基于實(shí)際工程的風(fēng)電場(chǎng)尾流模型分析

王先陽 楊玉 劉天勝

為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化問題，世界各國(guó)都在為節(jié)能減排采取積極措施，清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比越來越大。十幾年來，我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)得到迅猛的發(fā)展，基于趨于成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，風(fēng)電項(xiàng)目的開發(fā)逐漸走向規(guī)模化和商業(yè)化，在開發(fā)前期對(duì)于風(fēng)能資源的利用也越來越精細(xì)化。

尾流是造成風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量損失的重要因素之一，準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的尾流效應(yīng)，對(duì)于優(yōu)化排布、機(jī)組選型、風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)等方面至關(guān)重要。因此，在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組排布等前期開發(fā)設(shè)計(jì)工作時(shí)，機(jī)組間的尾流影響也受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。目前，行業(yè)內(nèi)已有大量成熟的尾流模型，如風(fēng)能資源分析軟件WAsP中較為常見的Park尾流模型和Fuga尾流模型，丹麥WindPRO軟件中的EVM模型（EddY Viscosity Model）以及風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件Openwind中適用于大基地風(fēng)電場(chǎng)的DAWM模型（Deep Array Wake Model）等。

本文基于某風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔10分鐘測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 31147-2018《風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)能資源測(cè)量與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》及IEC 61400-1-2019《Wind energy generation systems》關(guān)于測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理部分的要求，使用Windographer軟件對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過對(duì)同一座測(cè)風(fēng)塔不同高度層風(fēng)速的相關(guān)性進(jìn)行分析，首先還原測(cè)風(fēng)塔105m高度自由流風(fēng)速，然后采用實(shí)際工程中使用較多的Modified Park 尾流模型和EVM尾流模型，計(jì)算得出4個(gè)典型時(shí)間段不同尾流模型下的風(fēng)速結(jié)果。通過將受尾流影響的風(fēng)速與同時(shí)段還原后的自由流風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，探究2個(gè)尾流模型對(duì)尾流影響程度的評(píng)估效果。

尾流模型介紹

一、 Modified Park尾流模型

Park尾流模型是丹麥Ris？實(shí)驗(yàn)室的Katic和N.O.Jensen基于理想風(fēng)力機(jī)一維動(dòng)量守恒原理提出的適用于平坦地形的線性尾流模型，是一種一維線性尾流模型，不考慮湍流效應(yīng)帶來的影響。該模型假設(shè)：（1）尾流區(qū)從風(fēng)輪后開始，初始直徑即為風(fēng)輪直徑；（2）尾流速率按照線性關(guān)系增長(zhǎng)；（3）截面上尾流流速分布均勻。

項(xiàng)目概況

本文所選的研究項(xiàng)目位于天津市大港區(qū)，機(jī)組均為G132-5.0MW型，葉片長(zhǎng)度為64.5m，掃風(fēng)面直徑為132m，輪轂高度為105m。

機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔（記錄儀為NRG）的相對(duì)位置如圖1所示：1#機(jī)組位于測(cè)風(fēng)塔南偏西50°（230o）190m處；2#機(jī)組位于測(cè)風(fēng)塔東偏南15°（105o）570m處。

測(cè)風(fēng)塔位于平原地區(qū)，塔高105m，采樣間隔為1s，測(cè)風(fēng)設(shè)備為NRG風(fēng)速傳感器。目前收集到測(cè)風(fēng)塔2018年的10分鐘測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，測(cè)風(fēng)塔配備信息及結(jié)構(gòu)如表1及圖2所示。

如圖2所示，測(cè)風(fēng)塔在105m、85m、65m、50m和30m處均安裝有風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)，在8m高度上安裝有溫度計(jì)、氣壓計(jì)和數(shù)據(jù)的記錄儀。

尾流分析及驗(yàn)證

首先，確定測(cè)風(fēng)塔受尾流影響的高度和角度，對(duì)30m和105m高度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，將無效數(shù)據(jù)剔除后，得到2個(gè)高度有效數(shù)據(jù)時(shí)間序列，采用MCP（測(cè)量―相關(guān)―預(yù)測(cè)）的方法還原得出一套105m高度處的自由流風(fēng)速，作為本文尾流模型驗(yàn)證部分對(duì)比數(shù)據(jù)的來源。

一、尾流影響角度確定

1#機(jī)組位于測(cè)風(fēng)塔南偏西50°（230o）處；2#機(jī)組位于測(cè)風(fēng)塔東偏南15°（105o）處。1#機(jī)組對(duì)測(cè)風(fēng)塔的尾流影響區(qū)域大小為90°，即尾流區(qū)域范圍為185o～275o；2#機(jī)組對(duì)測(cè)風(fēng)塔的尾流影響區(qū)域大小為57°，即尾流區(qū)域范圍為76.5o～133.5o。

二、尾流影響高度確定

1#與2#機(jī)組的輪轂高度均為105m，葉片長(zhǎng)度為64.5m，即葉尖距離地面最低高度為40.5m，最高點(diǎn)距地面高度為169.5m。

從西南及東南方向的來流風(fēng)速經(jīng)過1#、2#風(fēng)電機(jī)組時(shí)，在機(jī)組后方形成尾流區(qū)。本文選取受風(fēng)電機(jī)組影響典型時(shí)間段的風(fēng)速曲線如圖4、圖5所示。

如圖4所示，8月27日15時(shí)至21時(shí)，風(fēng)向?yàn)闁|南方向，介于105°～125°，測(cè)風(fēng)塔位于2#風(fēng)電機(jī)組尾流影響區(qū)。此時(shí)30m高度風(fēng)速明顯高于測(cè)風(fēng)塔其他高度層風(fēng)速。

如圖5所示，12月12日11時(shí)至22時(shí)，風(fēng)向?yàn)槲魑髂?，介?40°～260°，測(cè)風(fēng)塔位于1#風(fēng)電機(jī)組尾流影響區(qū)。此時(shí)30m高度風(fēng)速明顯高于測(cè)風(fēng)塔其他高度層風(fēng)速。

根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，當(dāng)測(cè)風(fēng)塔處于尾流影響區(qū)時(shí)，65m、85m、105m高度處的風(fēng)速下降趨勢(shì)明顯，而30m高度處的風(fēng)速受影響較小，且風(fēng)電機(jī)組葉片最低點(diǎn)距離地面40.5m，高于風(fēng)速儀安裝的30m高度。

為最大程度利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將測(cè)風(fēng)塔30m高度處的實(shí)際測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)作為本文對(duì)尾流影響程度計(jì)算的參考值。受尾流影響的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)高度包括：65m、85m、105m。利用30m高度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在Windographer軟件中采用MCP（測(cè)量―相關(guān)―預(yù)測(cè)）的方法還原105m高度處的風(fēng)速數(shù)據(jù)。

三、尾流模型驗(yàn)證

將上述還原所得的105m高度自由流風(fēng)速序列作為自然風(fēng)速導(dǎo)入Openwind軟件，使用各尾流模型計(jì)算得到測(cè)風(fēng)塔105m高度處的風(fēng)速，將其與測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證尾流模型的適用性。選取2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組影響扇區(qū)角度范圍內(nèi)2個(gè)典型時(shí)段，作為本文尾流模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。以下為選取4個(gè)典型時(shí)段尾流模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)風(fēng)速的對(duì)比。其中，圖6和圖7分別為典型時(shí)段一和二，位于1#尾流區(qū)；圖8和圖9分別為典型時(shí)段三和四，位于2#尾流區(qū)。從圖中可以看出，EVM模型計(jì)算得出的尾流后風(fēng)速更接近于實(shí)測(cè)尾流風(fēng)速值。

如圖6所示，選取2018年9月16日15：20-22：00近7個(gè)小時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，此時(shí)風(fēng)向介于230°～267°，測(cè)風(fēng)塔位于1#風(fēng)電機(jī)組尾流區(qū)。

如圖7所示，選取2018年12月12日12：00-22：50近11個(gè)小時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，此時(shí)風(fēng)向介于240°～260°，測(cè)風(fēng)塔位于1#風(fēng)電機(jī)組尾流區(qū)。

如圖8所示，選取2018年8月27日14：00-21：50近8個(gè)小時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，此時(shí)風(fēng)向介于105°～130°，測(cè)風(fēng)塔位于2#風(fēng)電機(jī)組尾流區(qū)。

如圖9所示，選取2018年10月 15日14：40-19：40 5個(gè)小時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，此時(shí)風(fēng)向介于108°～125°，測(cè)風(fēng)塔位于2#風(fēng)電機(jī)組尾流區(qū)。

結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了Modified Park尾流模型和EVM尾流模型的原理，并在Openwind軟件中對(duì)各尾流模型進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比結(jié)果顯示，各尾流模型均存在對(duì)測(cè)風(fēng)塔受風(fēng)電機(jī)組尾流影響程度低估的情況。與Modified Park尾流模型相比，EVM尾流模型計(jì)算得到的風(fēng)速更趨近實(shí)測(cè)風(fēng)速。但需要注意的是，本文為便于對(duì)尾流影響程度進(jìn)行定量分析，將測(cè)風(fēng)塔30m高度處的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)視為未受尾流影響的數(shù)值，具有一定的誤差和不確定性。同時(shí)，基于1座測(cè)風(fēng)塔的尾流分析不具備規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)尾流的普遍性。此外，受限于軟件，本文分析的模型種類較少，后續(xù)可對(duì)其他軟件尾流模型進(jìn)行對(duì)比分析。

（作者單位：北京瑞科同創(chuàng)能源科技有限公司）