【摘要】：對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng),場(chǎng)內(nèi)機(jī)組間的尾流效應(yīng)可能引起的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率損失高達(dá)10～40%,建立準(zhǔn)確高效的風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)模擬方法,對(duì)于提高風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化控制的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。當(dāng)今主流的風(fēng)電場(chǎng)尾流模擬方法主要有工程尾流模型模擬和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法模擬兩大類,前者計(jì)算速度較快但精度較低,后者計(jì)算精度較高但需耗費(fèi)大量計(jì)算資源。綜合考慮兩類方法的模擬特點(diǎn),探索了一種結(jié)合二者計(jì)算優(yōu)勢(shì)的風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)與功率模擬方法,即多精度模擬方法,在保證尾流場(chǎng)模擬精度的前提下,兼顧了模型計(jì)算效率。圍繞風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)及功率多精度模擬,主要完成了以下研究工作:(1)提出了一種計(jì)及風(fēng)向不確定性的風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)快速計(jì)算方法針對(duì)目前常用的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率計(jì)算均基于工程尾流模型實(shí)現(xiàn),且未考慮風(fēng)向的不確定性帶來(lái)的誤差,提出了考慮風(fēng)電場(chǎng)1Omin來(lái)流風(fēng)向分布特征的高斯平均修正方法。利用風(fēng)向滑動(dòng)窗口內(nèi)計(jì)算功率的加權(quán)平均值代替1Omin平均風(fēng)向的功率計(jì)算值,研究了考慮風(fēng)向不確定性影響的尾流作用下的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及發(fā)電量計(jì)算。以歐洲的Lillgrund海上風(fēng)電場(chǎng)為例,采用Jensen、Gaussian以及Larsen尾流模型分別建模,利用高斯平均方法修正尾流模型計(jì)算結(jié)果以考慮風(fēng)向不確定性的影響。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明:高斯平均方法極大地提高了工程尾流模型用于風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率計(jì)算的準(zhǔn)確性,并進(jìn)一步提高了發(fā)電量計(jì)算的收斂速度。(2)建立了基于高斯過(guò)程的風(fēng)電場(chǎng)高精度尾流功率代理方法針對(duì)全風(fēng)況下基于CFD方法的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率計(jì)算耗時(shí)巨大,難以工程化應(yīng)用的問(wèn)題,提出了考慮風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率隨輸入風(fēng)況變化特征的基于高斯過(guò)程的全風(fēng)況下風(fēng)電場(chǎng)尾流功率代理方法。采用基于考慮風(fēng)電場(chǎng)局地切變的k-ε-fp湍流模型的CFD模擬方案,計(jì)算離散來(lái)流風(fēng)況下的風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)與輸出功率,結(jié)合不同變量特征確定采樣方法與核函數(shù)方案,建立以來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)向?yàn)樽兞康挠?jì)及尾流效應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率代理模型。以歐洲的Lillgrund海上風(fēng)電場(chǎng)為例,基于代理模型的功率預(yù)測(cè)均值及不確定性分析,驗(yàn)證了高斯過(guò)程方法在全風(fēng)況下的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率模擬中的有效性。(3)提出了將工程尾流模型與CFD模型相融合的風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)與功率的多精度模擬方法針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)計(jì)算CFD方法的準(zhǔn)確性和耗時(shí)性,以及工程尾流模型計(jì)算的高效性和低準(zhǔn)確性。分別以半經(jīng)驗(yàn)的Larsen模型和基于k-ε-fp湍流模型的RANS模型作為低精度和高精度模型組分,結(jié)合二者計(jì)算結(jié)果的相似性以及不同模型的計(jì)算優(yōu)勢(shì),建立基于協(xié)同克里格(Co-Kriging)算法的風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)與功率的多精度模擬方法。以歐洲的Lillgrund海上風(fēng)電場(chǎng)為例,分析不同代理模型的計(jì)算精度及所耗時(shí)間,結(jié)果表明,構(gòu)建相同精度的風(fēng)電場(chǎng)尾流功率代理模型,多精度模擬方法具有顯著優(yōu)于單精度代理模型的計(jì)算效率,驗(yàn)證了多精度代理模型用于風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)與功率模擬的優(yōu)越性。(4)建立了基于CFD流場(chǎng)預(yù)計(jì)算的復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)模型為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的高效、準(zhǔn)確利用,提出了基于CFD流場(chǎng)預(yù)計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)方法。通過(guò)建立流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)的方式,將耗時(shí)的全風(fēng)況下的風(fēng)電場(chǎng)流場(chǎng)計(jì)算放在功率預(yù)測(cè)過(guò)程之前進(jìn)行,從而將功率預(yù)測(cè)過(guò)程轉(zhuǎn)換為以NWP數(shù)據(jù)為輸入的查表插值過(guò)程,在保證預(yù)測(cè)精度的基礎(chǔ)上提高了預(yù)測(cè)的實(shí)效性。該方法建模過(guò)程清晰,便于模型優(yōu)化及預(yù)測(cè)精度改善。(5)提出了基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP)風(fēng)速修正和基于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組分組的風(fēng)電場(chǎng)短期功率預(yù)測(cè)CFD方法首先,針對(duì)傳統(tǒng)NWP風(fēng)速預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性低的特點(diǎn),基于多元線性回歸、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種算法分別建立中尺度NWP風(fēng)速修正模型,提出基于輸入NWP風(fēng)速數(shù)據(jù)修正的風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)CFD方法。算例研究表明:建立的三種模式輸出統(tǒng)計(jì)(MOS)修正模型,均能大幅改善中尺度NWP風(fēng)速數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,同時(shí)顯著提高了以之為輸入的風(fēng)電場(chǎng)短期功率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。其次,針對(duì)單個(gè)測(cè)風(fēng)塔點(diǎn)位用于整場(chǎng)建模代表性差的特點(diǎn),基于K均值聚類、層次凝聚聚類、譜聚類三種算法分別建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組分組模型,并建立以輪廓系數(shù)、Calinski-Harabaz指數(shù)及Within-Between指數(shù)為指標(biāo)的風(fēng)電機(jī)組分組合理性判斷準(zhǔn)則;通過(guò)分組方案比選,建立分組流場(chǎng)特性數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)而提出基于分組流場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)CFD方法。算例研究表明:基于最優(yōu)分組方案的分組功率預(yù)測(cè)方法,在時(shí)間和空間尺度上大幅提高了單個(gè)組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性,為風(fēng)電場(chǎng)短期功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)提供支持。
【圖文】：

２００８邐２００９邐２０１０邐２０１１邐２０１２邐２０１３邐２０１４邐２０１５邐２０１６邐２０１７逡逑年份逡逑圖１－１邋２００８－２０１７年的全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容ｔ逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｇｌｏｂａｌ邋ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ邋ｆｒｏｍ邋２００８邋ｔｏ邋２０１７逡逑（ａ）累計(jì)裝機(jī)容量邐（ｂ）新增裝機(jī)容Ｓ逡逑（ａ）邋Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ邐（ｂ）邋Ｎｅｗ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ逡逑圖１－２邋２０１７年全球累計(jì)及新增風(fēng)電裝機(jī)容量國(guó)家分布逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｔｏｐ邋ｔｅｎ邋ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｈｉｇｈｅｓｔ邋ｎｅｗ邋ａｎｄ邋ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ逡逑１逡逑

第２章計(jì)及風(fēng)向不確定性的風(fēng)電場(chǎng)尾流場(chǎng)快速模擬逡逑流模型。Ｊｅｎｓｅｎ模型假設(shè)尾流影響區(qū)域直徑是線性擴(kuò)展的，，基于質(zhì)量，通過(guò)定義尾流衰減系數(shù)Ａ來(lái)表示尾流影響區(qū)域的線性擴(kuò)張，進(jìn)而實(shí)效應(yīng)的解析求解。Ｊｅｎｓｅｎ尾流模型所選取的控制體內(nèi)尾流速度分布如圖。逡逑邐
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM614

【參考文獻(xiàn)】

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8 朱

本文編號(hào)：2666567