申请/专利权人：华北电力大学

申请日：2021-03-15

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN112949075B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F17/18

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.15#授权;2021.07.02#实质审查的生效;2021.06.11#公开

摘要：本发明公开了属于风力发电技术领域的一种计及风切变和塔影效应的风轮等效风速计算方法。包括以下步骤，步骤1：建立风切变效应计算模型；步骤2：建立塔影效应计算模型；步骤3：根据步骤1和步骤2的模型建立风切变和塔影效应联合计算模型；步骤4：基于等效功率原则，综合考虑风切变、塔影效应及风电机组运行特性，构建计及风切变和塔影效应的基于等效功率的风轮等效风速数学模型，并计算风轮瞬时等效风速和风轮平均等效风速。本发明提出的方法涵盖了实际功率控制偏差引起的功率损失，能够有效地反映不同功率控制阶段、实际控制效果下风轮等效风速的变化规律，更符合风电机组实际运行特性。

主权项：1.一种计及风切变和塔影效应的风轮等效风速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立风切变效应计算模型；所述步骤1具体如下：采用指数模型描述风切变效应为： 式中，VZ为距地面高度为Z处的平均风速；VH为轮毂高度处的平均风速；H为风电机组轮毂高度；α为风切变系数，受地表粗糙度的影响；计及风切变效应对风轮扫掠平面内风速空间分布的影响，公式1在极坐标系下表示为： 式中，r为叶素距风轮转轴的径向距离；θ为叶素方位角；Wws为风切变扰动系数，表征风切变效应对风轮扫掠平面内各点风速的影响程度；将风切变扰动系数采用带佩亚诺型余项的泰勒级数展开得： 式中，n为泰勒级数展开式的阶数；j＝1,2,…,n；对于三叶片风电机组，由于三叶片的对称分布，风切变效应引起气动转矩3p振荡，三阶泰勒级数展开反映风切变效应，之后各项影响较小，将其忽略；所以，在保留模型非线性特性的前提下用三阶泰勒级数展开来近似表示风切变扰动系数为： 步骤2：建立塔影效应计算模型；所述步骤2具体如下：塔影效应只影响风轮下半平面的风速空间分布，即叶片方位角θ∈90°,270°区域内，计及塔影效应，风轮下半平面任意一点的风速表示为：Vy,x＝VH+Vtsy,x＝VH[1+Wtsy,x]6 式中，Vts为塔影效应引起的风速波动值；y为叶素距风轮旋转轴线的水平距离，且y＝rsinθ，x为风轮扫略平面到塔架中心线的距离，a为塔架半径；Wts为塔影效应扰动系数，表征塔影效应对风轮下半平面空间各点风速的影响程度；V0为风轮扫掠平面内的空间平均风速，计算公式为： 式中，m为空间平均风速与轮毂高度风速比值，表征风轮扫掠平面内的空间平均风速与轮毂高度风速的差异程度；结合公式7和8，并代入公式6得到计及塔影效应的风轮下半平面各点风速及塔影效应扰动系数为： 步骤3：根据步骤1和步骤2的模型建立风切变和塔影效应联合计算模型；所述步骤3具体如下：风轮上半平面的风速，即叶片方位角在θ∈0°,90°和θ∈270°,360°区域内任意一点的风速表示为： 风轮下半平面的风速，即叶片方位角在θ∈90°,270°区域内的任意一点的风速表示为： 由于Wwsr,θWtsr,θ,x项数值极小，忽略不计，故简化为：Vr,θ,x≈VH[1+Wwsr,θ+Wtsr,θ,x]13将公式4和10代入公式13可得： 步骤4：基于等效功率原则，综合考虑风切变、塔影效应及风电机组运行特性，构建计及风切变和塔影效应的基于等效功率的风轮等效风速数学模型，并计算风轮瞬时等效风速和风轮平均等效风速；所述步骤4具体如下：风电机组输出的机械功率和机械转矩为： 式中，V为轮毂高度风速，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，R为风轮半径；β为桨距角；λ为叶尖速比，Ω为风轮转速；CPλ,β为轮毂高度风速对应的风能利用系数，不超过0.593；对于三叶片水平轴风电机组，风速产生的气动转矩定义为： 式中，r0为轮毂半径，ψr为气动转矩影响系数，其经验公式为：ψr＝kr18式中，k为气动转矩影响系数与叶素径向距离的比例系数；由于风轮等效风速对风电机组的作用效果与实际风速一致，基于等效功率原则，用等效风速Veqθ替代实际风轮平面内各点的风速Vr,θ，代入式17得： 定义ΔV＝Veqθ-V0，由于轮毂半径r0远小于风轮半径R，忽略不计，计算得： 将转矩计算公式16在V0,λ0处进行偏微分线性化得： 式中，λ0为风轮空间平均风速V0对应的叶尖速比；β0为风轮空间平均风速V0对应的桨距角；CPλ0,β0为风轮平均风速V0对应的风能理应系数；结合式20和式21得： 将式22和式23代入式17得到风轮气动转矩计算公式为： 将式11代入式24得风轮上半平面气动转矩计算公式为： 将式14代入式24得风轮下半平面气动转矩计算公式为： 对于三叶片风电机组，叶片方位角对应关系为：θ1＝θ，则： 由于轮毂半径r0远小于风轮半径R，忽略不计，故得到风轮平面各点的气动转矩为： 风轮吸收的瞬时机械功率为：Pθ＝TθΩ29由式28可知，风轮吸收的瞬时机械功率随叶片方位角的改变而周期性变化，在风轮整个扫掠平面内求取平均机械功率为： 基于等效功率原则的风轮机械功率表示为： 结合式28、式29和式31，得到计及风切变和塔影效应的基于等效功率的风轮瞬时等效风速为： 结合式30和式31，得到计及风切变和塔影效应的基于等效功率的风轮平均等效风速为：

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