一种风力发电机的尾流分析系统及方法与流程

[0001]
本发明属于风力发电机技术领域，具体涉及一种风力发电机的尾流分析系统及方法。


背景技术：

[0002]
风洞实验与现场实测是在计算机问世之前，早期被人们用来研究风机尾流的主要方法。早在1981年，瑞典航空研究院(ffa)通过风洞实验，利用流动可视化方法显示风机尾流的尾流迹线，然后对流动轨迹显示的尾流信息进行了相关研究。handm和胡丹梅等也通过实验测量处尾流速度，反算了风机对流域的阻力，进而分别对风机近尾流区域和远尾流区域的流场特性展开研究，并对实验结果进行了详细的分析。schepers和k.boorsma开展了关于风机的著名的mexico实验。chamorro和m.chamecki等学者开展了风机的风洞试验，以研究大气边界层入流条件对尾流的影响。相对于风机实验，现场实测通过对风机的尾流区域的直接观测，并对这些数据进行记录、分析，从而研究尾流的流动特性，相对于实验，其结果更加贴近现实的状况。
[0003]
但这些方法具有以下缺点：
[0004]
1、只能实测已建成的风场风机，无法预测未建风场风机；
[0005]
2、由于测量、记录的地方有限，只能获得风场局部信息，无法获得风场全部信息；
[0006]
3、实验和实测的方法研究周期长、前期投入大，消耗大量财力。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于提供一种风力发电机的尾流分析系统及方法，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。
[0008]
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
[0009]
一种风力发电机的尾流分析系统，包括系统模型，所述系统模型包括铁塔高度指标、轮毂高度指标、单机容量指标、叶轮直径指标及塔机距离指标，所述铁塔高度指标范围为：30m-100m；轮毂高度指标为：90-150m；单机容量指标为：2000-3000kw；叶轮直径指标为：110-141m；塔机距离指标为：200-400m。
[0010]
优选的，所述系统模型包括铁塔高度指标：70m、轮毂高度指标：120m、单机容量指标：2200kw、叶轮直径指标：131m、塔机距离指标分别取200m、250m、300m、350m、400m。
[0011]
优选的，所述系统模型包括铁塔高度指标：70m、轮毂高度指标：120m、塔机距离指标：300m、叶轮直径指标：121m、单机容量指标分别取2000kw、2200kw、2300kw、2500kw、3000kw。
[0012]
优选的，所述系统模型包括铁塔高度指标：70m、塔机距离指标：300m、单机容量指标、2200kw、叶轮直径指标、131m、轮毂高度指标分别取90m、100m、120m、140m、150m。
[0013]
优选的，所述系统模型包括轮毂高度指标、120m、塔机距离指标、300m、单机容量指标、2200kw、叶轮直径指标、131m、铁塔高度指标分别取30m、50m、70m、90m、100m。
[0014]
优选的，所述系统模型包括铁塔高度指标、70m、轮毂高度指标、120m、塔机距离指标、300m、单机容量指标、2200kw、叶轮直径指标分别取110m、115m、121m、131m、141m。
[0015]
本发明提出一种根据权利要求1所述的风力发电机的尾流分析方法，包括以下步骤：
[0016]
s1、选取不变指标：铁塔高度70m、轮毂高度120m、单机容量2200kw、叶轮直径131m，变化指标：塔机距离，分别取200m、250m、300m、350m、400m；在铁塔高度、轮毂高度、单机容量、叶轮直径等指标不变的情况下，随着塔机距离的增大：塔机和风机之间的尾流系数减小，由尾流引起的风场附加湍流强度减小，且湍流强度减小趋势大于尾流系数减小趋势，受尾流效应影响的风速增大，风电场发电小时数，且发电小时数、尾流后风速增大趋势基本一致；
[0017]
s2、选取不变指标：铁塔高度70m、轮毂高度120m、塔机距离300m、叶轮直径121m，变化指标：单机容量，分别取2000kw、2200kw、2300kw、2500kw、3000kw，在铁塔高度、轮毂高度、塔机距离、叶轮直径等指标不变的情况下，随着单机容量的增大：风电场尾流系数、湍流强度逐渐增大，且湍流强度增大趋势大于尾流系数增大趋势，受尾流效应影响的风速减小，风电场发电小时数减小，且发电小时数、尾流后风速减小趋势基本一致；
[0018]
s3、不变指标：铁塔高度70m、塔机距离300m、单机容量2200kw、叶轮直径131m，变化指标：轮毂高度，分别取90m、100m、120m、140m、150m，在铁塔高度、塔机距离、单机容量、叶轮直径等指标不变的情况下，随着轮毂高度的增大：风电场尾流系数、湍流强度逐渐减小，且湍流强度、尾流系数减小趋势基本一致，受尾流效应影响的风速增大，风电场发电小时数增大，且发电小时数增大趋势小于尾流后风速增大趋势；
[0019]
s4、选取不变指标：轮毂高度120m、塔机距离300m、单机容量2200kw、叶轮直径131m，变化指标：铁塔高度，分别取30m、50m、70m、90m、100m，在轮毂高度、塔机距离、单机容量、叶轮直径等指标不变的情况下，随着铁塔高度的增大：风电场尾流系数、湍流强度逐渐增大，且湍流强度增大趋势大于尾流系数增大趋势。受尾流效应影响的风速减小，风电场发电小时数减小，且发电小时数、尾流后风速减小趋势基本一致；
[0020]
s5、不变指标：铁塔高度70m、轮毂高度120m、塔机距离300m、单机容量2200kw，变化指标：叶轮直径，分别取110m、115m、121m、131m、141m，在铁塔高度、轮毂高度、塔机距离、单机容量等指标不变的情况下，随着叶轮直径的增大：塔机和风机之间的尾流系数增大，由尾流引起的风场附加湍流强度增大，且湍流强度、尾流系数增大趋势基本一致，受尾流效应影响的风速减小，风电场发电小时数逐渐增大，且发电小时数增大趋势小于尾流后风速减小趋势。
[0021]
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种风力发电机的尾流分析系统及方法，与现有技术相比，具有以下优点：
[0022]
本发明可高准确性、获取数据全面和方便的可视化后处理使其具有一定的优势，该系统模型计算时间快、操作简单、能满足工程需要的精度，非常适合风电场风机优化布置、尾流为风机影响等问题，相比于风洞实验和数值模拟，风机尾流模型在风机的设计和风电场的优化布置方面具有一定的优势，因为尾流模型的使用可以大大提高尾流速度计算的效率。
附图说明
[0023]
图1为本发明的塔机距离变化对风力发电机组的影响趋势图；
[0024]
图2为本发明的单机容量变化对风力发电机组的影响趋势图；
[0025]
图3为本发明的轮毂高度变化对风力发电机组的影响趋势图；
[0026]
图4为本发明的铁塔高度变化对风力发电机组的影响趋势图；
[0027]
图5为本发明的叶轮直径变化对风力发电机组的影响趋势图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
本发明提供了如图1-5所示的一种风力发电机的尾流分析系统，选取铁塔到风机距离(简称塔机距离)、风机单机容量(简称单机容量)、风机轮毂高度(简称轮毂高度)、线路铁塔高度(简称铁塔高度)、风机叶轮直径(简称叶轮直径)等5项指标评价架空线路铁塔对风力发电机组的发电小时数、尾流后风速、尾流系数、湍流强度等风况参数的影响；
[0030]
包括系统模型，所述系统模型包括铁塔高度指标、轮毂高度指标、单机容量指标、叶轮直径指标及塔机距离指标，所述铁塔高度指标范围为：30m-100m；轮毂高度指标为：90-150m；单机容量指标为：2000-3000kw；叶轮直径指标为：110-141m；塔机距离指标为：200-400m。
[0031]
本发明提出一种根据权利要求1所述的风力发电机的尾流分析方法，包括以下步骤：
[0032]
s1、选取不变指标：铁塔高度70m、轮毂高度120m、单机容量2200kw、叶轮直径131m，变化指标：塔机距离，分别取200m、250m、300m、350m、400m；
[0033]
s2、选取不变指标：铁塔高度70m、轮毂高度120m、塔机距离300m、叶轮直径121m，变化指标：单机容量，分别取2000kw、2200kw、2300kw、2500kw、3000kw；
[0034]
s3、不变指标：铁塔高度70m、塔机距离300m、单机容量2200kw、叶轮直径131m，变化指标：轮毂高度，分别取90m、100m、120m、140m、150m；
[0035]
s4、选取不变指标：轮毂高度120m、塔机距离300m、单机容量2200kw、叶轮直径131m，变化指标：铁塔高度，分别取30m、50m、70m、90m、100m；
[0036]
s5、不变指标：铁塔高度70m、轮毂高度120m、塔机距离300m、单机容量2200kw，变化指标：叶轮直径，分别取110m、115m、121m、131m、141m。
[0037]
(1)不变指标：铁塔高度(70m)、轮毂高度(120m)、单机容量(2200kw)、叶轮直径(131m)。变化指标：塔机距离，分别取200m、250m、300m、350m、400m。由塔机距离变化对风力发电机组的影响趋势图(图1)可知，在铁塔高度、轮毂高度、单机容量、叶轮直径等指标不变的情况下，随着塔机距离的增大：塔机和风机之间的尾流系数减小，由尾流引起的风场附加湍流强度减小，且湍流强度减小趋势大于尾流系数减小趋势。受尾流效应影响的风速增大，风电场发电小时数，且发电小时数、尾流后风速增大趋势基本一致。例如，塔机距离由200m
增大到400m，尾流系数减小3％，湍流强度减小1％，尾流后风速增大约0.10m/s，发电小时数增大约70h；
[0038]
说明，在风电场场址限制性因素较多的情况下，风机布置应尽量远离线路铁塔、信号塔、高大建筑物等。不应该只考虑满足规范规定的安全距离即可。风机与障碍物的距离越远，风电场尾流系数、湍流强度等参数就越小，风机选型的空间就越大，就越有可能实现更高的发电效益。
[0039]
(2)不变指标：铁塔高度(70m)、轮毂高度(120m)、塔机距离(300m)、叶轮直径(121m)。变化指标：单机容量，分别取2000kw、2200kw、2300kw、2500kw、3000kw。由单机容量变化对风力发电机组的影响趋势图(2)可知，在铁塔高度、轮毂高度、塔机距离、叶轮直径等指标不变的情况下，随着单机容量的增大：风电场尾流系数、湍流强度逐渐增大，且湍流强度增大趋势大于尾流系数增大趋势。受尾流效应影响的风速减小，风电场发电小时数减小，且发电小时数、尾流后风速减小趋势基本一致。例如，风机单机容量由2000kw增大到3000kw，尾流系数增大3.7％，湍流强度增大0.4％，尾流后风速减小约0.16m/s，发电小时数减小约260h；
[0040]
说明，在风电场边界条件和风资源条件确定的情况下，通过增大风机单机容量可以增大风电场总装机容量，但是往往需要牺牲风电场整体收益率。在低风速风电场，随着能源领域市场化的不断推进，风电场建设不应以追求最大装机容量为目标，而应以风电场的整体盈利能力提升为目标。
[0041]
(3)不变指标：铁塔高度(70m)、塔机距离(300m)、单机容量(2200kw)、叶轮直径(131m)。变化指标：轮毂高度，分别取90m、100m、120m、140m、150m。轮毂高度变化对风力发电机组的影响趋势图(图3)可知，在铁塔高度、塔机距离、单机容量、叶轮直径等指标不变的情况下，随着轮毂高度的增大：风电场尾流系数、湍流强度逐渐减小，且湍流强度、尾流系数减小趋势基本一致。受尾流效应影响的风速增大，风电场发电小时数增大，且发电小时数增大趋势小于尾流后风速增大趋势。例如，风机轮毂高度由90m增大到150m，尾流系数减小3.8％，湍流强度减小0.9％，尾流后风速增大0.69m/s，发电小时数减小约530h；
[0042]
说明，在风电场风资源条件确定的情况下，通过增加风机轮毂高度可以提升风电场发电能力。但轮毂高度不是越高越好，轮毂高度选取要进行深入细致的比选。轮毂高度的比选主要与风机(含塔筒)制造工艺、风电场风切变指数、风机基础、运输安装等因素息息相关。在地形复杂、风况复杂的风电场，增加轮毂高度可以让风机叶片尽量远离复杂的下垫面，从而提高风机对风电场适应性。
[0043]
(4)不变指标：轮毂高度(120m)、塔机距离(300m)、单机容量(2200kw)、叶轮直径(131m)。变化指标：铁塔高度，分别取30m、50m、70m、90m、100m。铁塔高度变化对风力发电机组的影响趋势图(图4)可知，在轮毂高度、塔机距离、单机容量、叶轮直径等指标不变的情况下，随着铁塔高度的增大：风电场尾流系数、湍流强度逐渐增大，且湍流强度增大趋势大于尾流系数增大趋势。受尾流效应影响的风速减小，风电场发电小时数减小，且发电小时数、尾流后风速减小趋势基本一致。例如，铁塔高度由30m增大到100m，尾流系数增大2.8％，湍流强度增大0.4％，尾流后风速减小约0.12m/s，发电小时数减小约90h；
[0044]
说明，在平原风电场架空线路密集地区，风机布置除考虑安全距离外还应尽量远离线路铁塔。以降低线路铁塔对风机安全性和发电量的影响。在发电量计算折减取值中应
考虑线路铁塔影响折减。
[0045]
(5)不变指标：铁塔高度(70m)、轮毂高度(120m)、塔机距离(300m)、单机容量(2200kw)。变化指标：叶轮直径，分别取110m、115m、121m、131m、141m。叶轮直径变化对风力发电机组的影响趋势图(图5)可知，在铁塔高度、轮毂高度、塔机距离、单机容量等指标不变的情况下，随着叶轮直径的增大：塔机和风机之间的尾流系数增大，由尾流引起的风场附加湍流强度增大，且湍流强度、尾流系数增大趋势基本一致。受尾流效应影响的风速减小，风电场发电小时数逐渐增大，且发电小时数增大趋势小于尾流后风速减小趋势。例如，风机叶轮直径由110m增大到141m，尾流系数增大1.4％，湍流强度增大0.3％，尾流后风速减小约0.08m/s，发电小时数增大约400h；
[0046]
说明，在风电场场址限制性因素较多或风机布置较为紧凑的情况下，仅增大叶轮直径会导致尾流系数、湍流强度增大，进而影响风机安全性，且增大叶轮直径对风电场发电量提升有限。风机选型不宜一味追求较大叶轮直径的风力发电机组，而是应该通过精细化的技术经济比较来的确定推荐选用的机型。
[0047]
综上所述：本发明可高准确性、获取数据全面和方便的可视化后处理使其具有一定的优势，该系统模型计算时间快、操作简单、能满足工程需要的精度，非常适合风电场风机优化布置、尾流为风机影响等问题，相比于风洞实验和数值模拟，风机尾流模型在风机的设计和风电场的优化布置方面具有一定的优势，因为尾流模型的使用可以大大提高尾流速度计算的效率。
[0048]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。