风电场边界层湍流垂向动量通量预测及发电量评估方法技术

本发明专利技术中风电场边界层湍流垂向动量通量预测及发电量评估方法，包括：获取风电场内平均风速及大气边界层高度；基于平均风速，计算风电场等效摩擦速度；基于等效摩擦速度及大气边界层高度，采用风电场边界层湍流垂向动量通量预测模型，对风电场边界层湍流垂向动量通量进行预测，同时基于风电场边界层湍流垂向动量通量进行风电场发电量评估。本发明专利技术仅通过获取风电场区域内风轮下方平均风速以及大气边界层的高度，并在此基础上计算风电场的等效摩擦速度，就可以通过预先构建的模型快速、简单、准确地预测湍流垂向动量通量，与现有方法相比，提高了湍流垂向动量通量的计算效率，降低了计算成本，也提高了风电场发电量评估的准确性和计算效率。

【技术实现步骤摘要】
风电场边界层湍流垂向动量通量预测及发电量评估方法
本专利技术属于风电场规划设计领域，具体涉及风电场边界层湍流垂向动量通量预测及发电量评估方法。
技术介绍
准确预测风电场大气边界层湍流的垂向动量通量，对不同排布方案下风电场发电量评估及中尺度天气预报研究具有重要的意义。大型风电场与大气边界层发生强烈相互作用，导致大气边界层原有的动量平衡被打破，湍流的垂向动量通量被显著改变。目前，主要通过大涡模拟(LargeEddySimulation：LES)、Reynolds平均方法(ReynoldsAverageNavier-Stokes：RANS)等数值模拟方法对风电场边界层垂向动量通量进行计算，但该方法需要使用专业的软件或代码，设置复杂，计算时间长。因此，如何快速、简单、准确地计算出风电场边界层的湍流垂向动量通量是本领域技术人员目前需要解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了快速、简单、准确地计算出风电场边界层的湍流垂向动量通量，本专利技术提供了一种风电场边界层湍流垂向动量通量预测方法，所述方法包括：获取风电场区域内风轮下方至少两个不同设定高度处的平均风速以及所述风电场大气边界层的高度；基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度；基于所述等效摩擦速度以及所述风电场大气边界层的高度，采用预先构建的风电场边界层湍流垂向动量通量预测模型，对所述风电场边界层不同高度处的湍流垂向动量通量进行预测。优选地，风电场边界层湍流垂向动量通量预测模型如下所示：其中，为风电场边界层湍流垂向动量通量，u*hi为风电场的等效摩擦速度，δ为大气边界层的高度，z为拟计算风电场边界层湍流垂向动量通量的高度。优选地，平均风速为两个不同设定高度处的平均风速，“基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度”的步骤具体包括：基于所述两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的地面摩擦速度和地面粗糙度；基于所述地面摩擦速度和地面粗糙度，计算所述风电场的等效摩擦速度。优选地，平均风速为两个以上不同设定高度处的平均风速，“基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度”的步骤具体包括：基于所述两个以上不同设定高度处的平均风速中的任意两个，计算所述风电场的地面摩擦速度和地面粗糙度；基于所述地面摩擦速度和地面粗糙度，计算所述风电场的等效摩擦速度；求取多个等效摩擦速度的平均值，作为所述风电场的最终等效摩擦速度。优选地，风电场的地面摩擦速度和地面粗糙度计算式如下：其中，z1为选取的第一设定高度，z2为选取的第二设定高度，z0,lo为地面粗糙度，u*lo为地面摩擦速度，κ为卡门常数，为第一设定高度处的平均风速，为第二设定高度处的平均风速。优选地，“基于所述地面摩擦速度和地面粗糙度，计算所述风电场的等效摩擦速度”的步骤具体包括：基于所述地面粗糙度，计算所述风电场的等效粗糙度；基于所述地面摩擦速度和风电场的等效粗糙度，计算所述风电场的等效摩擦速度。优选地，风电场的等效粗糙度的计算式如下：其中，z0,hi为风电场的等效粗糙度，zh为风电机组的轮毂高度，D为风轮直径，κ为卡门常数，νw*是等效涡粘系数，sx为风电机组流向间距相对风轮直径的无量纲参数，sy为风电机组展向间距相对风轮直径的无量纲参数，Ct是风轮的推力系数，α是修正系数。优选地，风电场的等效摩擦速度的计算式如下：其中，u*hi为风电场的等效摩擦速度，u*lo为风电场的地面摩擦速度，zh为风电机组的轮毂高度，z0,hi为风电场的等效粗糙度，νw*是等效涡粘系数，D为风轮直径。优选地，前述任意一项的方法中风电场区域内风轮下方至少两个不同设定高度处的平均风速通过测风激光雷达或测风塔获取。基于同一构思，本专利技术提供了一种风电场发电量评估方法，包括：通过前述任一项的方法计算不同排布方案下风电场选定高度处的湍流垂向动量通量；所述选定高度的取值范围为风电机组轮毂上方1D～5D，其中，D为风电机组风轮直径；基于风电场的等效摩擦速度和等效粗糙度，计算所述选定高度处的平均风速；基于各排布方案下风电场选定高度处的湍流垂向动量通量和所述选定高度处的平均风速，计算各排布方案下风电场边界层向风电场输送的动能；基于各排布方案下风电场边界层向风电场输送的动能，确定各排布方案下风电场的发电量相对大小。优选地，选定高度处的平均风速计算式如下：其中，zt为选定高度，为选定高度处的平均风速，u*hi为风电场的等效摩擦速度，z0,hi为风电场的等效粗糙度，κ为卡门常数。优选地，风电场边界层向风电场输送的动能计算式如下：其中，Φ为风电场边界层向风电场输送的动能，为选定高度处的湍流垂向动量通量，为选定高度处的平均风速。与最接近的现有技术相比，上述技术方案至少具有如下有益效果：本专利技术提供的一种风电场边界层湍流垂向动量通量预测方法，包括以下步骤：获取风电场区域内风轮下方至少两个不同设定高度处的平均风速以及所述风电场大气边界层的高度；基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度；基于所述等效摩擦速度以及所述风电场大气边界层的高度，采用预先构建的风电场边界层湍流垂向动量通量预测模型，对所述风电场边界层不同高度处的湍流垂向动量通量进行预测。基于上述步骤，本专利技术仅通过获取风电场区域内至少两个不同设定高度处的平均风速以及风电场大气边界层的高度，并在此基础上计算风电场的等效摩擦速度，就可以通过预先构建的模型快速、简单、准确地预测风电场边界层的湍流垂向动量通量，与现有数值模拟方式计算风电场边界层的湍流垂向动量通量的方法相比，大大提高了风电场边界层的湍流垂向动量通量的计算效率，降低了计算成本。基于上述风电场边界层湍流垂向动量通量预测方法计算不同排布方案下风电场选定高度处的湍流垂向动量通量，并基于各排布方案下风电场选定高度处的湍流垂向动量通量，确定各排布方案下风电场发电量的相对大小，通过此方法可以快捷有效的实现对不同横、纵向间距的风电场的发电量评估，与现有的通过经验估计横、纵向间距的方法相比，该方法更加准确。附图说明图1为本专利技术提供的一种风电场边界层湍流垂向动量通量预测方法示意图；图2为本专利技术提供的一种风电场发电量评估方法示意图；图3为本专利技术实施例中A类算例大涡模拟的垂向动量通量示意图；图4为本专利技术实施例中B类算例大涡模拟的垂向动量通量示意图；图5为本专利技术实施例中C类算例大涡模拟的垂向动量通量示意图；图6为本专利技术实施例中A类算例模型预测与大涡模拟结果的对比；图7为本专利技术实施例中B类算例模型预测与大涡模拟结果的对比；图8为本专利技术实施例中C类算例模型预测与大涡模拟结果的对比。...

【技术保护点】
1.一种风电场边界层湍流垂向动量通量预测方法，其特征在于，所述方法包括：/n获取风电场区域内风轮下方至少两个不同设定高度处的平均风速以及所述风电场大气边界层的高度；/n基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度；/n基于所述等效摩擦速度以及所述风电场大气边界层的高度，采用预先构建的风电场边界层湍流垂向动量通量预测模型，对所述风电场边界层不同高度处的湍流垂向动量通量进行预测。/n

【技术特征摘要】
1.一种风电场边界层湍流垂向动量通量预测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取风电场区域内风轮下方至少两个不同设定高度处的平均风速以及所述风电场大气边界层的高度；
基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度；
基于所述等效摩擦速度以及所述风电场大气边界层的高度，采用预先构建的风电场边界层湍流垂向动量通量预测模型，对所述风电场边界层不同高度处的湍流垂向动量通量进行预测。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风电场边界层湍流垂向动量通量预测模型如下所示：



其中，为风电场边界层湍流垂向动量通量，u*hi为风电场的等效摩擦速度，δ为大气边界层的高度，z为拟计算风电场边界层湍流垂向动量通量的高度。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平均风速为两个不同设定高度处的平均风速，
“基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度”的步骤具体包括：
基于所述两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的地面摩擦速度和地面粗糙度；
基于所述地面摩擦速度和地面粗糙度，计算所述风电场的等效摩擦速度；
或者，
所述平均风速为两个以上不同设定高度处的平均风速，
“基于所述至少两个不同设定高度处的平均风速，计算所述风电场的等效摩擦速度”的步骤具体包括：
基于所述两个以上不同设定高度处的平均风速中的任意两个，计算所述风电场的地面摩擦速度和地面粗糙度；
基于所述地面摩擦速度和地面粗糙度，计算所述风电场的等效摩擦速度；
求取多个等效摩擦速度的平均值，作为所述风电场的最终等效摩擦速度。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述风电场的地面摩擦速度和地面粗糙度计算式如下：






其中，z1为选取的第一设定高度，z2为选取的第二设定高度，z0,lo为地面粗糙度，u*lo为地面摩擦速度，κ为卡门常数，为第一设定高度z1处的平均风速，为第二设定高度z2处的平均风速。


5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，“基于所述地面摩擦速度和地面粗糙度，计算所述风电场的等效摩擦速度”的步骤具体包括：
基...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛铭纬，张欢，杨昊泽，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11