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第1章 风电场微观尺度空气动力学概论1

1.1 风的形成动因1

1.1.1 大气环流1

1.1.2 季风环流9

1.1.3 局地环流10

1.2 风电场微观尺度空气动力学的尺度概念11

1.3 风电场微观尺度空气动力学研究内容12

1.3.1 风轮廓13

1.3.2 山地绕流13

1.3.3 风电机组尾流14

1.3.4 大气边界层热稳定性15

1.4 风电场微观尺度空气动力学的研究方法17

1.4.1 风电场空气动力场的测量17

1.4.2 风电场空气动力场数值模拟18

1.4.3 风电场运行数据分析与评估19

1.5 风电场微观尺度空气动力学研究意义20

参考文献21

第2章 风电场微观尺度空气动力场数学模型24

2.1 大气分层和风轮廓模型24

2.1.1 大气的分层和结构24

2.1.2 大气边界层方程25

2.2 风电场地形图处理与物理模型建立29

2.2.1 地形数字化29

2.2.2 复杂地形曲面建模29

2.3 风电场微观尺度空气动力学模型30

2.3.1 风电场CFD理论基础31

2.3.2 风电场CFD的边界条件36

2.3.3 METEODYN风电场流场模型42

2.4 中尺度大气动力学模型45

2.4.1 WRF模式介绍和运行步骤45

2.4.2 WRF模式控制方程组47

2.4.3 WRF模式边界层方案与计算设置50

2.5 风电场微观尺度与中尺度大气动力场耦合模型53

2.5.1 WRF模式网格嵌套方式53

2.5.2 CALMET介绍54

2.5.3 其他风电场中尺度-微尺度耦合计算模型57

参考文献59

第3章 风电机组尾流及其数值模拟61

3.1 风电机组尾流及其研究方法61

3.1.1 风电机组尾流对风电场的影响61

3.1.2 风电机组尾流研究现状62

3.2 半经验尾流模型64

3.2.1 理想风电机组后的尾流模型64

3.2.2 各模型比较74

3.3 风电机组诱导湍流的经验模型76

3.3.1 风电场湍流的基本概念76

3.3.2 尾流湍流的经验模型78

3.4 风电机组尾流的滑动网格数值模拟80

3.4.1 建模与网格划分82

3.4.2 结果分析与验证83

3.5 基于风轮平均风速的风电场致动盘模型86

3.5.1 理想风轮的一维动量理论86

3.5.2 致动盘与RANS方程87

3.5.3 致动盘区域辨识与体积修正88

3.5.4 致动盘湍流模型修正89

3.5.5 数值模拟90

3.6 基于致动线方法的尾流数值模拟95

3.6.1 致动线模型96

3.6.2 数值模拟与模型验证97

3.7 基于致动面方法的尾流数值模拟106

3.7.1 致动面模型106

3.7.2 数值模拟107

3.7.3 计算结果分析108

3.7.4 结论111

参考文献111

第4章 风电场空气动力场数值模拟114

4.1 复杂地形对空气动力场的影响114

4.1.1 山区风的水平分布和特点114

4.1.2 山丘、山脊地形对风电场的影响114

4.1.3 海拔对风速的影响115

4.1.4 谷地风速的变化115

4.2 山地绕流的数值模拟与模型验证116

4.2.1 陡坡风场空气动力场的LES研究116

4.2.2 Askervein山地绕流计算121

4.2.3 西北山地风电场绕流计算124

4.3 山地绕流模型在风电场工程中的应用131

4.3.1 风能资源评估131

4.3.2 山地风电场地形改造134

4.4 风电场微尺度空气动力场数值模拟139

4.4.1 近海风电场模拟139

4.4.2 陆上风电场流场模拟方法比较145

4.4.3 陆上风场尾流模拟151

4.5 中尺度数值模式应用及其与微尺度耦合计算158

4.5.1 基于WRF模式的江苏沿海地区风能资源评估158

4.5.2 风电场微观尺度和大气动力学中尺度耦合计算168

参考文献175

第5章 风电场微观尺度空气动力场测量177

5.1 测风仪器177

5.1.1 测风系统的技术要求177

5.1.2 测风系统的组成177

5.1.3 风电场精细测风仪178

5.2 风电场微观尺度空气动力场测量182

5.2.1 测量风电场介绍182

5.2.2 测量方案182

5.2.3 测试数据处理184

5.3 风电场微观尺度空气动力场测量数据分析188

5.3.1 尾流分析188

5.3.2 大气稳定度190

5.3.3 塔筒应力测试分析及推力曲线估算191

参考文献194

第6章 基于风电场微观尺度空气动力场计算的微观选址优化196

6.1 风电场微观选址的意义196

6.2 风电场微观选址工程方法197

6.2.1 风电机组微观选址的基本原则197

6.2.2 风电机组的排列布置方法198

6.2.3 风电场风电机组选型-微观选址-容量选择200

6.3 基于改进遗传算法的平坦地形微观选址优化方法203

6.3.1 遗传算法的基本原理204

6.3.2 尾流效应模型205

6.3.3 风电机组的输出功率特性曲线212

6.3.4 应用遗传算法实现风电机组优化排布213

6.3.5 实例分析215

6.4 基于CFD和改进PSO的复杂地形风电场微观选址优化方法217

6.4.1 复杂地形流场的CFD数值模拟217

6.4.2 风电场模型218

6.4.3 风电场微观选址的改进小生境粒子群算法219

6.4.4 计算与分析221

6.4.5 结论224

6.5 复杂地形风电场微观选址多目标优化方法研究224

6.5.1 复杂地形风电场微观选址优化限制条件224

6.5.2 复杂地形风电场微观选址优化目标227

6.5.3 复杂地形风电场微观选址优化算法233

6.6 平坦地形下风电场微观选址优化软件开发237

6.6.1 软件开发背景237

6.6.2 软件开发内容237

6.6.3 风电场微观选址软件（WFMSS）主要界面及演示242

6.7 复杂地形风电场优化软件开发245

6.7.1 复杂地形风电场优化设计平台开发246

6.7.2 实际风电场描述248

6.7.3 微观选址优化结果分析248

6.7.4 集电线路优化结果分析252

6.7.5 道路优化结果分析255

参考文献257

第7章 基于风电场微观尺度空气动力学方法的风功率预测研究259

7.1 风电场风功率预测技术研究259

7.1.1 国内外研究现状259

7.1.2 基本方法260

7.2 风电场微观尺度空气动力学预测机前风速与湍流269

7.3 风电机组发电过程建模270

7.3.1 风电机组结构270

7.3.2 风电机组气动特性建模271

7.4 双馈异步风电机组建模与仿真281

7.4.1 双馈异步风电机组建模分析281

7.4.2 整体仿真结果分析281

7.5 基于风电场微观尺度空气动力学方法的机组级风功率预测284

7.6 改进MRAN与微尺度空气动力学模型组合的预测方法286

7.6.1 改进的MRAN286

7.6.2 组合预测模型287

7.6.3 风电场介绍288

7.6.4 单机组合预测289

7.6.5 风电场组合预测294

7.6.6 结论296

参考文献297

第8章 基于风电场微观尺度空气动力学方法的风电场AGC技术299

8.1 风电场AGC技术的基本概念299

8.1.1 风电场AGC的背景及意义299

8.1.2 风电场AGC的功能299

8.1.3 风电场AGC的系统体系300

8.2 风电场AGC技术的基本方法301

8.2.1 风电场有功功率控制系统301

8.2.2 风电机组控制方法303

8.2.3 风电场有功功率常用分配策略305

8.3 基于风电场微观尺度空气动力学方法的风电场AGC多目标优化307

8.3.1 基于风电场微观尺度空气动力学方法的风电场AGC技术307

8.3.2 风电场AGC优化模型309

8.3.3 改进的粒子群算法312

8.3.4 结果与分析314

8.3.5 结论320

8.4 基于风电场微观尺度空气动力学方法的风电场AGC和AVC多目标优化平台开发321

8.4.1 平台总体设计321

8.4.2 主要功能模块介绍323

8.4.3 AGC控制策略的选择323

8.4.4 控制策略的测试324

参考文献327

第9章 风电场微观尺度空气动力学研究与应用展望329

9.1 风电场微观尺度空气动力学研究的瓶颈329

9.2 风电场微观尺度空气动力学应用展望330