偏航對下游風力機功率和尾流特性的影響

張健美, 蓋曉平, 張旭耀，李 澤

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050; 2.國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030; 3. 蘭州交通大學 新能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

風能是可再生能源的重要組成部分。目前，由水平軸風電機組組成的風力發電場發電是風能利用的主要形式。風電場中運行在上游的風力機產生的尾流對下游風力機造成影響，導致下游風力機的來流風速下降，湍流強度增大。統計表明，由尾流引起的海上風電場的發電量損失可達10%～20%[1]。因此，關于風力機尾流特性的研究受到廣泛關注。研究者采用實驗方法[2]、數值計算方法[3,4]、尾流模型[5～7]分別研究了風電機組之間的尾流干涉效應。風電場中增大風力機之間的間距可以減小機組尾流的影響，提高單臺機組的發電量，但間距的增大會引起機組的數量減小，導致整個風電場的發電量下降。

采用尾流主動控制方法可以減小上游機組尾流對下游機組尾流的影響。尾流主動控制方法的基本思想是上游機組偏航，產生傾斜尾流以避開上游機組尾流的影響。焦鑫等[8]建立了偏航工況下的風力機尾流模型，研究表明尾流主動控制方法可以有效提升風電場的發電能力。寧旭等[9]基于水平軸風力機尾流模型，以30 臺NREL 5MW 風力機組成的風電場為研究對象，采用粒子群優化算法分析了不同工況和布局形式下風電場偏航優化控制方案，為風電場整體優化控制研究提供了參考。趙銀輝等[10]研究了渦流發生器的安裝角對風力機翼型氣動特性的影響，研究為提高單臺機組的效率提供了基礎。趙安安等[11]研究了近壁面網格尺寸對數值計算結果的影響。沈鋮波等[12]基于Bastankhah尾流模型，研究了偏航工況下機組之間的距離、入流風速和湍流強度對串列風力機發電功率 的影響，結果表明，增大風力機之間的間距和上游風力機偏航可以提升風力機總的發電功率。王俊等[13]基于GH-Bladed軟件，考慮提升風電場發電量和均勻風電機組疲勞等目標，研究了主動尾流優化的控制策略。劉雨農等[14]研究了偏航工況下，風電機組機艙近尾流特性及機組偏航對測風的影響。

2 數值計算方法

2.1 大渦模擬

大渦模擬采用不同方法對不同尺度旋渦進行求解，其中大尺度旋渦通過N-S方程求解，小尺度旋渦通過亞格子模型近似[14,15]。控制方程為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：ρ為空氣密度；ν為空氣運動粘度；u為速度；p為壓力；τ為亞格子應力。

2.2 致動線模型

在數值計算中，使用致動線模型代替風力機葉片。風力機致動線模型的思想是將葉片沿展向進行離散，每個離散后的截面位置用體積力代替[16,17]。與實體葉片模型相比，致動線模型葉片不需要求解葉片表面的流動特征，因此可以提高計算效率，降低數值建模難度。葉片展向截面每個位置處的體積力，通過葉素動量理論求解，升力和阻力的計算表達式為：

(3)

(4)

式(3)、(4)中：FL為升力；FD為阻力；ρ為空氣密度；CL為升力系數；CD為阻力系數；C為弦長；W為入流相對速度；r為風輪中心到葉素截面的距離。

2.3 計算模型及方案

以兩臺串列的NREL 5 MW 風力機為研究對象，其額定風速為11.4 m/s，額定轉速為12.1 r/min，輪轂高度為90 m，風輪直徑為126 m[18～20]。采用如圖1所示的3000 m×3000 m×1000 m的長方體計算域，上游風力機距入口的距離為4D(D為風輪直徑)，下游風力機距上游風力機的距離為6D。入口風速為8 m/s，上游風力機的偏航角分別為20°、30°和40°，下游風力機未偏航。為提高數值計算精度和計算效率，在風力機附近的計算區域進行加密處理，計算域截面的網格分布如圖2所示。

圖1 計算域及風力機位置示意

圖2 計算域網格示意

3 結果分析

當上游風力機處在偏航工況時，其尾流特性會發生變化，導致下游風力機的來流風況和輸出功率發生變化，進而引起整個風電場輸出功率的變化。

3.1 尾流特性

為了分析上游風力機偏航對尾流特性的影響，圖3顯示了來流風速為8 m/s，上游風力機分別偏航20°、30°和40°時，過風輪中心線的xy平面的平均和瞬時軸向速度云圖。由圖可知，當上游風力機偏航時，其尾流會發生偏斜，隨著偏航角的增大，尾流的偏斜程度增大，下游風力機受上游風力機尾流的影響會減小。

3.2 功率特性

當下游風力機受上游風力機尾流的影響時，其輸出功率會下降。為了減小上游機組尾流對下游機組的影響，在某些工況下，風電場中采用上游機組偏航的方式可以提高整個風電場的發電量。圖4為來流風速為8 m/s，上游機組偏航20°、30°和40°時，上游風力機、下游風力機和兩臺風力機總的輸出功率。由圖可知，當上游機組偏航角增大時，上游機組的輸出功率會減小，下游機組的輸出功率會增大，兩臺機組總的輸出功率會減小。分析數據可知，上游機組偏航角由20°增加到40°時，上游風力機的輸出功率減小了29.8%，下游風力機的輸出功率增大了21.5%，兩臺機組總的輸出功率減小了7.4%。

圖3 不同偏航角下尾流區軸向速度分布

圖4 不同偏航角下機組的輸出功率

4 結論

本文以串列布局的兩臺NREL 5 MW 風力機為研究對象，分析了來流風速為8 m/s，上游機組偏航角為20°、30°和40°時，風力機的尾流特性和輸出功率特性，研究得出以下結論：

(1) 當上游風力機偏航時，其尾流會發生偏斜，隨著偏航角的增大，尾流的偏斜程度增大。

(2) 串列布局的兩臺NREL 5 MW 風力機，來流風速為8 m/s，上游機組的偏航角由20°增加到40°時，上游風力機的輸出功率減小了29.8%，下游風力機的輸出功率增大了21.5%，兩臺機組總的輸出功率減小了7.4%。