涡量约束双高斯偏航尾流预测及偏航控制方法、装置、设备、介质及程序产品

本发明涉及风力发电，特别涉及涡量约束双高斯偏航尾流预测及偏航控制方法、装置、设备、介质及程序产品。

背景技术：

1、随着风电装机规模快速扩大，风电场内部尾流效应已经成为限制风电场整体发电效率的重要因素。上游风力机运行后会在其下游形成速度亏损和湍流增强区域，下游机组处于尾流区时入流风速降低、载荷波动增强，进而导致风电场总功率下降和结构疲劳增加。对于大型风电场，尾流损失通常具有显著的空间累积效应，因此准确、快速地预测风力机尾流速度分布是风电场布局优化、功率预测和实时控制的基础。

2、主动尾流控制尤其是偏航控制通过使上游风力机产生适度偏航，将尾流中心从下游风轮扫掠面积中偏移，从而提高风电场总发电量。该控制策略的工程应用高度依赖于能够准确描述偏航尾流偏转轨迹、速度亏损形态和尾流恢复过程的尾流模型。高保真数值模拟虽然能够解析复杂涡结构，但计算成本较高，难以满足风电场级实时优化和大量迭代计算的需求；传统解析模型计算效率高，但多数依赖经验偏转公式或单峰速度亏损假设，难以同时描述近尾流双峰分布、偏航诱导横向速度和远尾流恢复。

3、现有双高斯尾流模型通过叠加两个高斯分布项表征近尾流双峰速度亏损结构，相较单高斯模型能够更好描述风轮中心区域局部速度恢复和两侧亏损峰。然而，在偏航工况下，风轮横向气动载荷会在尾流中形成一对符号相反的流向涡结构，该涡对诱导的横向速度场是尾流偏转和速度重新分布的重要物理机制。现有解析模型通常存在以下不足：一是采用经验偏转关系而未将涡量输运结果与诱导速度直接耦合；二是同时使用涡量扩散方程和独立经验涡核增长式，可能造成扩散效应重复计算；三是采用带符号环量直接修正速度亏损幅值时，可能破坏正负偏航镜像工况的幅值对称性。

4、为此，亟需一种能够在保持解析模型高计算效率的基础上，将偏航诱导流向涡对的产生、输运、扩散和诱导速度闭合耦合至双高斯速度亏损模型，并对尾流中心线、扩张率和速度亏损幅值进行量纲一致修正的偏航尾流预测方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供涡量约束双高斯偏航尾流预测及偏航控制方法、装置、设备、介质及程序产品，通过将涡量输运方程得到的涡核环量和涡核宽度直接用于有限核高斯涡诱导速度计算，建立偏航载荷、流向涡对演化、尾流偏转、尾流扩张和速度亏损之间的闭合联系。其具体方案如下：

2、第一方面，本技术公开了一种涡量约束双高斯偏航尾流预测方法，包括：

3、获取目标风力机及来流环境的基础运行参数，并基于所述基础运行参数建立未施加涡量修正的双高斯尾流速度亏损基准模型；

4、基于偏航诱导横向气动载荷构建等效环量闭合关系，确定由偏航风轮产生的反向旋转叶尖涡对的初始环量尺度，并将所述初始环量尺度分配给沿竖向设置的两个符号相反的流向涡核；

5、构建由尾流剪切项和环境湍流项组成的涡黏性模型，求解所述流向涡核的涡量输运方程，并根据涡量场的截面积分和扩散方差分别确定各所述流向涡核沿下游方向变化的涡核环量和涡核宽度；

6、根据所述涡核环量和所述涡核宽度，利用有限核高斯涡模型确定尾流截面内的涡量诱导速度场；

7、利用所述双高斯尾流速度亏损基准模型对所述涡量诱导速度场中的横向诱导速度分量进行加权平均并沿下游方向积分，以修正尾流中心线位置、利用所述横向诱导速度分量的无量纲横向梯度修正尾流扩张系数、利用所述流向涡核的绝对值之和形成的无量纲环量幅值修正速度亏损幅值系数；

8、将修正后的尾流中心线位置、尾流扩张系数和速度亏损幅值系数代入所述双高斯尾流速度亏损基准模型，输出所述目标风力机下游任意截面的尾流速度分布。

9、可选的，所述基础运行参数至少包括：推力系数、偏航角、转子直径、转子半径、来流风速、环境湍流强度、轮毂高度以及尾流空间坐标；所述尾流空间坐标包括下游坐标、横向坐标和竖向坐标；所述获取目标风力机及来流环境的基础运行参数之后，还包括：对不同量纲的所述基础运行参数进行统一单位化处理。

10、可选的，双高斯尾流速度亏损基准模型通过两个高斯分布项叠加以表征偏航状态下近尾流区域的双峰速度亏损分布，且模型输出为以来流风速归一化的速度亏损；所述双高斯尾流速度亏损基准模型的表达式为：

11、；其中，为空间点处的归一化速度亏损，为来流风速，为空间点处的实际风速，为幅值系数，为自然指数函数，和分别表示对应和的两个高斯分布项；

12、，

r为归一化径向距离，为与初始尾流尺寸相关的特征半径，和分别为横向和竖向尾流宽度；

13、；

y为所述尾流空间坐标中的横向坐标，为总尾流中心线横向位置，

z为所述尾流空间坐标中的竖向坐标，为所述轮毂高度；

14、；

m、

n、

s为幅值求解的中间变量，其中：

15、；

16、；

17、；

18、为误差函数；为所述推力系数，

d为所述转子直径，

γ为所述偏航角，

x为所述尾流空间坐标中的下游坐标。

19、可选的，所述反向旋转叶尖涡对的初始环量尺度的计算式为：

20、；

21、；

22、其中：为风轮后方特征速度亏损，为所述来流风速，为所述推力系数，

γ为所述偏航角，为所述初始环量尺度，

r为所述转子半径，为无量纲等效环量闭合系数；

23、相应的，所述流向涡核的初始环量分别为：，；其中，所述流向涡核的中心分别位于轮毂高度上方和下方，并共享沿下游方向变化的尾流中心线横向位置。

24、可选的，所述涡黏性模型的表达式为：；其中，为截面等效湍流黏性，为混合长度，为混合长度初始值，为混合长度增长率，

x为尾流空间坐标中的下游坐标；

u为平均流速，

y为所述尾流空间坐标中的横向坐标，为在尾流加权区域内的速度亏损加权平均算子，为环境湍流涡黏性系数，为来流风速，

d为转子直径，为所述环境湍流强度；

25、所述涡量输运方程为：；其中，为第

i个流向涡核的流向涡量，为局部对流速度，为尾流截面拉普拉斯算子，为无量纲涡量耗散系数；

26、各所述流向涡核沿下游方向变化的涡核环量为：；

27、各所述流向涡核沿下游方向变化的涡核宽度为：；

28、其中，为第

i个涡核对应的积分区域，为初始涡核宽度，为涡量修正的起始下游位置。

29、可选的，所述有限核高斯涡模型的计算式为：；为计算点至第

i个涡核中心的距离；

30、所述涡量诱导速度场的计算式为：；

31、相应的，利用有限核高斯涡模型确定尾流截面内的涡量诱导速度场之后，还包括：将所述涡量诱导速度场分解为横向诱导速度分量和竖向诱导速度分量；其中，所述横向诱导速度分量为：，所述竖向诱导速度分量为：；

z为尾流空间坐标中的竖向坐标，

y为所述尾流空间坐标中的横向坐标。

32、可选的，所述横向诱导速度分量的速度亏损加权平均值为：；修正后的尾流中心线位置为：；其中，为满足的尾流加权区域，

η为0～1之间的预设阈值，为双高斯基准归一化速度亏损，为该截面内的最大值，为基准尾流中心线位置。

33、可选的，定义所述无量纲横向梯度为：；定义所述无量纲环量幅值为：；所述无量纲环量幅值由流向涡核的环量和的绝对值确定，以使正偏航和负偏航镜像工况具有相同的速度亏损幅值修正量；

34、修正后的尾流扩张系数为：；

35、修正后的速度亏损幅值系数为：；

36、其中，和为无量纲修正系数，为基准尾流扩张系数，为基准速度亏损幅值系数。

37、可选的，所述将修正后的尾流中心线位置、尾流扩张系数和速度亏损幅值系数代入所述双高斯尾流速度亏损基准模型之后，还包括：

38、将所述尾流速度分布转化为下游风力机风轮扫掠面上的平均入流速度，并用于下游风力机功率估计、下游风力机等效入流修正、尾流相互作用分析、尾流规避控制、功率协调控制、偏航角优化、风电场布局优化或风电场级发电功率优化。

39、第二方面，本技术公开了一种风力机偏航控制方法，包括：

40、利用前述的涡量约束双高斯偏航尾流预测方法预测多个候选偏航角对应的下游风轮的平均入流速度和风电场功率；

41、基于所述平均入流速度和所述风电场功率，根据预设功率目标、载荷约束或所述预设功率目标与所述载荷约束的组合确定目标偏航角；

42、向目标风力机的偏航执行机构输出与所述目标偏航角对应的控制指令。

43、第三方面，本技术公开了一种涡量约束双高斯偏航尾流预测装置，包括：

44、参数获取模块，用于获取目标风力机及来流环境的基础运行参数；

45、双高斯基准模型构建模块，用于基于所述基础运行参数建立未施加涡量修正的双高斯尾流速度亏损基准模型；

46、涡对初始化模块，用于基于偏航诱导横向气动载荷构建等效环量闭合关系，确定由偏航风轮产生的反向旋转叶尖涡对的初始环量尺度，并将所述初始环量尺度分配给沿竖向设置的两个符号相反的流向涡核；

47、涡量输运模块，用于构建由尾流剪切项和环境湍流项组成的涡黏性模型，求解所述流向涡核的涡量输运方程，并根据涡量场的截面积分和扩散方差分别确定各所述流向涡核沿下游方向变化的涡核环量和涡核宽度；

48、诱导速度计算模块，用于根据所述涡核环量和所述涡核宽度，利用有限核高斯涡模型确定尾流截面内的涡量诱导速度场；

49、修正模块，用于利用所述双高斯尾流速度亏损基准模型对所述涡量诱导速度场中的横向诱导速度分量进行加权平均并沿下游方向积分，以修正尾流中心线位置、利用所述横向诱导速度分量的无量纲横向梯度修正尾流扩张系数、利用所述流向涡核的绝对值之和形成的无量纲环量幅值修正速度亏损幅值系数；

50、输出模块，用于将修正后的尾流中心线位置、尾流扩张系数和速度亏损幅值系数代入所述双高斯尾流速度亏损基准模型，输出所述目标风力机下游任意截面的尾流速度分布。

51、第四方面，本技术公开了一种电子设备，包括存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，以实现前述方法的步骤。

52、第五方面，本技术公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述方法的步骤。

53、第六方面，本技术公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或指令被处理器执行时，实现前述方法的步骤。

54、本技术的有益效果为：涡量输运结果直接决定涡核环量和涡核宽度，避免涡扩散过程的重复经验设定；尾流中心线修正采用速度亏损加权诱导速度，降低截面选取对结果的影响；尾流扩张修正式采用无量纲诱导剪切，保证量纲一致；速度亏损幅值修正采用环量绝对值构造的偶对称量，保证正负偏航镜像一致性；在保留双高斯模型计算效率和近尾流双峰表征能力的同时，提高模型的物理闭合性和工程可实施性。