基于流體仿真的風力發電機組風向測量研究

明陽智慧能源集團股份公司 任 娜 朱光偉 黃全盼 符少南 胡健彬 朱陽光

隨著碳達峰、碳中和“3060”目標的提出，風力發電迎來了快速發展，海上風電發展尤為明顯。目前海上風電發展以大容量、大葉輪為主要發展方向，隨著葉輪直徑的增大葉片底部直徑也在增大，對上風向且測風裝置安裝在機艙尾部的風電機組來說，因葉片遮擋、尾流等影響使得機組測風存在較大的誤差，較大的風向誤差會帶來較大的偏航對風誤差，這樣直接會帶來機組能量捕獲減少。

影響測風誤差除了傳感器本身的性能外，測風設備的安裝位置也占重要因素，但關于測風設備安裝位置的研究目前風電行業內比較少，王曉宇等人采用水平式激光雷達試驗與數值模擬相結合的方法對機械式風向儀測量風向的準確性進行研究[1]；徐奉友等人將風能數據檢測設備檢測的初始風速向量進行正交分解,然后通過修改得到的風速向量[2]。

對測風誤差進行校正、提高風電機組對風精度的方法很多，專家學者進行了大量研究，如馬丁在其專利中利用其目標風機的歷史數據進行預學習并使用其它相似風機的風向儀進行誤差校正[3]；劉智敬基于風力發電機組的控制策略對機艙風速進行分段，然后通過機艙風速與來流風速的相關性分析，確定擬合函數的類型，最后利用最小二乘法分段擬合得到試驗機型機艙風速與來流風速的修正函數[4]。

1 仿真模型的建立

仿真測試點確定。確定停機時輪轂中心正上方最高點為坐標原點o，水平方向為x 軸方向，垂直方向為z 軸，如圖1所示。以此類推，縱向第一層為A1、第二層為A2、第十一層為A11，每層之間的相差0.5m，橫向排布點為6、1、2、3、4、5、7共7個測點，如第三層的四號測點則命名為A34。仿真點位A11～A27坐標x/y/z(m)分別為：12.497/3.94/2.279、12.497/1.94/2.279、12.497/0/2.279、12.497/-1.94/2.279、12.497/3.94/2.279、12.497/4.44/2.279、12.497/-4.44/2.279、12.497/3.94/2.779、12.497/1.94/2.779、12.497/0/2.779、12.497/-1.94/2.779、12.497/3.94/2.779、12.497/4.44/2.779、12.497/-4.44/2.779。

仿真工況確定。本文以某公司某機型為例進行仿真，以機艙正對風時偏航誤差為0°，逆時針方向為負的偏航誤差、順時針方向為正的偏航誤差，葉片方位角為一支葉片垂直向上為0°。仿真環境條件為臺風環境，風速為50m/s，仿真工況包含葉片方位角分別為0°、15°、30°、45°、60°，偏航誤差分別為0°、8°、15°，一共15個仿真工況，每個仿真工況均包含77個測點的測風誤差數據，當偏航誤差為負時，可以用偏航誤差為正時的仿真數據做對稱性處理。

2 仿真數據分析及測試驗證

通過觀察仿真測試點各個工況、各個高度下的測風誤差，可以發現A1，A2高度下的測風誤差較大，因而測點高度至少從A3開始選取，從A3高度隨機抽取第一個點位2，查看各個工況下其測風誤差。規定X°-Y°：X 代表偏航誤差角度，Y 代表葉片方位角。

仿真測試點位2。查看點位2在A3高度下所有工況的測風誤差，發現工況15-60（偏航誤差15°，葉片方位角60°）下測風誤差均值絕對值超過8°，為保證測量的準確性，需提高測點高度。查看點位2在工況15-60下各個高度下的測風誤差，當高度在A4及以上時其測量誤差均值在8°以內。查看點位2在A4高度下所有工況的測風誤差，穩定后誤差均值在8°以內，若選擇點位2則至少需要達到A4高度。

仿真測試點位4。A4高度下查看各個工況下點位4的測風誤差。A4高度下的0-15、15-30工況誤差較大。查看0-15工況下點位4在所有高度處的測風誤差，如圖5所示。點位4在0-15工況所有高度數據波動太大，無法根據圖像粗略判斷，查看原數據發現高度為A5時，0-15工況的測風誤差均值在8°以內。查看15-30工況下點位4在各個高度的測風誤差，如圖6所示。為滿足測風誤差范圍盡量在8°以內，就點位4而言高度至少為A7，但對比A7高度處及A5高度處的數值，測風誤差差別不大，因此可選擇A5高度。

仿真測試點位3。查看各個工況下A53的測風誤差，發現0-0工況時A53的波動大，但查看數據發現均值為4.82°，小于8°；仿真測試點位6。測點A56在各個工況下風向誤差均值在8°以內；仿真測試點位1。測點A51在各個工況下測風誤差均值在8°以內。

仿真測試點位5。根據圖7可知，A55測點在工況0-30表現最差，其他8-15、15-30也不佳。查看0-30下點位5在各個高度下測風誤差。根據圖8所示，點位5的測風誤差與高度明顯相關，高度越高誤差越小。只有高度達到A10、A11才能滿足測量誤差在8度之內，因此點位7與點位5相似，測風誤差較大，不作為選擇點位。

綜合各個工況、各高度下、各個點位的測風誤差進行分析發現，高度選擇A5比較合適，測點選擇2、3、4測量數據的穩定性更好，因此最后確定A52、A53、A54點位為選定測點，坐標分別為A52(12.497,1.94,4.279)，A53(12.497,0,4.279)，A54(12.497,-1.94,4.279)。

表1 現場驗證測試結果

測試驗證。根據選定的A52、A53、A54測點，現場安裝三個風向儀，并安裝一臺機艙式激光雷達測風儀進行校核。經過現場代表工況的測試，結果表明A52、A53、A54點位相對于實際來流風向（激光雷達風向）誤差均在8°以內，該結果在實際應用中是可以接受的。驗證了這三個點位作為安裝測風儀器的位置比較合理的推斷。

綜上，本文在計算流體力學仿真結果的分析基礎上，通過對預先設置的仿真測點測量誤差進行了分析，同時與實際測量進行了對比，驗證了仿真結果的準確性。風向儀安裝位置越高風向誤差越小。但由于現場實際風向儀安裝工藝限制，風向儀安裝位置太高時桅桿剛度不夠且不利于維護，綜合來看風向儀安裝在A5高度較合適；確定安裝高度后，綜合分析發現選擇中間三個點位即2、3、4安裝風向儀所得的風向數據較為穩定；同種研究方法可適用于其它風電機組。