如一台机组它机位没有被自由气流完全覆盖，而是位于尾流路径中，风速减少将导致机组的发电量降低；另一方面，尾流中增加的尾流和剪切将导致位于下风向机组动态载荷的增加。
目前工业实践中，现有技术通过调节变桨和转矩的风电场控制的这种方法，风场中的机组仍然采用各自机组最大化发电性能的控制方式，忽略了尾流对其他机组的影响。整个风场系统的响应相对应控制给定变化相当缓慢，由于气流从一台机组传递到另一台机组的延时很长，使得风电场的偏航控制变得更加困难。
技术实现要素：
为了克服风电场中由于上风向机组尾流影响导致位于下风向机组，风速减少将导致发电量降低和尾流和剪切增大使动态载荷增加，而通过调节变桨和转矩，各自机组最大化发电性能的控制方式的不足，其忽略了尾流对其他机组的影响。本发明提供了一种可以预测风电场尾流效果的风电场的“内部模型”，通过控制偏航尾流偏差，下风向机组的尾流和风轮的轴向诱导均被引导开，采用优化风电机组偏航角度方法，减少尾流相互作用来增加风电场的发电量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法，该方法获取风力发电机组所处地点风轮直径di、机组坐标[x,y]，根据jensen模型，确定所述风电机组后的尾流直径dw,i,q，dw,i为机组i的风轮尾流直径，q为风轮中心距离分为三个不同的区域；
获取所述风电机组的偏航角度γi和尾流中心线角度ξi(x)，确定所述风电机组的下风向尾流中心位置yw,i(x)，由机组坐标y、偏航导向侧向偏移yw,偏航,i、旋转导向侧向偏移yw,旋转,i三部份组成；
由所述风电机组尾流直径dw,i,q和所述下风向尾流中心位置yw,i(x)，确定尾流区机组i和下风向机组j的尾流重叠面积
由所述风电机组后的尾流直径dw,i,q，确定所述风电机组的尾流衰减系数cw,i,q(x)，尾流衰减率用于调节偏航角度；
由轴向诱导系数ai、尾流衰减系数cw,i,q(x)、尾流重叠面积
获取风力发电机组所处地点空气密度ρ，机组实时偏航角度
由于机组功率
进一步，所述风电场偏航控制方法包括以下步骤：
步骤1：获取风力发电机组所处地点风轮直径di、机组坐标[x,y]，根据jensen模型，确定风电机组后的尾流直径dw,i,q，dw,i为机组i的风轮尾流直径，q为风轮中心距离分为三个不同的区域；
根据jensen模型，di为风力发电机组i风轮直径、dw,i(x)为风电机组后的尾流直径，dw,i(xj)为机组i在机组j处的尾流影响直径，vwi(x,r,ai)为点(x,r)的估计风速。dj为机组j风轮直径，aj为机组j的风轮扫掠面积，
步骤2：考虑单个机组i，机组尾流点(x,r)的估计风速为：
vw,i(x,r,ai)＝v∞[1-δvw,i(x,r,ai)](1)
风轮直径为di，风轮轴向和风向一致，自由风向为v∞，x为到风机风轮面的距离，r为风机风轮轴中心线的距离；
步骤3：单个机组风速衰减系数如下：
di为尾流直径，假设为圆形截面，与距离x成正比，k为可调尾流扩展系数；
dw,i(x)＝di+2kx(3)
步骤4：该模型推广至包含多台混合尾流的机组，机组j的有效风速vj通过估计上风向机组的风速衰减获得；
aj是机组j的风轮扫掠面积，
步骤5：建立笛卡尔坐标系，[x,y]为笛卡尔坐标系的坐标，x的方向和风向φ相同，它由全场风向v∞平均获得，y的方向和x方向正交，z为轮毂高度方向，机组i位置为[xi,yi]，
步骤6：为了更好的描述尾流的特性，根据离风轮的距离，将尾流区域划分为3个尾流区q，q＝1,2,3表示三个不同的尾流区，q＝1为近尾流区，q＝2为远尾流区，q＝3为混合尾流区，得机组i后的尾流直径：
dw,i,q(x)＝max(di+2keme,q[x-xi],0)(7)
di为机组i的风轮直径，ke，me,q为尾流系数，每个区域的尾流系数不一致，me,1为近尾流系数，通常为负数，表示近尾流区的横截面随着到风轮的距离而减小到零；
步骤7：风速衰减离风轮的距离直接相关，将机组i中心尾流位置y侧边偏移表示为分段常系数函数
ci(x,y)为机组i中心尾流位置y侧边偏移的分段常系数函数，它根据机组i后的3个尾流区尾区域的半径分为4段；
步骤8：根据风电机组的偏航角度γi，尾流位于下风向x＞xi的中心线角度ξi如下：
其中，
步骤9：yw,i(x)为机组i在下风向x＞xi区域的尾流中心位置，它结合了旋转和偏航导向；机组i在下风向x＞xi区域的尾流中心位置表示如下：
yw,i(x)＝yi+δyw,旋转,i(x)+δyw,偏航,i(x)(10)
其中，旋转导向尾流侧边偏移
δyw,旋转,i(x)＝ad+bd[x-xi](11)
步骤10：偏航导向侧向偏移y偏航,i由尾流中心线角度的正切沿x方向积分获取，旋转导向侧向偏移y旋转,i。当上游风力发电机组没有偏航时，其尾流也会有一个微小的偏移量。这是由于旋转的尾流与边界层的垂直剪切作用。当风轮顺时针旋转的时候，风轮之后的尾流会逆时针旋转，这使得在边界层下层的低速气流会被向上卷起向右侧偏离，边界层上层的高速气流会向下卷动并向左偏离。因此尾流右侧的速度损失量增加，尾流向右侧偏离。
通过泰勒二次展开得到：
di为机组i的风轮直径，kd为偏航尾流挠度敏感性系数，表示尾流向主要风向φ恢复，ξ初始为风轮尾流初始偏航角；
步骤11：由风电机组后的尾流直径dw,i,q，确定各区域的尾流衰减系数cw,i,q(x)：
系数mu,q为描述尾流区域衰减快慢的参数
上式表示了系数mu,q和偏航角度γi关系；
步骤12：机组风轮和不同尾流区域的重叠面积可以从由风电机组尾流直径dw,i,q和下风向尾流中心位置yw,i(x)计算得到，
在
对于每个机组
步骤13：根据风力发电机组所处地点空气密度ρ，机组实时偏航角度
由于下风向受尾流影响的机组，其有效风速由重叠面积
步骤14：在非偏航情况下，功率系数和每台机组的轴向诱导系数相关，机组i轴向诱导系数ai定义如下：
轴向诱导系数为自由风速与风轮平面风速差值与自由风速的比值。ui,d为风轮风速，ui为机组i前方的自由风速，机组i的功率系数cp和轴向诱导系数ai关系如下：
cp(ai)＝4ai[1-ai]2(21)
考虑到偏航对风误差对风轮功率影响，对上式进行修改；
这里，cp(ai,γi)是与轴向诱导系数ai，偏航角度γi相关的功率系数，最大cp＝0.482、效率η＝0.768、参数pp＝2；
根据cp特性曲线，轴向诱导系数ai，从桨距角和叶尖速比关系中推导出来，也可以通过最大化风能捕获的有效风速中推导出来，本发明通过求解最大化风电场功率问题，获得轴向诱导系数ai最优；
步骤15：由于湍流的交叉影响，改变轴向诱导系数ai，将影响机组i和其下风向机组j的功率
每台机组的功率pi和风速v∞的3次方成正比，利用斜率优化算法对轴向诱导进行迭代更新计算：
i＝1,…,n,k定义为迭代，系数k＞0为轴向诱导系数ai相关的比例系数，考虑到计算量，
其中，
由于尾流从一台机组传输到另一台机组时，由于自由风空气的混合作用，将极大地减少尾流衰减影响，因此，仅考虑下风向相邻机组，对轴向诱导系数ai进行迭代计算，在实际应用中是一个不错的估算方法；
步骤16：由于机组功率
pi为机组i的功率，ρ为空气密度，ai为风轮扫掠面积，cp为机组功率系数，ui为机组有效风速，ai为轴向诱导系数，γi为偏航角度。
本发明提供了一种根据机组功率
本发明的有益效果主要表现在：本发明提供的一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法，减轻了风电场中由于上风向机组尾流对下风向机组的影响，尾流和剪切增大，导致发电量降低和动态载荷增加的问题。相对于现有技术通过调节变桨和转矩，各自机组最大化发电性能，忽略了尾流对其他机组的影响的控制方式。本发明提供了一种根据机组功率
附图说明
图1为jensen静态尾流模型。
图2为三个不同尾流区域-顶部视图。
图3为三个不同尾流区域-下风向机组剖面图。
图4为考虑机组尾流的风电场偏航控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种考虑机组尾流的风电场偏航控制方法，包括以下步骤：
步骤1：如图1，根据jensen模型，di为风力发电机组i风轮直径、dw,i(x)为风电机组后的尾流直径，dw,i(xj)为机组i在机组j处的尾流影响直径，vwi(x,r,ai)为点(x,r)的估计风速。dj为机组j风轮直径，aj为机组j的风轮扫掠面积，
步骤2：如图1，考虑单个机组i，机组尾流点(x,r)的估计风速为：
vw,i(x,r,ai)＝v∞[1-δvw,i(x,r,ai)](1)
风轮直径为di，风轮轴向和风向一致，自由风向为v∞，x为到风机风轮面的距离，r为风机风轮轴中心线的距离。
步骤3：单个机组风速衰减系数如下
di为尾流直径，假设为圆形截面，与距离x成正比，k为可调尾流扩展系数。
dw,i(x)＝di+2kx(3)
步骤4：多个机组风速衰减系数
该模型推广至包含多台混合尾流的机组，机组j的有效风速vj通过估计上风向机组的风速衰减获得；
aj是机组j的风轮扫掠面积，
步骤5：如图2，建立笛卡尔坐标系，[x,y]为笛卡尔坐标系的坐标，x的方向和风向φ相同，它由全场风向v∞平均获得。y的方向和x方向正交，z为轮毂高度方向，机组i位置为[xi,yi]，
步骤6：如图2所示，为了更好的描述尾流的特性，根据离风轮的距离，将尾流区域划分为3个尾流区q，如图2，q＝1,2,3表示三个不同的尾流区，q＝1为近尾流区，q＝2为远尾流区，q＝3为混合尾流区，得机组i后的尾流直径：
dw,i,q(x)＝max(di+2keme,q[x-xi],0)(7)
di为机组i的风轮直径，ke，me,q为尾流系数，每个区域的尾流系数不一致，me,1为近尾流系数，通常为负数，表示近尾流区的横截面随着到风轮的距离而减小到零。
3)侧边偏移量
步骤7：如图2的尾流三区域，风速衰减离风轮的距离直接相关，将机组i中心尾流位置y侧边偏移表示为分段常系数函数
ci(x,y)为机组i中心尾流位置y侧边偏移的分段常系数函数，它根据机组i后的3个尾流区尾区域的半径分为4段；
步骤8：如图2，根据风电机组的偏航角度γi，尾流位于下风向x＞xi的中心线角度ξi如下：
其中，
步骤9：如图2所示，yw,i(x)为机组i在下风向x＞xi区域的尾流中心位置，它结合了旋转和偏航导向；机组i在下风向x＞xi区域的尾流中心位置表示如下：
yw,i(x)＝yi+δyw,旋转,i(x)+δyw,偏航,i(x)(10)
其中，旋转导向尾流侧边偏移
δyw,旋转,i(x)＝ad+bd[x-xi](11)
步骤10：如图2所示，偏航导向侧向偏移y偏航,i由尾流中心线角度的正切沿x方向积分获取，旋转导向侧向偏移y旋转,i。当上游风力发电机组没有偏航时，其尾流也会有一个微小的偏移量。这是由于旋转的尾流与边界层的垂直剪切作用。当风轮顺时针旋转的时候，风轮之后的尾流会逆时针旋转，这使得在边界层下层的低速气流会被向上卷起向右侧偏离，边界层上层的高速气流会向下卷动并向左偏离。因此尾流右侧的速度损失量增加，尾流向右侧偏离。
通过泰勒二次展开得到：
di为机组i的风轮直径，kd为偏航尾流挠度敏感性系数，表示尾流向主要风向φ恢复，ξ初始为风轮尾流初始偏航角；
步骤11：如图2所示，由风电机组后的尾流直径dw,i,q，确定各区域的尾流衰减系数cw,i,q(x)：
系数mu,q为描述尾流区域衰减快慢的参数
上式表示了系数mu,q和偏航角度γi关系；
步骤12：如图1、图2、图3所示，机组风轮和不同尾流区域的重叠面积可以从由风电机组尾流直径dw,i,q和下风向尾流中心位置yw,i(x)计算得到，
在
步骤13：如图4右下角所示，对于每个机组
根据风力发电机组所处地点空气密度ρ，机组实时偏航角度
由于下风向受尾流影响的机组，其有效风速由重叠面积
步骤14：如图4，在非偏航情况下，功率系数和每台机组的轴向诱导系数相关，机组i轴向诱导系数ai定义如下：
轴向诱导系数为自由风速与风轮平面风速差值与自由风速的比值。ui,d为风轮风速，ui为机组i前方的自由风速，机组i的功率系数cp和轴向诱导系数ai关系如下：
cp(ai)＝4ai[1-ai]2(21)
考虑到偏航对风误差对风轮功率影响，我们对上式进行修改。
这里，cp(ai,γi)是与机组i轴向诱导系数ai，偏航角度γi相关的功率系数，最大cp＝0.482、效率η＝0.768、参数pp＝2；
根据cp特性曲线，机组i轴向诱导系数ai，可以从桨距角和叶尖速比关系中推导出来，也可以通过最大化风能捕获的有效风速中推导出来，本发明通过求解最大化风电场功率问题，获得轴向诱导系数aj最优；
步骤15：如图4右上角，由于湍流的交叉影响，改变轴向诱导系数ai，将影响机组i和其下风向机组j的功率
i＝1,…,n,k定义为迭代，系数k＞0为轴向诱导系数ai相关的比例系数。考虑到计算量，
其中，
实际中上风向机组和下风向最远机组的距离可能相差7-8个风轮直径的距离，当机组1的尾流传到机组n时，机组n的功率才能获得更新，尾流的传输将花费较长的时间，因此，仅考虑下风向相邻风机，对轴向诱导系数ai进行简化：
由于尾流从一台机组传输到另一台机组时，由于自由风空气的混合作用，将极大地减少尾流衰减影响，因此，仅考虑下风向相邻机组，对轴向诱导系数ai进行迭代计算，在实际应用中是一个不错的估算方法；
步骤16：如图4由于机组功率
pi为机组i的功率，ρ为空气密度，ai为风轮扫掠面积，cp为机组功率系数，ui为机组有效风速，ai为轴向诱导系数，γi为偏航角度。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。