[发明专利]风电场的尾流模拟方法、系统、控制装置及可读存储介质

说明书

本发明涉及风电场控制技术领域，具体提供一种风电场的尾流模拟方法、系统、控制装置及可读存储介质，旨在解决在进行风电场的尾流模拟时，兼顾计算速度的同时，如何获得更为准确的模拟结果。为此目的，本发明根据风电场的轮毂高度处的无扰动风速和无扰动总湍流强度，获取风电场的风切变因子，并根据风切变因子对风电场的边界条件进行修正，进一步应用修正后的边界条件和k‑ε‑f_P湍流模型对风电场进行尾流模拟。通过上述配置方式，本发明应用k‑ε‑f_P湍流模型进行风电场尾流模拟时考虑到了风切变对于风电场边界条件的影响，使得模拟的过程更符合风电场的实际情况，在确保计算速度的前提下，使得应用k‑ε‑f_P湍流模型对风电场进行尾流模拟结果的准确度更高。

技术领域

本发明涉及风电场控制技术领域，具体提供一种风电场的尾流模拟方法、系统、控制装置及可读存储介质。

背景技术

随着风电技术的发展，风能的开发利用也越来越广泛。在风电场的应用中，由于风电机组尾流的影响，会导致风电场中较大的能量损失，增加湍流强度，并有可能减小下游风电机组的疲劳寿命。因而，有必要对风电场中风电机组的尾流影响建立可靠的工程模型进行模拟。大涡模拟(LES，Large EddySimulation)和雷诺时均(RANS，Reynolds AverageNavier-Stokes)是两种主要的尾流模拟方法。大涡模拟旨在用非稳态Navier-Stokes(纳维叶-斯托克斯)方程来直接模拟大尺度涡，小尺度涡通过近似模型来考虑，其相比于直接模拟的方法，计算时长大大减小。但是因为计算成本仍然较高，距离应用于工程中还有较长的距离。雷诺时均方法凭借其计算成本低、应用范围广等特点，是目前工程中应用较为广泛的方法。

雷诺时均方法中应用较多的湍流模型，如标准k-ε湍流模型，是基于BouSsinesq(布辛涅司克)假设，只能预测各向同性湍流，无法描述风电机组尾流中存在的各向异性湍流。很多学者对标准湍流模型进行了改进，Apsley等人提出了一种替代标准k-ε湍流模型的立方形式的非线性涡流粘度模型(Non-Linear eddy viscositymodels，NLEVM)，该模型不是使用传统的Boussinesq假设，而是基于非线性应力-应变关系，将经验常数C_u变为依赖于流动的变量，模型中存在速度梯度的乘积。经过模拟测试发现，该非线性模型预测的风电机组尾流亏损更接近大涡模拟和实测结果，但是在高湍流水平下会出现数值不稳定的现象。

van der Laan等人对上述非线性化湍流模型进行了简化，忽略了应力-应变关系中的非线性项，并提出了k-ε-f_P湍流模型。该模型相比于k-ε可实现湍流模型更加简单，只需要校准常数C_R。van der Laan等人使用k-ε湍流模型对8个单台风电机组尾流进行了模拟计算，计算结果与大涡模拟和现场实测结果十分接近。其计算过程中，使用的初始场粗糙度是根据轮毂高度无扰动总湍流强度换算得到的，并非实际粗糙度。在换算时根据湍流强度计算得到的湍流动能公式是根据风洞试验推导得出的，而风洞试验的入流几乎可以看作是均匀入流，即入流风速随高度不发生变化。但是实际风电场和CFD(Computational FluidDynamics，计算流体力学)计算的初始场的风廓线都是带有风切变的，这与理论相违背。通过计算发现vander Laan文章中使用的单台风电机组算例风切变较小；同时，使用k-ε-f_P湍流模型计算其他风切变较大的风电机组尾流速度亏损时发现，计算结果与大涡模拟和现场实测结果相差较大。

相应地，本领域需要一种新的风电场尾流模拟方案来解决上述问题。

发明内容

为了克服上述缺陷，提出了本发明，以提供解决或至少部分地解决在进行风电场的尾流模拟时，兼顾计算速度的同时，如何获得更为准确的模拟结果。

在第一方面，本发明提供一种风电场的尾流模拟方法，所述方法包括：

根据所述风电场的轮毂高度处的无扰动风速和无扰动总湍流强度，获取所述风电场的风切变因子；