一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法及装置

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法及装置。


背景技术：

2.近年来，随着风电场规模和数量的不断增加，对于距离较近的风电场群，上游风电场会对下游风电场产生严重的遮挡效应，增加下游风电场机组的疲劳载荷，严重影响下游风电场的发电量，因此，对大型风电场的全尾流分布进行确认十分重要。
3.现有的风电场尾流分布确定方法有致动类方法(致动盘、致动线等)和尾流叠加方法。致动类方法将风电场内每台风力机模化为一个动力源项，然后加入到流体力学方程组中，最后通过求解该方程组来得到风电场的尾流分布，该方法的特点是计算结果较为精确，但计算网格量大，对于大型风电场全尾流效应计算，采用这种方法的成本较大。尾流叠加方法基于一些物理假设简化得到能够反映风电场尾流效应的经验公式，然后利用经验公式直接计算风电场的尾流分布，该方法的特点是成本较低，速度更快，但是精度较差，无法准确地模拟风电场全尾流效应。因此，在对大型风电场全尾流分布确定时，如何在保证模拟精度的同时使成本更低是本领域技术人员所需解决的问题。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的风电场尾流分布确定方法的成本较高，模拟精度较差，无法准确地模拟风电场全尾流效应的缺陷，从而提供一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法及装置。
5.本发明实施例提供了一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法，包括：
6.获取风电场三维流域，将所述风电场三维流域进行区域划分，生成多个划分区域；所述多个划分区域包括风电场等效区域、过渡缓冲区和非风电场区域；
7.采集风电场参数和多个划分区域尺寸，基于所述风电场参数和所述多个划分区域尺寸确定壁面粗糙度修正值；
8.对所述风电场三维流域进行网格划分，生成三维流域网格；
9.基于所述壁面粗糙度修正值与所述三维流域网格构建地面壁应力模型；
10.采集三维边界条件，基于所述地面壁应力模型建立壁面边界条件，将所述三维边界条件和所述壁面边界条件作为流域边界条件；
11.获取流体力学方程组，基于所述流域边界条件对所述流体力学方程组进行求解，生成大型风电场全尾流速度分布数据。
12.本发明提供的一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法，通过对风电场三维流域划分不同区域，确定不同区域的壁面粗糙度修正值，进而基于粗糙度构建地面壁应力模型，实现对风电场的等效建模，提高了风电场模拟精度，有效降低了误差与计算成本，最后利用地面壁应力模型对所述流体力学方程组进行求解，实现了确定大型风电场全尾流速度
分布的目的，节省了资源。
13.可选地，所述将所述风电场三维流域进行区域划分，生成多个划分区域，包括：
14.将所述风电场三维流域中的预设建模区域作为所述风电场等效区域，并将所述风电场等效区域四周的预设过渡区域作为所述过渡缓冲区，将所述风电场三维流域中除所述风电场等效区域和所述过渡缓冲区之外的区域作为所述非风电场区域。
15.可选地，所述基于所述风电场参数和所述多个划分区域尺寸确定壁面粗糙度修正值，包括：
16.基于所述风电场参数确定风电场等效区域的等效粗糙度；
17.提取所述风电场参数中的非风电场区域的地表粗糙度；
18.基于所述风电场等效区域的等效粗糙度、所述非风电场区域的地表粗糙度和所述多个划分区域尺寸确定所述壁面粗糙度修正值；其中，所述多个划分区域尺寸包括多个划分区域的长度与宽度。
19.可选地，所述基于所述风电场参数确定风电场等效区域的等效粗糙度，包括：
20.提取所述风电场参数中的风力机推力系数、风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数，基于所述风力机推力系数、所述风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和所述风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数确定摩擦系数；
21.获取地表摩擦速度和冯卡门常数，提取所述风电场参数中的风力机轮毂高度，基于所述地表摩擦速度、所述冯卡门常数、所述非风电场区域的地表粗糙度和所述风力机轮毂高度确定风电场内轮毂高度的时空平均风速；
22.提取所述风电场参数中的风力机风轮直径，基于所述风电场内轮毂高度的时空平均风速、所述风力机风轮直径和所述风力机轮毂高度确定尾流涡粘系数；
23.基于所述非风电场区域的地表粗糙度、所述风力机风轮直径、所述风力机轮毂高度、所述摩擦系数和所述尾流涡粘系数确定所述风电场等效区域的等效粗糙度。
24.可选地，所述基于所述风电场等效区域的等效粗糙度、所述非风电场区域的地表粗糙度和所述多个划分区域尺寸确定所述壁面粗糙度修正值，其中，所述壁面粗糙度修正值的计算公式如下所示：
[0025][0026]
上式中，z
0,m
表示壁面粗糙度修正值，z
0,hi
表示风电场等效区域的等效粗糙度，z0表示非风电场区域的地表粗糙度，lx_sp表示过渡缓冲区域的长度，ly_sp表示过渡缓冲区域的宽度，x1表示风电场等效区域的长度初始坐标点，x2表示风电场等效区域的长度结束坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度初始坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度结束坐标点，x表示流域壁面中任意位置的横坐标点，y表示流域壁面中任意位置的纵坐标点。
[0027]
可选地，所述基于所述壁面粗糙度修正值与所述三维流域网格构建地面壁应力模型，包括：
[0028]
基于所述三维流域网格确定邻近地表网格，并获取邻近地表网格对应的平均速度和邻近地表网格的中心到地表的垂直距离，基于所述冯卡门常数、所述邻近地表网格对应的平均速度、所述邻近地表网格的中心到地表的垂直距离和所述壁面粗糙度修正值构建所述地面壁应力模型。
[0029]
可选地，所述三维边界条件，包括：
[0030]
速度入口边界条件、压力出口边界条件、周期边界条件和滑移边界条件。
[0031]
在本技术的第二个方面，还提出了一种大型风电场全尾流速度分布的确定装置，包括：
[0032]
区域划分模块，用于获取风电场三维流域，将所述风电场三维流域进行区域划分，生成多个划分区域；所述多个划分区域包括风电场等效区域、过渡缓冲区和非风电场区域；
[0033]
采集模块，用于采集风电场参数和多个划分区域尺寸，基于所述风电场参数和所述多个划分区域尺寸确定壁面粗糙度修正值；
[0034]
网格划分模块，用于对所述风电场三维流域进行网格划分，生成三维流域网格；
[0035]
构建模块，用于基于所述壁面粗糙度修正值与所述三维流域网格构建地面壁应力模型；
[0036]
建立模块，用于采集三维边界条件，基于所述地面壁应力模型建立壁面边界条件，将所述三维边界条件和所述壁面边界条件作为流域边界条件；
[0037]
求解模块，用于获取流体力学方程组，基于所述流域边界条件对所述流体力学方
程组进行求解，生成大型风电场全尾流速度分布数据。
[0038]
可选地，所述区域划分模块，还用于将所述风电场三维流域中的预设建模区域作为所述风电场等效区域，并将所述风电场等效区域四周的预设过渡区域作为所述过渡缓冲区，将所述风电场三维流域中除所述风电场等效区域和所述过渡缓冲区之外的区域作为所述非风电场区域。
[0039]
可选地，所述采集模块，包括：
[0040]
第一确定子模块，用于基于所述风电场参数确定风电场等效区域的等效粗糙度；
[0041]
提取子模块，用于提取所述风电场参数中的非风电场区域的地表粗糙度；
[0042]
第二确定子模块，用于基于所述风电场等效区域的等效粗糙度、所述非风电场区域的地表粗糙度和所述多个划分区域尺寸确定所述壁面粗糙度修正值；其中，所述多个划分区域尺寸包括多个划分区域的长度与宽度。
[0043]
可选地，所述第一确定子模块，包括：
[0044]
第一确定单元，用于提取所述风电场参数中的风力机推力系数、风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数，基于所述风力机推力系数、所述风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和所述风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数确定摩擦系数；
[0045]
第二确定单元，获取地表摩擦速度，提取所述风电场参数中的风力机轮毂高度，基于所述地表摩擦速度、所述非风电场区域的地表粗糙度和所述风力机轮毂高度确定风电场内轮毂高度的时空平均风速；
[0046]
第三确定单元，用于提取所述风电场参数中的风力机风轮直径，基于所述风电场内轮毂高度的时空平均风速、所述风力机风轮直径和所述风力机轮毂高度确定尾流涡粘系数；
[0047]
第四确定单元，用于基于所述非风电场区域的地表粗糙度、所述风力机风轮直径、所述风力机轮毂高度、所述摩擦系数和所述尾流涡粘系数确定所述风电场等效区域的等效粗糙度。
[0048]
可选地，所述壁面粗糙度修正值的计算公式如下所示：
[0049][0050]
上式中，z
0,m
表示壁面粗糙度修正值，z
0,hi
表示风电场等效区域的等效粗糙度，z0表示非风电场区域的地表粗糙度，lx_sp表示过渡缓冲区域的长度，ly_sp表示过渡缓冲区域的宽度，x1表示风电场等效区域的长度初始坐标点，x2表示风电场等效区域的长度结束坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度初始坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度结束坐标点，x表示流域壁面中任意位置的横坐标点，y表示流域壁面中任意位置的纵坐标点。
[0051]
可选地，所述构建模块，还用于基于所述三维流域网格确定邻近地表网格，并获取邻近地表网格对应的平均速度和邻近地表网格的中心到地表的垂直距离，基于所述冯卡门常数、所述邻近地表网格对应的平均速度、所述邻近地表网格的中心到地表的垂直距离和所述壁面粗糙度修正值构建所述地面壁应力模型。
[0052]
可选地，所述三维边界条件，包括：
[0053]
速度入口边界条件、压力出口边界条件、周期边界条件和滑移边界条件。
[0054]
在本技术的第三个方面，还提出了一种计算机设备，包括处理器和存储器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序，所述处理器被配置用于调用所述计算机程序，执行上述第一方面的方法。
[0055]
在本技术的第四个方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述第一方面的方法。
附图说明
[0056]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0057]
图1为本发明实施例1中一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法的流程图；
[0058]
图2为本发明实施例1中步骤s102的流程图；
[0059]
图3为本发明实施例1中步骤s1021的流程图；
[0060]
图4为本发明实施例1中三维流域进行区域划分的示意图；
[0061]
图5为本发明实施例1中高度为50m处风电场的尾流速度分布情况；
[0062]
图6为本发明实施例1中高度为100m处风电场的尾流速度分布情况；
[0063]
图7为本发明实施例1中高度为150m处风电场的尾流速度分布情况；
[0064]
图8为本发明实施例2中一种大型风电场全尾流速度分布的确定装置的原理框图；
[0065]
图9为本发明实施例2中采集模块82的原理框图；
[0066]
图10为本发明实施例2中第一确定子模块821的原理框图。
具体实施方式
[0067]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
[0068]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0069]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0070]
实施例1
[0071]
本实施例提供一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法，如图1所示，包括：
[0072]
s101、获取风电场三维流域，将上述风电场三维流域进行区域划分，生成多个划分区域；上述多个划分区域包括风电场等效区域、过渡缓冲区和非风电场区域。
[0073]
具体的，将上述风电场三维流域中的预设建模区域作为上述风电场等效区域，并将上述风电场等效区域四周的预设过渡区域作为上述过渡缓冲区，将上述风电场三维流域中除上述风电场等效区域和上述过渡缓冲区之外的区域作为上述非风电场区域。
[0074]
进一步地，根据风电场尺寸建立三维流域，长度和宽度应大于风电场及其待观察尾流区的长度和宽度，高度为大气边界层高度；区域划分中，风电场等效区域为实际风电场在三维流域中的预设建模区域，确定x1、x2、y1、y2四个参数来表示风电场等效区域的范围，风电场等效区域的坐标包括(x1，y1)、(x1，y2)、(x2，y1)和(x2，y2)；过渡缓冲区域为风电场等效区域四周一段过渡区，确定lx_sp和ly_sp两个参数来表示过渡缓冲区域的长度与宽度，其值的选取需确保风电场等效区域和非风电场区域的地表粗糙度平缓过渡；非风电场区域为三维流域中除风电场等效区域和过渡区域外的其它区域。
[0075]
s102、采集风电场参数和多个划分区域尺寸，基于上述风电场参数和上述多个划分区域尺寸确定壁面粗糙度修正值。
[0076]
具体的，风电场参数包括风电场内风力机台数、风力机排布情况、风力机风轮直径d、风力机推力系数c
t
、风力机轮毂高度h、真实地面粗糙度z0等。
[0077]
s103、对上述风电场三维流域进行网格划分，生成三维流域网格。
[0078]
具体的，对三维流域在长、宽、高三个方向上分别按照一定的网格间距划分网格，长度方向(流向)和宽度方向(展向)的网格间距一般为1至1/4倍的风轮直径，高度方向(垂向)的网格间距一般在壁面处最小，沿高度方向以一定的增长率增加。
[0079]
s104、基于上述壁面粗糙度修正值与上述三维流域网格构建地面壁应力模型。
[0080]
具体的，基于上述三维流域网格确定邻近地表网格，并获取邻近地表网格对应的平均速度和邻近地表网格的中心到地表的垂直距离，基于上述冯卡门常数、上述邻近地表网格对应的平均速度、上述邻近地表网格的中心到地表的垂直距离和上述壁面粗糙度修正值构建上述地面壁应力模型。
[0081]
其中，上述地面壁应力模型的表达式(即修正后的地表摩擦速度的计算公式)如下：
[0082][0083]
上式中，u
*，m
表示修正后的地表摩擦速度，κ表示冯卡门常数，u
l
表示邻近地表网格对应的平均速度，z1表示邻近地表网格(即最接近地表的一层网格)的中心到地表的垂直距离。
[0084]
s105、采集三维边界条件，基于上述地面壁应力模型建立壁面边界条件，将上述三维边界条件和上述壁面边界条件作为流域边界条件。
[0085]
具体的，上述三维边界条件，包括：速度入口边界条件、压力出口边界条件、周期边界条件和滑移边界条件。
[0086]
进一步地，基于地面壁应力模型设置壁面边界条件(即将地面壁应力模型的表达式作为壁面边界条件的表达式)，流域入口设置为速度入口边界，采用预先计算好的大气边界层湍流风或施加湍流扰动的风廓线作为入流，出口设置为压力出口边界，两侧设置为周期边界，顶部设置为滑移边界。
[0087]
s106、获取流体力学方程组，基于上述流域边界条件对上述流体力学方程组进行求解，生成大型风电场全尾流速度分布数据。
[0088]
具体的，建立由不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程组成的流体力学方程组，公式如下：
[0089][0090]
上式中，和分别表示流向、垂向和展向中任意一个方向的滤波速度，其中，和方向不同，xi和xj分别表示流向、垂向和展向中任意一个方向的位置坐标，其中，xi和xj方向不同，t表示时间，ρ表示流体密度，表示修正滤波压力，p
∞
表示驱动压力，表示通过湍流模型计算的亚格子项偏应力，fi表示风电机组作用的致动力。
[0091]
进一步地，将上述流域边界条件作为流体力学方程组的边界条件，利用openfoam平台(openfoam是一款开源的流体力学计算平台，该平台可以根据具体研究需要，定制开发流场计算方法)中的求解器对流体力学方程组进行求解，得到大型风电场下游尾流的速度分布等信息。
[0092]
上述一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法，通过对风电场三维流域划分不同区域，确定不同区域的壁面粗糙度修正值，进而基于粗糙度构建地面壁应力模型，实现对风电场的等效建模，提高了风电场模拟精度，有效降低了误差与计算成本，最后利用地面壁应力模型对上述流体力学方程组进行求解，实现了确定大型风电场全尾流速度分布的目的，节省了资源。
[0093]
优选地，如图2所示，步骤s102中上述风电场参数和上述多个划分区域尺寸确定壁面粗糙度修正值，包括：
[0094]
s1021、基于上述风电场参数确定风电场等效区域的等效粗糙度。
[0095]
s1022、提取上述风电场参数中的非风电场区域的地表粗糙度(即真实地面粗糙度z0)。
[0096]
s1023、基于上述风电场等效区域的等效粗糙度、上述非风电场区域的地表粗糙度和上述多个划分区域尺寸确定上述壁面粗糙度修正值；其中，上述多个划分区域尺寸包括多个划分区域的长度与宽度。
[0097]
其中，上述壁面粗糙度修正值的计算公式如下所示：
[0098][0099]
上式中，z
0,m
表示壁面粗糙度修正值，z
0,hi
表示风电场等效区域的等效粗糙度，z0表示非风电场区域的地表粗糙度，lx_sp表示过渡缓冲区域的长度，ly_sp表示过渡缓冲区域的宽度，x1表示风电场等效区域的长度初始坐标点，x2表示风电场等效区域的长度结束坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度初始坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度结束坐标点，x表示流域壁面中任意位置的横坐标点，y表示流域壁面中任意位置的纵坐标点。
[0100]
优选地，如图3所示，步骤s1021中基于上述风电场参数确定风电场等效区域的等效粗糙度，包括：
[0101]
s10211、提取上述风电场参数中的风力机推力系数、风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数，基于上述风力机推力系数、上述风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和上述风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数确定摩擦系数。
[0102]
其中，摩擦系数c
ft
的计算公式如下所示：
[0103][0104]
上式中，c
t
表示风力机推力系数，s
x
表示风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数，sy表示风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数。
[0105]
s10212、获取地表摩擦速度，提取上述风电场参数中的风力机轮毂高度，基于上述地表摩擦速度、上述非风电场区域的地表粗糙度和上述风力机轮毂高度确定风电场内轮毂高度的时空平均风速。
[0106]
其中，风电场内轮毂高度的时空平均风速通过下述表达式近似计算得到：
[0107][0108]
上式中，为风电场内轮毂高度的时间和空间平均风速(即风电场内轮毂高度的时空平均风速)，u
*
表示地表摩擦速度，h表示风力机轮毂高度。
[0109]
s10213、获取风电场内轮毂高度的时空平均风速，提取上述风电场参数中的风力机风轮直径和风力机轮毂高度，基于上述风电场内轮毂高度的时空平均风速、上述风力机风轮直径和上述风力机轮毂高度确定尾流涡粘系数。
[0110]
其中，尾流涡粘系数的计算公式如下所示：
[0111][0112]
上式中，d表示风力机风轮直径。
[0113]
s10214、基于上述非风电场区域的地表粗糙度、上述风力机风轮直径、上述风力机轮毂高度、上述摩擦系数和上述尾流涡粘系数确定上述风电场等效区域的等效粗糙度。
[0114]
其中，风电场等效区域的等效粗糙度z
0,hi
的计算公式如下所示：
[0115][0116]
下面通过一个具体的例子来说明一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法的。
[0117]
具体步骤如下：
[0118]
步骤1：根据风电场实际情况，提取计算所需参数。
[0119]
该风电场共有126台风力机，成18
×
7均匀排布，风力机流向间距为800m(米)，展向间距为523m，风力机风轮直径d＝100m，风力机推力系数c
t
＝1.33，风力机轮毂高度h＝100m，地表粗糙度z0＝0.1m。
[0120]
步骤2：建立包含风电场的三维流域，将计算流域划分为三个区域：风电场等效区域、过渡缓冲区域和非风电场区域。
[0121]
如图4所示，根据风电场尺寸建立三维流域：为保证对风电场及其尾流的充分观察，设置计算流域的长为30000m，宽为3400m，高为大气边界层高度1000m；将三维流域划分为三个区域：风电场等效区域、过渡缓冲区域和非风电场区域，其中x1＝2000、x2＝17000、y1＝0、y2＝3400、lx_sp＝200和ly_sp＝0。
[0122]
步骤3：构建三维流域的壁面各个位置粗糙度修正值。
[0123]
令ly_sp＝0，即仅考虑了沿流向方向粗糙度的变化值，真实的地表粗糙度z0＝0.1，利用以下经验公式计算风电场等效区域的等效粗糙度z
0,hi
：
[0124][0125]
通过上述计算可得，z
0,hi
＝3.533m。
[0126]
计算壁面各个位置粗糙度修正值z
0,m
如下：
[0127][0128]
步骤4：在openfoam平台的sowfa工具包中构建新的地面壁应力模型，对风电场进行等效建模。
[0129]
对于openfoam平台的sowfa工具包，在地面壁应力的源程序schumanngrotzbachfvpatchfield.h头文件的类(class)的定义中，添加x1、x2、y1、y2、lx_sp、ly_sp和z
0,hi
七个参数变量。
[0130]
在地面壁应力的源程序schumanngrotzbachfvpatchfield.c源文件的构造函数(constructors)中调用头文件的类(class)中新添加的七个变量；在计算地面壁应力的成员函数(member functions)里计算修正摩擦速度u
*,m
的程序中，将地表平均类型(averagetype)选取为local，由网格点的坐标(loc[facei].x和loc[facei].y)，即x＝loc[facei].x，y＝loc[facei].y，修改壁面各个位置处的粗糙度z
0，m
值，然后利用公式来计算修正摩擦速度u
*,m
，其中κ为冯卡门常数，u
l
为靠近地表一层网格的平均速度，z1为靠近地表一层网格中心到地表的垂直距离；根据以
上设置，最终完成新的地面壁应力模型构建，实现对风电场的等效建模。
[0131]
步骤5：将新的地面壁应力设置为壁面边界条件，设置其它边界条件和计算参数，同时对三维计算流域划分网格，得到三维流域网格。
[0132]
将新的地面壁应力(即地面壁应力模型的表达式)设置为壁面边界条件，流域入口设置为速度入口边界，采用预先计算好的大气边界层湍流风作为入流，该入流通过四周为周期边界的空大气边界层计算域计算并得到；出口设置为压力出口边界，两侧设置为周期边界，顶部设置为滑移边界。
[0133]
对三维计算流域在长、宽、高三个方向上分别按照一定的网格间距划分网格，长和宽两个方向分别划分750和85个网格，网格均匀分布，高度方向划分60个网格，网格增长率设置为2。
[0134]
步骤6：基于步骤5的设置，建立计算流体力学方程组，利用openfoam平台对方程组进行求解，得到大型风电场下游尾流的速度分布等信息。
[0135]
基于步骤5的设置，通过建立由不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程组成的计算流体力学方程组，然后利用openfoam中swofa工具包的求解器对方程组进行求解，最终得到大型风电场下游尾流的速度分布等信息。
[0136]
为了验证上述方法的准确性，在本发明的基础上，同时采用致动盘方法和尾流叠加方法两种常规方法对该风电场尾流分布进行计算。
[0137]
如图5-7所示，为采用三种方法在不同高度处风电场的尾流速度(u，单位，m/s，米/秒)分布情况，其中风速在展向取平均值，尾流叠加方法的结果只考虑机组轮毂高度100m，表1为采用三种方法计算得到的风电场下游3km、5km、10km处的风速损失百分比。
[0138]
表1
[0139][0140][0141]
从图5-7和表1中可以看出，本发明的计算结果精度与致动盘方法的精度相当，但是优于尾流叠加方法；以致动盘方法为基准，尾流叠加方法和本发明对下游不同位置风速损失的模拟误差如表2所示，可以看到相比于尾流叠加方法，基于本发明所提方法(即大型风电场全尾流速度分布的确定方法)可以大幅度降低对于大型风电场全尾流效应预测的误差。
[0142]
表2
[0143] 尾流叠加方法本发明方法下游3km风速损失计算误差64.79％16.85％下游5km风速损失计算误差71.86％10.48％下游10km风速损失计算误差80.00％18.14％
[0144]
表3为本发明和致动盘方法计算所需的计算时长，可以看出，相比于致动盘方法，基于本发明所提方法所需的计算时长减少了11.3％。综合以上分析结果可知，在针对大型
风电场的全尾流特性进行计算时，本发明所提的方法可以在节省计算资源的同时，能够有效降低计算误差。
[0145]
表3
[0146] 致动盘方法本发明方法计算时长96核，928分钟96核，823分钟
[0147]
实施例2
[0148]
本实施例提供一种大型风电场全尾流速度分布的确定装置，如图8所示，包括：
[0149]
区域划分模块81，用于获取风电场三维流域，将上述风电场三维流域进行区域划分，生成多个划分区域；上述多个划分区域包括风电场等效区域、过渡缓冲区和非风电场区域。
[0150]
具体的，将上述风电场三维流域中的预设建模区域作为上述风电场等效区域，并将上述风电场等效区域四周的预设过渡区域作为上述过渡缓冲区，将上述风电场三维流域中除上述风电场等效区域和上述过渡缓冲区之外的区域作为上述非风电场区域。
[0151]
进一步地，根据风电场尺寸建立三维流域，长度和宽度应大于风电场及其待观察尾流区的长度和宽度，高度为大气边界层高度；区域划分中，风电场等效区域为实际风电场在三维流域中的预设建模区域，确定x1、x2、y1、y2四个参数来表示风电场等效区域的范围，风电场等效区域的坐标包括(x1，y1)、(x1，y2)、(x2，y1)和(x2，y2)；过渡缓冲区域为风电场等效区域四周一段过渡区，确定lx_sp和ly_sp两个参数来表示过渡缓冲区域的长度与宽度，其值的选取需确保风电场等效区域和非风电场区域的地表粗糙度平缓过渡；非风电场区域为三维流域中除风电场等效区域和过渡区域外的其它区域。
[0152]
采集模块82，用于采集风电场参数和多个划分区域尺寸，基于上述风电场参数和上述多个划分区域尺寸确定壁面粗糙度修正值。
[0153]
具体的，风电场参数包括风电场内风力机台数、风力机排布情况、风力机风轮直径d、风力机推力系数c
t
、风力机轮毂高度h、真实地面粗糙度z0等。
[0154]
网格划分模块83，用于对上述风电场三维流域进行网格划分，生成三维流域网格。
[0155]
具体的，对三维流域在长、宽、高三个方向上分别按照一定的网格间距划分网格，长度方向(流向)和宽度方向(展向)的网格间距一般为1至1/4倍的风轮直径，高度方向(垂向)的网格间距一般在壁面处最小，沿高度方向以一定的增长率增加。
[0156]
构建模块84，用于基于上述壁面粗糙度修正值与上述三维流域网格构建地面壁应力模型。
[0157]
具体的，基于上述三维流域网格确定邻近地表网格，并获取邻近地表网格对应的平均速度和邻近地表网格的中心到地表的垂直距离，基于上述冯卡门常数、上述邻近地表网格对应的平均速度、上述邻近地表网格的中心到地表的垂直距离和上述壁面粗糙度修正值构建上述地面壁应力模型；
[0158]
其中，上述地面壁应力模型的表达式如下：
[0159][0160]
上式中，u
*，m
表示修正摩擦速度，κ表示冯卡门常数，u
l
表示邻近地表网格对应的平
均速度，z1表示邻近地表网格的中心到地表的垂直距离。
[0161]
建立模块85，用于采集三维边界条件，基于上述地面壁应力模型建立壁面边界条件，将上述三维边界条件和上述壁面边界条件作为流域边界条件。
[0162]
具体的，上述三维边界条件，包括：速度入口边界条件、压力出口边界条件、周期边界条件和滑移边界条件。
[0163]
进一步地，基于地面壁应力模型设置壁面边界条件(即将地面壁应力模型的表达式作为壁面边界条件的表达式)，流域入口设置为速度入口边界，采用预先计算好的大气边界层湍流风或施加湍流扰动的风廓线作为入流，出口设置为压力出口边界，两侧设置为周期边界，顶部设置为滑移边界。
[0164]
求解模块86，用于获取流体力学方程组，基于上述流域边界条件对上述流体力学方程组进行求解，生成大型风电场全尾流速度分布数据。
[0165]
具体的，建立由不可压缩纳维斯托克斯方程、连续方程组成的流体力学方程组，公式如下：
[0166][0167]
上式中，和分别表示流向、垂向和展向中任意一个方向的滤波速度，其中，和方向不同，xi和xj分别表示流向、垂向和展向中任意一个方向的位置坐标，其中，xi和xj方向不同，t表示时间，ρ表示流体密度，表示修正滤波压力，p
∞
表示驱动压力，表示通过湍流模型计算的亚格子项偏应力，fi表示风电机组作用的致动力。
[0168]
进一步地，将上述流域边界条件作为流体力学方程组的边界条件，利用openfoam平台(openfoam是一款开源的流体力学计算平台，该平台可以根据具体研究需要，定制开发流场计算方法)中的求解器对流体力学方程组进行求解，得到大型风电场下游尾流的速度分布等信息。
[0169]
上述一种大型风电场全尾流速度分布的确定装置，通过对风电场三维流域划分不同区域，确定不同区域的壁面粗糙度修正值，进而基于粗糙度构建地面壁应力模型，实现对风电场的等效建模，提高了风电场模拟精度，有效降低了误差与计算成本，最后利用地面壁应力模型对上述流体力学方程组进行求解，实现了确定大型风电场全尾流速度分布的目的，节省了资源。
[0170]
优选地，如图9所示，上述采集模块82，包括：
[0171]
第一确定子模块821，用于基于上述风电场参数确定风电场等效区域的等效粗糙度。
[0172]
提取子模块822，用于提取上述风电场参数中的非风电场区域的地表粗糙度(即真实地面粗糙度z0)。
[0173]
第二确定子模块823，用于基于上述风电场等效区域的等效粗糙度、上述非风电场
区域的地表粗糙度和上述多个划分区域尺寸确定上述壁面粗糙度修正值；其中，上述多个划分区域尺寸包括多个划分区域的长度与宽度。
[0174]
其中，上述壁面粗糙度修正值的计算公式如下所示：
[0175][0176]
上式中，z
0,m
表示壁面粗糙度修正值，z
0,hi
表示风电场等效区域的等效粗糙度，z0表示非风电场区域的地表粗糙度，lx_sp表示过渡缓冲区域的长度，ly_sp表示过渡缓冲区域的宽度，x1表示风电场等效区域的长度初始坐标点，x2表示风电场等效区域的长度结束坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度初始坐标点，y1表示风电场等效区域的宽度结束坐标点，x表示流域壁面中任意位置的横坐标点，y表示流域壁面中任意位置的纵坐标点。
[0177]
优选地，如图10所示，上述第一确定子模块821，包括：
[0178]
第一确定单元8211，用于提取上述风电场参数中的风力机推力系数、风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数，基于上述风力机推力系数、上述风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数和上述风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数确定摩擦系数。
[0179]
其中，摩擦系数c
ft
的计算公式如下所示：
[0180][0181]
上式中，c
t
表示风力机推力系数，s
x
表示风电场流向长度相对于风力机风轮直径的倍数，sy表示风电场展向长度相对于风力机风轮直径的倍数。
[0182]
第二确定单元8212，获取地表摩擦速度，提取所述风电场参数中的风力机轮毂高度，基于所述地表摩擦速度、所述非风电场区域的地表粗糙度和所述风力机轮毂高度确定风电场内轮毂高度的时空平均风速。
[0183]
其中，风电场内轮毂高度的时空平均风速通过下述表达式近似计算得到：
[0184][0185]
上式中，为风电场内轮毂高度的时间和空间平均风速(即风电场内轮毂高度的时空平均风速)，u
*
表示地表摩擦速度，h表示风力机轮毂高度。
[0186]
第三确定单元8213，用于获取风电场内轮毂高度的时空平均风速，提取上述风电场参数中的风力机风轮直径和风力机轮毂高度，基于上述风电场内轮毂高度的时空平均风速、上述风力机风轮直径和上述风力机轮毂高度确定尾流涡粘系数。
[0187]
其中，尾流涡粘系数的计算公式如下所示：
[0188][0189]
上式中，d表示风力机风轮直径。
[0190]
第四确定单元8214，用于基于上述非风电场区域的地表粗糙度、上述风力机风轮直径、上述风力机轮毂高度、上述摩擦系数和上述尾流涡粘系数确定上述风电场等效区域的等效粗糙度。
[0191]
其中，风电场等效区域的等效粗糙度z
0,hi
的计算公式如下所示：
[0192][0193]
实施例3
[0194]
本实施例提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，处理器用于读取存储器中存储的指令，以执行上述任意方法实施例中的一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法。
[0195]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0196]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0197]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特
定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0198]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0199]
实施例4
[0200]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的一种大型风电场全尾流速度分布的确定方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0201]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。