大型风电场中因为尾流效应导致的风电场发电量损失通常占年度发电量的10%至20%,准确模拟风电场内机组尾流分布是评估风电场发电量及经济性的基础。风电项目建设前期微观选址时应合理布置场内机组位置,尽量降低风电场的尾流损失,提高风电场的综合经济效益。对于已投产的风电场,可以通过一个综合控制策略调整上游机组的运行状态从而抑制其尾流对下游机组所造成的影响,实现整场发电量最大化。在风电场微观选址优化和风电场优化运行控制的研究工作中需要对风电场内的机组尾流场在短时间内进行高达上万次的模拟,所使用的尾流模拟方法不仅要能保证一定的计算精度,运算效率也必须满足工程要求。围绕高精度的尾流快速模拟方法及其在风电场微观选址和优化控制中的应用开展研究,主要完成了以下研究工作:(1)探索了改进的Jensen尾流模型与Frandsen尾流模型分别高估和低估尾流区速度损失的原因,为模型改进提供了理论依据。分析两个模型中控制体内外的质量与动量交换,发现改进的Jensen尾流模型高估尾流区内速度损失是由于没有考虑控制体内外交换的质量;Frandsen尾流模型低估尾流区内速度损失则是因为大气输入控制体内的实际动量低于理论动量。(2)提出了一个二维J-F尾流模型。使用高斯分布函数对尾流区速度分布进行拟合,基于质量守恒定理求解尾流中心最大损失,基于动量守恒定理计算模型中的标准差。采用风洞实验数据和风电场实测数据对二维J-F尾流模型的计算性能进行了多种验证,计算结果表明J-F尾流模型可以较好地模拟风电机组尾流区流场分布特征,计算精度较高。(3)提出了基于工程尾流模型的风电场内机组尾流分布快速模拟方法。首先根据尾流叠加区内更高的湍流强度会导致更快的速度恢复现象,发展了两种尾流叠加区速度计算方法:k-Based方法与MEB叠加模型。然后基于坐标变换提出了计算不同风向下风电机组间相对位置的方法。最后通过对尾流影响区的速度进行线性积分,解决了使用二维尾流模型时偏尾流效应的处理难题。将风电场内机组尾流分布快速模拟方法应用于两个海上风电场计算机组功率,结果表明两种尾流叠加模拟方法相较于传统叠加模型计算精度更高。(4)提出了一种风电机组单尾流场CFD预计算模拟方法。针对CFD方法计算精度高但计算效率低,无法应用于微观选址优化工作的问题,预先采用致动盘方法对不同来流风速下的机组尾流场进行CFD数值模拟,提取流场信息构建尾流信息数据库后应用分段三次Hermite插值方法得到任意来流风速下的机组尾流速度。采用风洞实验数据和风电场实测数据对预计算方法的计算精度进行验证,结果表明预计算方法与直接使用致动盘方法数值模拟的计算精度相当。预计算方法计算精度高,建立数据库所花费的时间在工程中可以接受,解决了尾流模拟中计算精度和计算效率间的矛盾,可替代工程尾流模型应用于风电场微观选址及发电量评估。使用预计算尾流模拟方法对经典算例进行微观选址优化,在三个典型风况下均得到了单位千瓦造价更低的优化结果,优化得到的机组排布方案呈现出高度的对称性。(5)提出一种计算机组在任意叶尖速比下输出功率的方法。针对采用理论功率计算公式计算机组功率时误差过高,导致风电场出力提升控制策略无法应用于工程实际的问题,提出一种使用机组功率曲线和推力系数曲线计算机组在任意叶尖速比下输出功率的方法。以风电场整体输出功率最大为优化目标,建立了风电场功率提升优化控制模型。以Lillgrund海上风电场为例进行计算分析,当来流速度为8m/s,来流风向为120°时优化后的风电场整体输出功率提高了 8.4%;当来流风向为222°时优化后风电场整体输出功率提高了 6%。结果表明风电场的尾流损失越高,基于减小尾流损失的优化控制策略对风电场整场功率的提升效果就越显著。