原文出自 Energies 期刊

Deng, Z.; Xu, C.; Huo, Z.; Han, X.; Xue, F. Yaw Optimisation for Wind Farm Production Maximisation Based on a Dynamic Wake Model. Energies 2023, 16, 3932. https://doi.org/10.3390/en16093932

专栏简介

“新能源控制与工业智能”专栏由JMSE、Energies、Technologies 编委宋冬然副教授主持，专注于人工智能在新能源系统、工业控制方向的应用研究。

宋冬然 副教授

中南大学

中南大学自动化学院副教授、博士生导师，教育部学位中心论文评审专家、国家/广东/浙江自然科学基金项目评审专家，PCMP、JMSE、Energies、Technologies、Energy Engineering 等 SCI/EI 期刊编委。主持国家项目与企业课题多项，近5年科研合同经费800多万元，获授权国家发明专利18项、国际发明专利1项、软著1项。长期从事风电控制与优化、人工智能在新能源系统应用等方向研究，曾在明阳智能从事风能技术研发工作多年。参与编写外文专著1本，参与国家标准制定2项，以第一或通信作者在能源和电气领域国际权威 SCI 期刊发表论文50余篇，全球工程类学科前1% ESI 论文6篇。

引言

风力发电技术的应用对于解决气候变化、经济稳定和能源安全等问题至关重要，如何提高风能利用效率逐渐成为研究热点。尾流效应的存在使得下游风机的输出功率降低，通过尾流控制增加风电场功率输出受到广泛关注。尾流控制的方法主要有偏航控制、轴向诱导因子控制和浮式风机重定位控制。其中，偏航控制目前被认为是最有效的尾流控制方法，成为近年来尾流控制研究的主流。然而，当前大多数尾流模型是静态的，这意味着这些模型不能反映尾流随时间的变化过程，使得风电场仿真效果与实际状况存在误差。当前关于动态尾流模型的研究较少，且模型复杂度高，计算量大。因此，平衡低计算复杂度和高保真度的风电场动态尾流建模问题亟待解决。

此前，Energies 期刊上发表了一篇题为“Yaw Optimisation for Wind Farm Production Maximisation Based on a Dynamic Wake Model”的研究论文，该文根据动量守恒理论和后向差分法推导出一个计算复杂度较低，精度较高的动态尾流模型，并基于该模型从时变尾流的角度研究了基于偏航的风电场功率优化问题，提升了风电场功率优化控制的优化速度和精度。

研究内容

该文提出了一种基于动量守恒理论的动态尾流模型，并利用该模型研究了基于偏航的风电场功率优化问题。首先，详细介绍了考虑偏航的动态尾流模型。而后，对该模型进行了详细验证。最后，利用所提出的动态尾流模型对基于偏航的风电场功率优化问题进行探究。

具体来讲，如图1所示，首先针对控制体内的气流，根据动量守恒公式推导出关于风机单尾流的偏微分方程组，而后使用后向差分法将方程组进行离散化，最后参考 Jensen 模型设置的初始条件对方程组进行求解。此外，还采用超高斯模型对单尾流模型进行修正，以获取更高精度。对于多尾流的相互作用，采用基于转子的和方根法进行等效风速的计算。然后，对所提出的尾流模型的静态特性和动态特性分别进行验证，在验证静态特性时与 FLORIS 中的 Jensen 模型和高斯尾流模型进行对比，验证动态特性时与高精度仿真软件 SOWFA 的结果进行对比，均显示出良好的验证结果。最后，利用所提出的动态尾流模型分析尾流传播时滞对风电场偏航控制的影响，并以一个简单风电场为案例，对基于动态尾流模型的风电场偏航优化问题进行探究。

图1. 偏航风力机的尾流示意图。

实验结果

该文对动态尾流模型的静态特性和动态特性分别进行验证，结果表明：所提出的动态尾流模型的静态尾流分布接近于常见的面向控制的尾流模型 (即 Jensen 模型和高斯尾流模型) 的结果。同时，所提出的动态尾流模型模拟的尾流延迟过程接近高精度计算流体动力学软件 SOWFA 的模拟结果。随后，利用所提出的动态尾流模型探究风电场通过偏航优化提升发电量的效果，发现与基于静态尾流模型的功率优化不同，由于考虑到了尾流传播的时间滞后，风电场发电量提升效果与优化周期的长度密切相关。

图2. 实验结果 (部分)。

在未来，考虑尾流随时间变化的过程，可以探索更优异的优化方法来增加风电场的风能产出。该文还指出，通过所提出的动态尾流模型计算得到的下游风机的输出功率，与高精度仿真软件 SOWFA 的计算结果仍然存在一定误差，需要进一步研究和改进该尾流模型以提高其准确性。

Energies 期刊介绍

主编：Enrico Sciubba, University of Roma Sapienza, Italy

期刊主要关注能源动力工程研究相关各个领域的最新研究成果、工程技术开发以及能源政策经济管理。

2021 Impact Factor：3.252

2021 CiteScore：5.0

Time to First Decision：16 Days

Time to Publication：39 Days