利用激光雷達探測風電機組尾流對風電場的影響

文 | 劉沙，井苗苗，全文賢

風能作為可再生能源，儲量大、分布廣，其在新能源中所占比重日益增加。在風電場中，由于風電機組的轉動以及葉片的阻擋作用，風電機組獲取風能的同時會在其下游形成風速下降的尾流區。尾流區產生的湍流、渦流等現象，會影響下游風電機組的發電量以及降低風電機組的使用壽命，若控制不當，不僅降低風能資源利用率，也會使得風電場的整體效益降低。

由于湍流、尾流等因素的影響，不同的地形條件、不同的風能資源及氣候條件、不同的風電場布置方案，風電機組尾流影響的距離和特性均存在不同程度的差異。目前常用于風電場微觀選址的計算軟件主要有WAsP、WindSim、WT。對于相對平緩地形，WAsP軟件應用較多，其采用的計算模型假設下游尾流呈線性膨脹，會低估尾流衰減值，在地形越平坦、風電機組布置越密集的條件下計算值與實際值的偏差越明顯。現有的理論模型尚無法精確計算平緩地形條件下風電場的尾流衰減，同時在多排風電機組產生疊加尾流的計算中誤差較大，因此實際觀測不同條件下的風電機組尾流是有效了解風電場風能資源分布特性的手段。

相干多普勒激光雷達通過檢測氣溶膠粒子的后向散射信號和系統本振光的多普勒頻移來反演徑向風速，具有高時空分辨率、高測量精度的特點，是目前晴空風電場測量最有效的手段之一，已應用于國內外多個風電場的工程前期測風以及風電場后評估。利用WindPrint S4000相干激光雷達設備對風電場中不同位置的風電機組尾流影響范圍進行觀測，通過實際觀測數據分析風電機組尾流對風電場的影響，對于優化風電場的風電機組布局、科學進行風電場微觀選址、提高土地利用率、提升風電機組發電效率并延長風電機組使用壽命具有重要意義。

測試風電場及設備概況

圖1 太陽山風電場機位布置及PPI模式掃描示意圖

表1 風電機組及雷達所處經緯度與海拔高度

本文選取吳忠太陽山風電場作為分析風電機組尾流對風電場影響的測試地點，風電場機位布局圖如圖1（其中三角形為雷達安放位置）所示。雷達掃描范圍內風電機組所處的經緯度與海拔高度信息見表1，太陽山風電場地形圖如圖2所示，該風電場的平均海拔高度為1336 m，主要地形地貌單元為低丘陵，地形有起伏但較開闊，坡度大多較為平緩。

本次測試所采用的是WindPrint S4000相干激光雷達設備，該型號激光雷達經過大量的第三方認證（蘇格蘭峰能公司及國內鑒衡認證中心）。在多方校準實驗中，激光雷達所測風速和風向與測風塔的相關性達到99%以上，并且數據獲取率較高。

測試方案

圖1中三角形所在位置為WindPrint S4000相干激光雷達在風電場中的安裝位置，其四周均有風電機組分布，在雷達的測量周期內分別采用DBS-5風廓線測量模式和覆蓋180 PPI模式進行掃描，分別用于檢驗風電場的數據有效性和探測尾流變化規律。

一、采用DBS-5風廓線測量模式進行掃描

2017年8月12日至2017年8月22日，激光雷達采用DBS-5風廓線測量模式進行掃描（圖3），68m和90m高度處的風向玫瑰圖如圖4所示。從圖中可以看出，68m和90m高度處的水平風向主要集中在135°～200°和275°～315°，當地測風塔所測得的70m高度年平均風向主要集中在135°～180°和270°～315°，激光雷達觀測周期內的風向分布與測風塔實際全年主風向基本一致，雷達的觀測周期內主風方向上的風電機組尾流分析對于該風電場具有代表性。且在觀測期間，雷達的數據獲取率為100%，根據《風電場風能資源評估方法》要求對測得數據進行分析，有效數據完整率達100%。

二、采用覆蓋180 PPI模式進行掃描

2017年8月12日至2017年8月22日，激光雷達采用 PPI模式進行掃描（圖1黃色區域），掃描范圍為風電場7#、8#、9#、10#、12#風電機組及周邊區域，掃描得到該區域平面內的徑向風速，根據實際風向進行插值計算得出風電機組風速變化及尾流損失數據。根據太陽山風電場主風向，PPI模式掃描的方位角設置為45°～225°。

圖2 太陽山風電場地形圖

圖3 風廓線測量模式掃描示意圖

圖4 68m（藍線）和90m（紅線）高度處的風向玫瑰圖

數據結果分析

測量期間，激光雷達多次捕捉到風電機組尾流，本文選取其中尾流最明顯的時刻（2017年8月16日0時7分）進行一次個例分析，該時刻風向（見圖5）處于風電場全年主風方向區間，對該時刻風電機組尾流進行分析具有較好的代表性。

如圖5所示，紅色標志為風電機組位置，風速負向為風吹向激光雷達徑向方向，正向為風遠離激光雷達徑向方向。從圖中可見多臺風電機組后部出現尾流現象，其中，9#風電機組已經淹沒在7#風電機組的尾流中，10#風電機組已經淹沒在8#風電機組的尾流中。

由于7#、8#和44#風電機組的尾流較為明顯，并且這三臺風電機組所處的地理位置具有較好的代表性（7#風電機組下風向地形較為平坦，8#及44#風電機組下風向地形坡度相對較大），因此選擇這三臺風電機組進行計算，探索不同地形條件下的風電機組尾流影響規律及尾流疊加產生的影響。風電場風電機組尾流造成的下風向處風速降低可以描述為風速損失率，其計算公式如下：

式中，δdeficit表示風速損失率；Vmax表示上風處自由風的水平速度；VnD表示下風處尾流區內距離nD處的水平風速，其中D表示風電機組風輪直徑，為115米。

一、7#風電機組尾流分析

圖6為7#風電機組在163o風向上隨距離增加的風速損失率變化。從圖中可以看出，在風電機組下風處的第0－2個風電機組風輪直徑距離內風速損失率隨距離逐漸增加，并在第2－3個風電機組風輪直徑距離處達到一個峰值，約為50%，此后隨著距離的增加風速損失率總體呈減小趨勢。但在第5個風電機組風輪直徑距離后，風速損失率隨距離又逐漸增加，第6個風電機組風輪直徑距離處受9#風電機組影響，風速損失率達到一個峰值，約為80%。此后風速損失率呈階梯狀逐漸降低的變化趨勢。

圖5 PPI模式掃描的徑向風速圖（紅色標志為風電機組位置）

圖6 7#風電機組風速損失率

圖7 8#風電機組風速損失率

圖8 44#風電機組風速損失率

二、8#風電機組尾流分析

圖7為8#風電機組隨距離增加的風速損失率變化。從圖中可以看出，在風電機組下風處的第0－1個風電機組風輪直徑距離內風速損失率隨距離逐漸增加，并在第1－2個風電機組風輪直徑距離處達到一個峰值，約為35%，此后隨著距離的增加風速損失率逐漸減小。在第3個風電機組風輪直徑距離后，風速損失率呈現出增減交替的波動狀，其原因是8#風電機組所處位置的海拔高度較高，為1444米，沿尾流方向海拔高度降低了約40米，尾流中水平風在海拔高度不斷降低的過程中形成湍流，風速受到地形的影響在海拔最低處即7個風輪直徑處損失再次增大。在第9個風電機組風輪直徑處受10#風電機組影響，風速損失率再次出現峰值。

三、44#風電機組尾流分析

圖8為44#風電機組隨距離增加的風速損失率變化。從圖中可以看出，在風電機組下風處的第0－1個風電機組風輪直徑距離內，風速損失率隨距離快速增加了約20%，在第1個風電機組風輪直徑距離后由于地形影響風速損失率緩慢增加，并在第7個風電機組風輪直徑距離處達到一個峰值，約為55%，此后隨著距離的增加風速損失率逐漸減小。

四、三臺風電機組尾流對比分析

7#與9#風電機組的距離為695m（約6D），8#與10#風電機組的距離為1027m（約9D），通過風速損失率數據結果可以看到，當尾流遇到下風向的風電機組時會加劇風速的損失，最大可以達到80%。

經計算，44#風電機組上風處的水平風速為12 m/s，而7#和8#風電機組上風處的水平風速為9 m/s，風速較大導致44#號風電機組與7#和8#風電機組相比，風速損失率較小，而達到峰值的距離較遠。

7#風電機組下風向地形較為平坦（地形起伏在10m以內），8#及44#風電機組下風向地形坡度相對較大（地形起伏最大可達約40m），7#風電機組尾流所產生的風速損失率相對于其他兩臺風電機組更為明顯，在2D以后基本穩定于50%左右。8#與44#風電機組尾流所產生的風速損失率約為35%左右。地形起伏引起風電場的湍流強度增大，有利于風電機組尾流的消散。

攝影：梁家輝

結論

通過WindPrint S4000相干激光雷達的觀測數據分析不同地形條件下風電機組尾流對風電場的影響，所得結論如下：

（1）上風處風電機組的尾流會對下風處風電機組造成影響，降低風電機組的發電效率和可靠性，縮短風電機組的服務壽命。

（2）風電機組尾流引起的風速損失在下風處某個距離處會達到一個峰值，若尾流中淹沒了其他風電機組，會造成風速的二次衰減，風電機組的尾流疊加作用明顯，風電場在布局設計時應充分考慮風電機組尾流的影響，不宜布置過密。

（3）風電機組所處位置的海拔高度以及上風處水平風速的大小，會影響尾流中風速損失率的變化規律，風速越小，尾流所產生的風速衰減越嚴重。

（4）地形越平坦，尾流所產生的風速衰減越大，地形起伏引起風電場的湍流強度增大，有利于風電機組尾流的消散。