技术领域
[0001] 本
发明属于风电功率优化控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于尾流效应的风电场优化控制方法。
背景技术
[0002] 随着传统
能源的不断减少，
风能作为一种可循环利用的能源越来越受到人们的关注。对于风资源的利用，最普遍的是利用风机进行发电，将风能转化为人们可以直接使用的
电能。在风电场中，当平稳的气流吹过风机
叶片带动
风力机转动，由于风力机的转动以及叶片的阻挡作用，在风力机下风向产生尾流效应。在尾流区域，所产生的
湍流、
涡流等现象，会影响下游风
电机组的发电量以及降低风电机组的使用寿命，若控制不当，不仅降低风资源利用率，也会使得风电场的整体效益降低。
[0003] 研究风力机尾流效应的方法，通常有两种不同的方向。一种是根据实验数据得出的半经验尾流模型，在不考虑湍流等影响因素的情况下，认为风机尾流区域是按照线性向外扩张，建立了Jensen模型和Lissaman模型。一种是基于N-S方程的CFD(Computational Fluid Dynamics)尾流模拟计算，该方法考虑了实际情况下的湍流等空气流动因素，可以较为精确地计算出风力机尾流风速分布情况，但是计算量非常大，对计算速度要求很高。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种基于尾流效应的风电场优化控制方法，在某一风向下，对风电场风力机串行分布的机组，通过控制风力机推力系数来提高风电场的输出功率。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明一种基于尾流效应的风电场优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006] (1)、基于Jensen尾流模型，计算第i台风力机距离风力机后方x处的尾流风速[0007]
[0008] 其中，R为风力机的风轮半径， 为第i台风力机的推力系数，v1表示第一台风力机处的风速，k为尾流下降系数；
[0009] (2)、根据风力机尾流特性，建立风力机尾流速度
叠加模型；
[0010]
[0011] 其中，vn表示第n台风力机处的风速，γ(n,i)表示第i台风力机对下游第n台风力机的尾流影响因数；
[0012] (3)、利用数值拟合方法将第i台风力机推力系数和
风能利用系数进行拟合；
[0013]
[0014] 其中，c1、c2、c3、c4、c5为风能利用系数；
[0015] (4)、建立风力机输出功率模型；
[0016] (4.1)、将 代入风力机尾流风速叠加模型中，得到：
[0017]
[0018] 其中，vi表示第i台风力机处的风速，表示第i台风力机与第n台风力机之间的距离；
[0019] (4.2)、当风电场所有风力机正常工作时，则风电场第n台风力机的输出功率Pn为：
[0020]
[0021] 其中， 表示第n台风力机的机推力系数和风能利用系数进行拟合后的系数；ρ表示空气
密度；S表示风力机
叶轮面积；
[0022] (5)、通过改变风力机推力系数来获取风电场优化控制输出模型；
[0023] 在某一风向下，设风电场有n台风力机为串行分布，改变第一台风力机的推力系数按照公式(5)计算第二台风力机的输出功率P2，并以此类推，直至改变到第n-1台风力机的推力系数 计算第n台风力机的输出功率Pn，再将n台风力机的输出功率进行求和，得到风电场优化控制输出模型：
[0024]
[0025] 本发明的发明目的是这样实现的：
[0026] 本发明一种基于尾流效应的风电场优化控制方法，基于Jensen尾流模型，分析尾流风速影响因素，最终确定风力机推力系数能够优化风力机的功率输出；具体讲，根据风力机尾流特性，建立风力机尾流速度叠加模型，再利用数值拟合方法对风力机的推力系数与风能利用系数进行数值拟合，并将拟合结果与Jensen尾流模型进行衔接，将风力机输出功率模型进行细化，得到其优化模型；本发明还可以利用
可视化方法检验不同风速下，加入控制优化
算法后，风电场输出总功率的变化情况，与自然状态下输出总功率进行对比，说明控制算法的有效性。
附图说明
[0027] 图1是本发明基于尾流效应的风电场优化控制方法
流程图；
[0028] 图2是本实施中求解尾流影响因子的模型示意图；
[0029] 图3是加入控制算法与自然状态下，3台风力机输出总功率对比示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会
淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0032] 图1是本发明基于尾流效应的风电场优化控制方法流程图。
[0033] 在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于尾流效应的风电场优化控制方法，包括以下步骤：
[0034] S1、基于Jensen尾流模型，计算第每一台风力机距离风力机后方x处的尾流风速[0035]
[0036] 其中，R为风力机的风轮半径， 为第i台风力机的推力系数，v1表示第一台风力机处的风速，k为尾流下降系数；
[0037] 下面结合Jensen尾流模型，分析影响风力机尾流速度的因素，影响风力机尾流风速的因素有第一台风力机处的风速v1，风力机的推力系数Ct，风力机的风轮半径R，风力机后方距离x；其中，通过实验可以确定风力机的推力系数是影响风力机尾流风速的重要因素，我们在后续步骤中进一步的验证。
[0038] S2、根据风力机尾流特性，建立风力机尾流速度叠加模型；
[0039] 根据风力机尾流特性，下游风力机处在上游风力机的的尾流场中，会出现两种遮挡情况：一种是完全遮挡，一种是部分遮挡。
[0040] 当下游风力机部分处于上游风力机的尾流场中时，如图2所示，其中，图2(a)表示当R(x)≤X＜R(x)+R时，其遮挡面积模型表示为，
[0041]
[0042] 图2(b)表示当R(x)-X＜X＜R(x)时，其遮挡面积模型表示为，
[0043]
[0044] 其中，R(x)表示距离上游风力机x处的尾流半径，X1表示上游风力机尾流扩散切面圆心与阴影面积中线之间的距离，X表示上游风力机尾流扩散切面圆心与下游风力机风轮中心之间的
水平距离，H表示下游风力机风轮中心与两个圆相交点之间的垂直距离；
[0045] 尾流影响因数的表达式为：
[0046]
[0047] 其中：S阴影表示上游风力机尾流场对下游风力机叶轮的遮挡面积，S表示下游风力机的叶轮面积；
[0048] 因此，可以建立风力机尾流速度叠加模型，得到第n台风力机处的风速为vn：
[0049]
[0050] 其中，vn表示第n台风力机处的风速，γ(n,i)表示第i台风力机对下游第n台风力机的尾流影响因数；
[0051] S3、利用数值拟合方法将第i台风力机推力系数和风能利用系数进行拟合；
[0052]
[0053] 其中，c1、c2、c3、c4、c5为风能利用系数，其取值分别为：c1＝-0.6737，c2＝0.8535，c3＝-0.7952，c4＝1.054，c5＝-0.01134；
[0054] 在本实施例中，利用数值拟合方法进行拟合时，其拟合结果符合要求的评价标准为：
[0055] 计算和方差SSE：
[0056]
[0057] 计算均方根RMSE：
[0058]
[0059] 确定拟合系数R-square：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 其中，wi表示权值，yi表示原始的 数据，可以通过查询风机的出厂资料获取；y′i表示拟合后的 数据；
[0064] 当拟合系数的数值越接近于1，表示模型对数据的拟合效果越准确。随着多项式拟合阶数的增加，SSE和RMSE的数值呈减小趋势，R-square的数值越趋近于1。当拟合阶数增加到4阶时，再增加拟合阶数，这三个评价模型
质量的数值变化非常小，但是随着拟合阶数的增加，计算消耗的资源会越多，计算时间会增加，所取得的效果变化并不明显，故拟合模型最后选择4阶多项式拟合模型。
[0065] S4、建立风力机输出功率模型；
[0066] S4.1、将 代入风力机尾流风速叠加模型中，得到：
[0067]
[0068] 其中，vi表示第i台风力机处的风速，表示第i台风力机与第n台风力机之间的距离；
[0069] S4.2、当风电场所有风力机正常工作时，则风电场第n台风力机的输出功率Pn为：
[0070]
[0071] 其中， 表示第n台风力机的机推力系数和风能利用系数进行拟合后的系数，可以通过步骤S3拟合得到；ρ表示空气密度；S表示风力机叶轮面积；
[0072] S5、通过改变风力机推力系数来获取风电场优化控制输出模型；
[0073] 在某一风向下，设风电场有n台风力机为串行分布，改变第一台风力机的推力系数按照步骤S4.2所述方法计算第二台风力机的输出功率P2，改变第二台风力机的推力系数 按照公式(5)计算第三台风力机的输出功率P3，并以此类推，直至改变到第n-1台风力机的推力系数 计算第n台风力机的输出功率Pn，再将n台风力机的输出功率进行求和，得到风电场优化控制输出模型：
[0074]
[0075] 风力机的推力系数是在[0,1]区间进行变化，为了得到最优结果，利用Matlab
软件进行逐步计算，即将[0,1]区间划分成1000份，
精度为0.001，设第一台风力机的初始风速为v1，不加入控制时，风力机正常运转时一定速度对应相应的推力系数，此时以精度为0.001的步数，改变前n-1台风力机的推力系数，然后计算总输出功率，对比前面得到的数据是否达到最优，如果没有达到最优，则继续改变前n-1台风力机的推力系数，如果达到最大，则此时前n-1台风力机所对应的推力系数即为该风速下风力机最优控制系数。
[0076] S6、对比验证
[0077] 在本实施例中，风电场有3台风力机为串行分布；
[0078] S6.1、按照传统方法，基于Jensen尾流模型，计算3台风力机在不同风速下的输出总功率；
[0079] S6.2、按照本发明所述方法计算3台风力机在不同风速下的输出总功率；
[0080] S6.3、将两种方法计算的结果进行对比分析，检验加入控制和无控制状态下优化控
制模型的有效性；
[0081] 如图3所示，P1表示第一台风力机的输出功率，P2表示第二台风力机的输出功率，P3表示第三台风力机输出功率，Ptotal表示三台风力机输出功率总和。当风力机加入控制算法后，第一台风力机的输出功率相比于不加入控制算法会降低，但是第二台风力机和第三台风力机的输出功率会的得到提高，风电场的总输出功率会得到有效提高，尤其是在启动风速和额定风速之间，改变风力机的推力系数，总输出功率提高更加明显。
[0082] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于
本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的
权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
