本發(fā)明屬于風電功率優(yōu)化控制技術(shù)領域，更為具體地講，涉及一種基于尾流效應的風電場優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

隨著傳統(tǒng)能源的不斷減少，風能作為一種可循環(huán)利用的能源越來越受到人們的關注。對于風資源的利用，最普遍的是利用風機進行發(fā)電，將風能轉(zhuǎn)化為人們可以直接使用的電能。在風電場中，當平穩(wěn)的氣流吹過風機葉片帶動風力機轉(zhuǎn)動，由于風力機的轉(zhuǎn)動以及葉片的阻擋作用，在風力機下風向產(chǎn)生尾流效應。在尾流區(qū)域，所產(chǎn)生的湍流、渦流等現(xiàn)象，會影響下游風電機組的發(fā)電量以及降低風電機組的使用壽命，若控制不當，不僅降低風資源利用率，也會使得風電場的整體效益降低。

研究風力機尾流效應的方法，通常有兩種不同的方向。一種是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出的半經(jīng)驗尾流模型，在不考慮湍流等影響因素的情況下，認為風機尾流區(qū)域是按照線性向外擴張，建立了jensen模型和lissaman模型。一種是基于n-s方程的cfd(computationalfluiddynamics)尾流模擬計算，該方法考慮了實際情況下的湍流等空氣流動因素，可以較為精確地計算出風力機尾流風速分布情況，但是計算量非常大，對計算速度要求很高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于尾流效應的風電場優(yōu)化控制方法，在某一風向下，對風電場風力機串行分布的機組，通過控制風力機推力系數(shù)來提高風電場的輸出功率。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種基于尾流效應的風電場優(yōu)化控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、基于jensen尾流模型，計算第i臺風力機距離風力機后方x處的尾流風速

其中，r為風力機的風輪半徑，為第i臺風力機的推力系數(shù)，v1表示第一臺風力機處的風速，k為尾流下降系數(shù)；

(2)、根據(jù)風力機尾流特性，建立風力機尾流速度疊加模型；

其中，vn表示第n臺風力機處的風速，γ(n,i)表示第i臺風力機對下游第n臺風力機的尾流影響因數(shù)；

(3)、利用數(shù)值擬合方法將第i臺風力機推力系數(shù)和風能利用系數(shù)進行擬合；

其中，c1、c2、c3、c4、c5為風能利用系數(shù)；

(4)、建立風力機輸出功率模型；

(4.1)、將代入風力機尾流風速疊加模型中，得到：

其中，vi表示第i臺風力機處的風速，表示第i臺風力機與第n臺風力機之間的距離；

(4.2)、當風電場所有風力機正常工作時，則風電場第n臺風力機的輸出功率pn為：

其中，表示第n臺風力機的機推力系數(shù)和風能利用系數(shù)進行擬合后的系數(shù)；ρ表示空氣密度；s表示風力機葉輪面積；

(5)、通過改變風力機推力系數(shù)來獲取風電場優(yōu)化控制輸出模型；

在某一風向下，設風電場有n臺風力機為串行分布，改變第一臺風力機的推力系數(shù)按照公式(5)計算第二臺風力機的輸出功率p2，并以此類推，直至改變到第n-1臺風力機的推力系數(shù)計算第n臺風力機的輸出功率pn，再將n臺風力機的輸出功率進行求和，得到風電場優(yōu)化控制輸出模型：

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明一種基于尾流效應的風電場優(yōu)化控制方法，基于jensen尾流模型，分析尾流風速影響因素，最終確定風力機推力系數(shù)能夠優(yōu)化風力機的功率輸出；具體講，根據(jù)風力機尾流特性，建立風力機尾流速度疊加模型，再利用數(shù)值擬合方法對風力機的推力系數(shù)與風能利用系數(shù)進行數(shù)值擬合，并將擬合結(jié)果與jensen尾流模型進行銜接，將風力機輸出功率模型進行細化，得到其優(yōu)化模型；本發(fā)明還可以利用可視化方法檢驗不同風速下，加入控制優(yōu)化算法后，風電場輸出總功率的變化情況，與自然狀態(tài)下輸出總功率進行對比，說明控制算法的有效性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于尾流效應的風電場優(yōu)化控制方法流程圖；

圖2是本實施中求解尾流影響因子的模型示意圖；

圖3是加入控制算法與自然狀態(tài)下，3臺風力機輸出總功率對比示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。

實施例

圖1是本發(fā)明基于尾流效應的風電場優(yōu)化控制方法流程圖。

在本實施例中，如圖1所示，本發(fā)明一種基于尾流效應的風電場優(yōu)化控制方法，包括以下步驟：

s1、基于jensen尾流模型，計算第每一臺風力機距離風力機后方x處的尾流風速

其中，r為風力機的風輪半徑，為第i臺風力機的推力系數(shù)，v1表示第一臺風力機處的風速，k為尾流下降系數(shù)；

下面結(jié)合jensen尾流模型，分析影響風力機尾流速度的因素，影響風力機尾流風速的因素有第一臺風力機處的風速v1，風力機的推力系數(shù)ct，風力機的風輪半徑r，風力機后方距離x；其中，通過實驗可以確定風力機的推力系數(shù)是影響風力機尾流風速的重要因素，我們在后續(xù)步驟中進一步的驗證。

s2、根據(jù)風力機尾流特性，建立風力機尾流速度疊加模型；

根據(jù)風力機尾流特性，下游風力機處在上游風力機的的尾流場中，會出現(xiàn)兩種遮擋情況：一種是完全遮擋，一種是部分遮擋。

當下游風力機部分處于上游風力機的尾流場中時，如圖2所示，其中，圖2(a)表示當r(x)≤x＜r(x)+r時，其遮擋面積模型表示為，

圖2(b)表示當r(x)-x＜x＜r(x)時，其遮擋面積模型表示為，

其中，r(x)表示距離上游風力機x處的尾流半徑，x1表示上游風力機尾流擴散切面圓心與陰影面積中線之間的距離，x表示上游風力機尾流擴散切面圓心與下游風力機風輪中心之間的水平距離，h表示下游風力機風輪中心與兩個圓相交點之間的垂直距離；

尾流影響因數(shù)的表達式為：

其中：s陰影表示上游風力機尾流場對下游風力機葉輪的遮擋面積，s表示下游風力機的葉輪面積；

因此，可以建立風力機尾流速度疊加模型，得到第n臺風力機處的風速為vn：

其中，vn表示第n臺風力機處的風速，γ(n,i)表示第i臺風力機對下游第n臺風力機的尾流影響因數(shù)；

s3、利用數(shù)值擬合方法將第i臺風力機推力系數(shù)和風能利用系數(shù)進行擬合；

其中，c1、c2、c3、c4、c5為風能利用系數(shù)，其取值分別為：c1＝-0.6737，c2＝0.8535，c3＝-0.7952，c4＝1.054，c5＝-0.01134；

在本實施例中，利用數(shù)值擬合方法進行擬合時，其擬合結(jié)果符合要求的評價標準為：

計算和方差sse：

計算均方根rmse：

確定擬合系數(shù)r-square：

其中，wi表示權(quán)值，yi表示原始的數(shù)據(jù)，可以通過查詢風機的出廠資料獲??；y′i表示擬合后的數(shù)據(jù)；

當擬合系數(shù)的數(shù)值越接近于1，表示模型對數(shù)據(jù)的擬合效果越準確。隨著多項式擬合階數(shù)的增加，sse和rmse的數(shù)值呈減小趨勢，r-square的數(shù)值越趨近于1。當擬合階數(shù)增加到4階時，再增加擬合階數(shù)，這三個評價模型質(zhì)量的數(shù)值變化非常小，但是隨著擬合階數(shù)的增加，計算消耗的資源會越多，計算時間會增加，所取得的效果變化并不明顯，故擬合模型最后選擇4階多項式擬合模型。

s4、建立風力機輸出功率模型；

s4.1、將代入風力機尾流風速疊加模型中，得到：

其中，vi表示第i臺風力機處的風速，表示第i臺風力機與第n臺風力機之間的距離；

s4.2、當風電場所有風力機正常工作時，則風電場第n臺風力機的輸出功率pn為：

其中，表示第n臺風力機的機推力系數(shù)和風能利用系數(shù)進行擬合后的系數(shù)，可以通過步驟s3擬合得到；ρ表示空氣密度；s表示風力機葉輪面積；

s5、通過改變風力機推力系數(shù)來獲取風電場優(yōu)化控制輸出模型；

在某一風向下，設風電場有n臺風力機為串行分布，改變第一臺風力機的推力系數(shù)按照步驟s4.2所述方法計算第二臺風力機的輸出功率p2，改變第二臺風力機的推力系數(shù)按照公式(5)計算第三臺風力機的輸出功率p3，并以此類推，直至改變到第n-1臺風力機的推力系數(shù)計算第n臺風力機的輸出功率pn，再將n臺風力機的輸出功率進行求和，得到風電場優(yōu)化控制輸出模型：

風力機的推力系數(shù)是在[0,1]區(qū)間進行變化，為了得到最優(yōu)結(jié)果，利用matlab軟件進行逐步計算，即將[0,1]區(qū)間劃分成1000份，精度為0.001，設第一臺風力機的初始風速為v1，不加入控制時，風力機正常運轉(zhuǎn)時一定速度對應相應的推力系數(shù)，此時以精度為0.001的步數(shù)，改變前n-1臺風力機的推力系數(shù)，然后計算總輸出功率，對比前面得到的數(shù)據(jù)是否達到最優(yōu)，如果沒有達到最優(yōu)，則繼續(xù)改變前n-1臺風力機的推力系數(shù)，如果達到最大，則此時前n-1臺風力機所對應的推力系數(shù)即為該風速下風力機最優(yōu)控制系數(shù)。

s6、對比驗證

在本實施例中，風電場有3臺風力機為串行分布；

s6.1、按照傳統(tǒng)方法，基于jensen尾流模型，計算3臺風力機在不同風速下的輸出總功率；

s6.2、按照本發(fā)明所述方法計算3臺風力機在不同風速下的輸出總功率；

s6.3、將兩種方法計算的結(jié)果進行對比分析，檢驗加入控制和無控制狀態(tài)下優(yōu)化控制模型的有效性；

如圖3所示，p1表示第一臺風力機的輸出功率，p2表示第二臺風力機的輸出功率，p3表示第三臺風力機輸出功率，ptotal表示三臺風力機輸出功率總和。當風力機加入控制算法后，第一臺風力機的輸出功率相比于不加入控制算法會降低，但是第二臺風力機和第三臺風力機的輸出功率會的得到提高，風電場的總輸出功率會得到有效提高，尤其是在啟動風速和額定風速之間，改變風力機的推力系數(shù)，總輸出功率提高更加明顯。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術(shù)領域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。