风电场风机尾流平均风速计算方法、装置、设备及介质与流程

1.本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风电场风机尾流平均风速计算方法、装置、设备及介质。


背景技术：

2.全球能源短缺和环境污染问题日益严重，风能作为一种重要的可再生能源，因其清洁环保的特点受到广泛关注。目前，我国风电装机容量逐年攀升，并呈现向深海域、大规模趋势发展的特点。风电场上游风机会对下游风机产生尾流干扰作用，降低下游风机的功率输出，大型风电场中这一现象更加突出。因此，在风电场前期规划设计阶段，需优化风电场多风机的微观选址，计算大量不同机组布置方案的风电场内机组尾流平均风速及发电量。
3.现有技术中，对风电场多风机尾流的计算通常针对特定入流风向，忽略了自然入流风向的不确定性和变化性。通过求解风电场中流体动力学方程计算多台风机的尾流干扰作用，计算量大，计算方法复杂，不适用于多种机组布置方案的风机尾流平均风速计算，无法快速确定风电场风机最优微观选址方案。


技术实现要素：

4.本发明提供一种风电场风机尾流平均风速计算方法、装置、设备及介质，旨在考虑风向不确定性的因素，可计算风向实时变化情况下风电场多风机交互影响的尾流平均风速。
5.为此，本发明的目的在于提出一种风电场风机尾流平均风速计算方法，包括：
6.获取风电场的入流风速数据、风向数据及风电场中所有风机的位置数据，并基于入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机；
7.按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机，依次计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速，和目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速；
8.基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速。
9.其中，基于入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机，包括：
10.基于极坐标形式确定风电场内每一风机的位置数据，将与极轴顺时针方向的夹角作为风向数据中的风向角；
11.以风向方向为正方向，构建直角坐标系，并在直角坐标系中确定风电场中每一风机的坐标信息；
12.按风机坐标信息中横坐标数据的数值大小进行排序，其中横坐标数值小于目标风
机位置横坐标数值的风机判定为目标风机的上游风机。
13.其中，按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机时，排序为1的风机不存在上游风机，将自然入流风速作为排序为1的风机的尾流平均风速，以计算排序大于等于2的风机的尾流平均风速。
14.其中，计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速包括：
15.利用jensen模型，计算每一上游风机对目标风机的尾流影响区域半径，并确定每一上游风机对目标风机的尾流影响区域面积；
16.获取目标风机上游风机的尾流平均风速，及目标风机与上游风机在入流风向上的投影距离，计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速。
17.其中，确定每一上游风机对目标风机的尾流影响区域面积时，若尾流影响区域面积为0，则对应上游风机对目标风机不存在尾流干扰作用。
18.其中，目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速时，基于偏尾流模型，通过尾流影响区域风速、尾流影响区域面积及目标风机的扫略面积，确定干扰风速。
19.其中，基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速时，基于尾流叠加模型，通过对应目标风机的每一上流风机的尾流平均风速、对应目标风机的每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速及自然入流风速，确定目标风机的尾流平均风速。
20.此外，本发明的目的还在于提出一种风电场风机尾流平均风速计算装置，包括：
21.数据获取模块，用于获取风电场的入流风速数据、风向数据及风电场中所有风机的位置数据，并基于入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机；
22.第一计算模块，用于按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机，依次计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速，和目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速；
23.第二计算模块，用于基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速。
24.本发明的目的还在于提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现如前述技术方案任一的方法。
25.本发明的目的还在于提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述技术方案的方法。
26.区别于现有技术，本发明提供的风电场风机尾流平均风速计算方法，根据实时入流风向对风电场风机的位置坐标进行更新，考虑风向不确定性的因素，可计算风向实时变化情况下风电场多风机交互影响的尾流平均风速，具有更强的实用性。本发明方法结合工程尾流模型、偏尾流模型、尾流叠加模型计算多台风机的尾流平均风速，考虑了风电场风机间多种复杂的尾流影响关系；本发明计算方法简单，计算量小，计算结果可为风电场微观选址提供参考，有利于优化风电场风机布局。
附图说明
27.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
28.图1是本发明提供的一种风电场风机尾流平均风速计算方法的流程示意图。
29.图2是本发明提供的一种风电场风机尾流平均风速计算方法中风电场坐标变换示意图。
30.图3是本发明提供的一种风电场风机尾流平均风速计算方法中上游风机尾流模型示意图。
31.图4是本发明提供的一种风电场风机尾流平均风速计算方法中上游风机对下游风机无尾流干扰情况下风机位置示意图。
32.图5是本发明提供的一种风电场风机尾流平均风速计算方法的逻辑示意图。
33.图6是本发明提供的一种风电场风机尾流平均风速计算装置的结构示意图。
34.图7是本发明提供的一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.下面参考附图描述本发明实施例的一种风电场风机尾流平均风速计算方法。
37.图1为本发明实施例所提供的一种风电场风机尾流平均风速计算方法的流程示意图。该方法的实现步骤如下：
38.步骤101：获取风电场的入流风速数据、风向数据及风电场中所有风机的位置数据，并基于入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机。
39.具体的，本发明中以极坐标形式确定风电场内每一风机的位置数据，将与极轴顺时针方向的夹角作为风向数据中的风向角。为了便于计算，风电场风机的位置的极坐标形式表示为(r，θ)，风向由与极轴顺时针方向的夹角表示为β。
40.以风向方向为正方向，构建直角坐标系，并在直角坐标系中确定风电场中每一风机的坐标信息。如图2所示，对风机的位置坐标进行变换，计算新坐标系下风机的位置坐标，更新后的风机位置坐标为：
41.x＝rcos(θ+β)
42.y＝rsin(θ+β)
43.按风机坐标信息中横坐标数据的数值大小进行排序，其中横坐标数值小于目标风机位置横坐标数值的风机判定为目标风机的上游风机。将所有风机更新后的x坐标值由小到大排序，并依次将风机记为1#、2#、
…
、n#，n为风电场中风机总数。
44.按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机时，排序为1的风机不存在上游风机，将自然入流风速作为排序为1的风机的尾流平均风速，以计算排序大于等于2的风机的尾流平均风速。x坐标值小于目标风机x坐标值的所有风机，都为该目标风机的上
游风机。
45.步骤102：按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机，依次计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速，和目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速。
46.利用更新后的风机位置坐标，结合工程尾流模型、偏尾流模型、尾流叠加模型，按照给定风机编号的大小，依次计算所有风机的尾流平均风速。1#风机的尾流平均风速为给定的自然入流风速，无需计算。其余目标风机的尾流平均风速按下述步骤计算，为便于理解，以目标风机编号为i进行说明。其中，i≥2。
47.首先利用工程尾流模型计算尾流影响区域风速，具体包括：
48.利用jensen模型，计算每一上游风机对目标风机的尾流影响区域半径，并确定每一上游风机对目标风机的尾流影响区域面积。
49.计算目标风机对应的每一台上游风机的尾流影响区域半径，共i-1台上游风机，公式表示为：
50.r
x
＝rm+kx
51.其中，r
x
为距离上游风机x处的尾流影响区域半径，rm为上游风机的叶片半径，k为入流风速衰减系数，x为上游风机和目标风机在风向上的直线距离，如图3中所示。
52.基于计算得到的尾流影响区域半径，进一步计算每一台上游风机对目标风机的尾流影响面积s
ij
，其中j为上游风机的编号，j＝1，2，
…
，i-1。若尾流影响面积为0，则该台上游风机对下游风机不存在尾流干扰作用，图4为上游风机对目标风机无尾流干扰的情况。
53.然后，获取目标风机上游风机的尾流平均风速，及目标风机与上游风机在入流风向上的投影距离，计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速。
54.上游风机j对目标风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速，公式表示为：
[0055][0056]
其中，vj为上游风机j的尾流平均风速，c
t
为自然入流风速推力系数，x
ij
为目标风机与上游风机在入流风向上的投影距离，v
ij
为目标风机在上游风机尾流影响区域内的尾流风速。
[0057]
目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速时，基于偏尾流模型，通过尾流影响区域风速、尾流影响区域面积及目标风机的扫略面积，确定干扰风速，公式表示为：
[0058]vij
＝v
ij
′
η+vj(1-η)
[0059][0060]
其中，v
ij
为上游风机j尾流干扰作用下的目标风机i的风速，vj为上游风机j的尾流平均风速，s
ij
为上游风机j对目标风机i的尾流影响面积，s为上游风机扫略面积。
[0061]
若上游风机对目标风机无尾流干扰，则v
ij
＝vj，即目标风机的平均尾流风速等于上游风机的平均尾流风速，上游风机j对目标风机i的尾流风速不产生影响。若下游风机风
轮扫略区域全部处于上游风机的尾流内，则v
ij
＝v
ij
。
[0062]
步骤103：基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速。
[0063]
重复上述计算，得到i-1台上游风机尾流干扰作用下目标风机i的尾流风速，利用尾流叠加模型，确定目标风机在多台上游风机尾流干扰作用下的尾流平均风速，计算公式为：
[0064][0065]
其中，vi为风机i的尾流平均风速，vj为上游风机j的尾流平均风速，v
wind
为自然入流风速。
[0066]
本发明整体计算逻辑如图5所示，利用上述方法，根据入流风向，优先计算上游风机的尾流平均风速，其次计算下游风机的尾流平均风速，最终得到风电场内全部风机的尾流平均风速。
[0067]
如图6所示，本发明还提供了一种风电场风机尾流平均风速计算装置300，包括：
[0068]
数据获取模块310，用于获取风电场的入流风速数据、风向数据及风电场中所有风机的位置数据，并基于入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机；
[0069]
第一计算模块320，用于按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机，依次计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速，和目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速；
[0070]
第二计算模块330，用于基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速。
[0071]
上述装置的实施过程与前述实施方式中的风电场风机尾流平均风速计算方法的实施方式相似甚至相同，此处不再赘述。
[0072]
为了实现实施例，本发明还提出一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行前述技术方案的风电场风机尾流平均风速计算方法中的各步骤。
[0073]
如图7所示，非临时性计算机可读存储介质包括指令的存储器810，接口830，指令可由根据风电场风机尾流平均风速计算处理器820执行以完成方法。可选地，存储介质可以是非临时性计算机可读存储介质，例如，非临时性计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0074]
为了实现实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的风电场风机尾流平均风速计算。
[0075]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0076]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0077]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0078]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，
″
计算机可读介质
″
可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0079]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0080]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0081]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机
可读取存储介质中。
[0082]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种风电场风机尾流平均风速计算方法，其特征在于，包括：获取风电场的入流风速数据、风向数据及风电场中所有风机的位置数据，并基于所述入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机；按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机，依次计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速，和目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速；基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速。2.根据权利要求1所述的风电场风机尾流平均风速计算方法，其特征在于，所述基于所述入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机，包括：基于极坐标形式确定风电场内每一风机的位置数据，将与极轴顺时针方向的夹角作为风向数据中的风向角；以风向方向为正方向，构建直角坐标系，并在所述直角坐标系中确定风电场中每一风机的坐标信息；按风机坐标信息中横坐标数据的数值大小进行排序，其中横坐标数值小于目标风机位置横坐标数值的风机判定为目标风机的上游风机。3.根据权利要求1所述的风电场风机尾流平均风速计算方法，其特征在于，所述按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机时，排序为1的风机不存在上游风机，将自然入流风速作为排序为1的风机的尾流平均风速，以计算排序大于等于2的风机的尾流平均风速。4.根据权利要求3所述的风电场风机尾流平均风速计算方法，其特征在于，所述计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速包括：利用jensen模型，计算每一上游风机对目标风机的尾流影响区域半径，并确定每一上游风机对目标风机的尾流影响区域面积；获取目标风机上游风机的尾流平均风速，及目标风机与上游风机在入流风向上的投影距离，计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速。5.根据权利要求4所述的风电场风机尾流平均风速计算方法，其特征在于，确定每一上游风机对目标风机的尾流影响区域面积时，若尾流影响区域面积为0，则对应上游风机对目标风机不存在尾流干扰作用。6.根据权利要求4所述的风电场风机尾流平均风速计算方法，其特征在于，所述目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速时，基于偏尾流模型，通过所述尾流影响区域风速、尾流影响区域面积及目标风机的扫略面积，确定所述干扰风速。7.根据权利要求6所述的风电场风机尾流平均风速计算方法，其特征在于，所述基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速时，基于尾流叠加模型，通过对应目标风机的每一上流风机的尾流平均风速、对应目标风机的每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速及自然入流风速，确定目标风机的尾流平均风速。
8.一种风电场风机尾流平均风速计算装置，其特征在于，包括：数据获取模块，用于获取风电场的入流风速数据、风向数据及风电场中所有风机的位置数据，并基于所述入流风向数据，对风电场内所有风机进行排序，确定与风电场内每一风机存在尾流作用的上游风机；第一计算模块，用于按照序号从小到大的顺序将对应序号的风机作为目标风机，依次计算目标风机的每一上游风机作用在尾流影响区域内的尾流影响区域风速，和目标风机在每台上游风机尾流干扰作用下的干扰风速；第二计算模块，用于基于风电场内目标风机在每一上游风机尾流干扰作用下的干扰风速和每一上游风机的尾流平均风速，确定风电场内每一目标风机的尾流平均风速。9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7中任一所述的方法。10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的方法。

技术总结
本发明提出一种风电场风机尾流平均风速计算方法、装置、设备及介质，该方法根据实时入流风向对风电场风机的位置坐标进行更新，考虑风向不确定性的因素，可计算风向实时变化情况下风电场多风机交互影响的尾流平均风速，具有更强的实用性。本发明方法结合工程尾流模型、偏尾流模型、尾流叠加模型计算多台风机的尾流平均风速，考虑了风电场风机间多种复杂的尾流影响关系；本发明计算方法简单，计算量小，计算结果可为风电场微观选址提供参考，有利于优化风电场风机布局。风电场风机布局。风电场风机布局。


技术研发人员：姚中原 陈怡静 李铮 郭小江 李佩宜 赵剑剑 孙栩 申旭辉 张钧阳 胡皓 彭程 车延博 李冬 于佳滨 季笑 田苗 张传承
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 华能国际电力江苏能源开发有限公司 华能国际电力江苏能源开发有限公司清洁能源分公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/15