基于运行数据的风机尾流效应评估误差研究_朱金奎.pdf

年，第 期 31 收稿日期：基金项目：浙能集团科技项目资助（）作者简介：朱金奎（），男，四川南充人，工程师，从事风能资源评估、风电场运行评估、风电功率预测等方面的研究。通讯作者：何国栋（），男，工程师，从事风力发电机组设计、运维及故障诊断等方面的研究。：基于运行数据的风机尾流效应评估误差研究朱金奎，何国栋，吴伊雯，侯 鹏，（浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州；浙江省白马湖实验室有限公司，浙江 杭州；浙江浙能嘉兴海上风力发电有限公司，浙江 嘉兴）摘 要：风机尾流效应会显著影响下游机组发电量，现有风机尾流模型对其评估存在一定误差。根据某风电场的实际运行数据，研究了风机尾流效应对发电量的影响，并分析了两款常用风能资源评估软件（、）的常用尾流模型对尾流效应的评估误差。结果表明，模型、改进 模型在高低风速段都会低估单机尾流效应，涡粘模型（）在低风速段高估单机尾流效应，在高风速段低估单机尾流效应。综合而言，对本风电场内风机尾流效应的评估较准确。相关结论可以供风能资源评估选择尾流模型时参考。关键词：风机；尾流效应；中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：；引 言风机将自然界的风能转化为电能，由于能量被部分转移，下游流场会发生速度降低、湍流增强的变化，这就是风机的尾流效应。风速降低会影响下风向机组的发电量，湍流增强又会影响其疲劳载荷、结构性能和使用寿命。大型风电场的规划设计在发电量和安全性方面都必须考虑风机的尾流效应。风机尾流效应的评估模型主要分为基于统计经验的解析运动学模型和基于 方程的数值计算模型，模型、模型、模型等属于第一类，涡粘模型、致动盘模型等属于第二类。不同的尾流模型对尾流效应的评估结果有一定差异。等根据 风电场和 风电场的运行数据，对比分析了六种尾流模型的结果，发现 模型和涡粘模型（）能够比较准确地计算出前二三排机组的发电量，但是会高估下游机组的发电量。等采用 内置的多种运动学尾流模型，新能源与储能DOI:10.16189/ki.nygc.2023.02.006 32 分析其在复杂地形上的评估准确度差异，并经过与项目实际运行数据对比，发现 模型的结果较为准确。国内关于风机尾流对发电量影响的研究主要集中在尾流模型的发展和使用方面，模型验证工作则主要采用一些年代比较久远、装机比较老旧的欧洲海上风电场运行数据以及风洞实验数据，基于我国较新机组风电项目运行数据的验证工作并不多见。李小兵和王潇根据某风电场实际运行数据，发现商用风资源评估软件内置的尾流模型低估了我国西北地区高风速、低湍流风电场内的风机尾流效应。本文将根据南方某平坦地形风电场的实际运行数据，研究风机尾流效应对发电量的影响，并同时对比两款风能资源评估常用软件（、）内尾流模型对场区内尾流效应的评估差异，分析各自的评估误差，用于指导类似平坦地形风电项目的风能资源评估工作。风能资源评估软件中的尾流模型 模型 是丹麦 国家实验室开发的风资源评估软件，其采用的 尾流模型，基于动量守恒理论。如图 所示，假设尾流区域中心轴线与叶轮中心等高、各方向同性且线性膨胀，采用非常简洁的公式来描述尾流区域风速分布，一共只涉及两个变量：）风机轮毂高度处风速对应的推力系数；）尾流衰减常数，建议陆上风电项目取，海上风电项目取。模型同时考虑了风机叶轮面与上风向机组尾流区域只有部分相交的情况。图 尾流模型示意图尾流效应导致下游机组的风速衰减量可以表示为：（）|（）（）式中：、分别表示上游机组的自由风速、风轮直径；为推力系数；是上下游机组之间的直线距离在入流方向上的投影；是尾流衰减常数；（）是下游机组的风轮面积；是风机叶轮面与上游机组尾流区域的重叠面积。不同自由风速下的数值一般由风机厂家提供的推力曲线给出。是法国美迪公司开发的基于 计算的风能资源评估软件，内置有改进的 模型和简化的涡粘模型（）两个尾流选项，分别介绍如下。改进 模型 软件对 模型的主要修改为尾流衰减常数 不再是固定数值，而是根据上游机组轮毂高度处湍流强度计算得到：（）式中：为上游机组轮毂高度处风速为 时的湍流强度。尾流效应导致的风速衰减量计算方式与常规 模型相同。简化涡粘模型（）通用的涡粘模型由 提出，其假设：）尾流区域轴对称、湍流充分发展并且旋转运动很微弱；）尾流区内的流场是稳定的，不会随着时间而变化；）尾流区域与周边气流的气压梯度力为，通过以上假设将 方程近似为：（）（）结合风洞实验数据，下风向 处尾流中心的风速衰减为：（）（）基于动量守恒，计算得到尾流宽度为：（）|（）软件为了在工程计算中应用该模型，将其大幅度简化为一阶方程，实现了快速求解。项目介绍项目位于浙江省，临近海岸线，场区内地形平坦、无高大建筑，机组呈直线排列（见图）。场区东侧 台机组（）轮毂高度，风轮直径 ，相邻机组的间距比较接近，最远 新能源与储能 年，第 期 33 （），最近 （）。西侧“大机组”的单机容量、风轮直径均与东侧 台机组不同，更西侧的、与“大机组”的间距较远。为了简化对比内容，本文将集中分析东侧 台机组的运行数据，西侧三台机组不在研究范围之内。项目的风功率预测塔位于机组、之间，一直正常测风，共有四层（、）风速、风向数据和 高度的温度、气压数据，时间分辨率 。图 本项目测风塔、机位布置图 数据筛选与处理 机组运行数据收集到风电场一个完整年的实际运行数据，包含机舱风速、机组功率和机组运行状态等信息，时间分辨率 。为了突出场区内风机尾流效应的影响，以测风塔 风向为标准挑选特定的入流风向扇区。基于场区内机组排布特征，本文选取从东北偏东方向、西南偏西方向的入流时刻作为研究对象，这种风向条件下机组 不会受到尾流影响，可以作为“干净”的上游风机，数据筛选流程如下：）根据 （：）风力发电机组功率特性测试，风机尾流宽度 可以表示为：（）（）式中：为风轮直径；为风机下游距离。根据项目特点，本文中 取，结合机组中心轴线角度（），则风向介于（，）之内的时间点被挑选出来作为“尾流时刻”。）根据机组运行状态码，进一步从“尾流时刻”中挑选出 所有机组均处于正常并网发电状态的时刻，最后一共得到 个 时间点，统称为“尾流扇区内全场运行时刻”，这些时刻对应的机组运行数据将作为本文对比分析的基础数据。测风数据为了分析不同尾流模型对风机尾流效应的评估误差，本文将按照风能资源评估的常规方法，分析各个尾流模型的计算结果中风机尾流效应对发电量的影响。由于输入风资源评估软件的风速数据必须是未受尾流影响的自由大气风速，而从图 可知，某些风向时测风塔实测风速会受到周边机组 或 的尾流影响。根据公式（），当风向在（，）区间内时，测风塔会受到机组 的尾流影响；当风向在（，）区间内时，测风塔会受到机组 的尾流影响；当风向位于其余扇区时，测风塔实测风速不会受到任何机组的尾流影响。由于场区内地形平坦、无高大建筑，可以假设不同风向条件下测风塔风速与机舱风速的线性关系是一致的。剔除受到尾流影响的风向扇区数据点以后（见图），测风塔 实测风速与 机舱风速的相关系数达到，相关性很高，可以基于公式（），利用 的机舱风速修复测风塔 风速。（）式中：为测风塔 实测风速，为 为机舱风速。图 机组 的机舱风速与测风塔 风速散点图“尾流扇区内全场运行时刻”对应的测风塔 自由风速为 ，风频分布非常接近威布尔分布。计算方法与结果分析为了研究风机尾流模型对尾流效应的评估误差，本文采用行业常用的风能资源评估软件 和 计算本风电场尾流扇区内新能源与储能 34 的风机尾流效应，并通过与项目的实际运行数据对比，分析其评估误差以及误差原因。计算方法这里仅计算尾流扇区内全场机组运行时刻的尾流效应对发电量的影响，并分析不同入流风速情况时风资源评估软件的评估误差。由于两款软件的计算方法、输出变量稍有不同，在此作如下约定：）采用 软件内的 模型以及 软件内改进的 模型、简化涡粘模型（）进行计算，以下分别简称为 模型、改进 模型和 模型。）不同计算得到的所有机位发电量均以该次计算中未受尾流影响机组 的发电量为标准做无量纲化处理。）由于场区地形平坦、无高大建筑，各机位点自由风速几乎完全一致，所以尾流效应对发电量的影响统一定义为受尾流影响机组的发电量与未受影响机组 的发电量差异。，|，|（）式中：，为模型计算结果中机组 处的尾流效应；，、，分别为模型计算结果中机组、机组 的发电量；，为运行数据中机组 处的尾流效应；，、，分别为运行数据中机组、机组 的发电量。）计算结果中尾流模型对机组 处尾流效应的评估误差 定义为：，（）结果分析 全风速段尾流效应对下游机组最直接、显著的影响就是降低其发电量。从图 可以发现，运行数据中，受尾流影响的机组 发电量远低于未受尾流影响的机组，平均相差比例达，说明上风向机组的尾流效应显著降低了下风向机组的发电量。另外，机组 与第一台受到尾流影响机组 的发电量差异十分显著，但 台受尾流影响机组（）的发电量相差不大，与前人对 风电场，和 风电场，运行数据的统计结果类似。不过在上述两个风电场的研究中，选取的尾流扇区较窄时与图 的相似性更高，选取的尾流扇区较宽时，从开始受到尾流影响的第二台机组到更下游机组的发电量有逐渐下降的趋势。这可能是因为本文研究的项目只有单一的一列机组，下游机组只会受到上风向机组的尾流效应影响；和 都是多排多列的阵列式风电场，下游机组会额外受到相邻列机组尾流扩散后的附加影响，所以会有逐渐下降的趋势。图 各机组评估发电量与运行发电量对比各尾流模型的评估结果中机组 的发电量都显著低于未受尾流影响的机组，说明它们都能模拟出尾流效应对发电量的主要影响，但是其结果也有显著差异（见表）。表 不同尾流模型评估误差统计表尾流模型机组 的尾流评估误差 机组 的尾流评估平均误差 模型改进 模型）单机尾流：由于本文挑选出特定的入流风向扇区，机组 只受到上游机组 的尾流效应影响。运行数据中机组 的发电量比 低，而 模型、改进 模型和 模型的结果中，该比例分别为、和。可见 模型、改进 模型均低估了单机尾流效应，低估比例分别为、；而 模型虽然略微高估了尾流效应（比例为），但其与运行数据较接近，对本风电场内单机尾流效应对发电量的影响评估较准确。）多重尾流：机组 受到上风向、等多台机组尾流效应的共同影响。模型的结算结果中，各机组发电量有明显的新能源与储能 年，第 期 35 下降趋势，在机组 以及更下游的机组上，已经超过了运行数据中的实际尾流影响，并且越靠近下游，超出的比例越大。而在改进 模型和 模型的结果中，机组的发电量均与 相当，没有明显的上升或下降趋势，两者的差别在于 模型计算得到的尾流效应更强，更接近运行数据。整体来看，模型、改进 模型和 模型的评估结果中机组 发电量受到的尾流 效 应 影 响 的 平 均 评 估 误 差 比 例 分 别 为、和。所以，无论是单机尾流效应的计算还是多重尾流的叠加计算，都是 模型的结果较准确。不同入流风速为了进一步分析尾流模型在不同风速情况下的评估误差，本文对比分析了特定入流风速条件下尾流模型评估结果与运行数据的统计结果。不同入流风速条件下不同尾流模型的评估误差与全风速段结果有较大差异（见表）。表 不同入流风速条件下尾流模型的评估误差统计表入流风速区间尾流模型机组 的尾流评估误差 机组的尾流评估平均误差 模型改进 模型 模型改进 模型）入流风速在 区间时（见图），运行数据中机组 与 的发电量相差，机组 的发电量与 相差较小。模型、改进 模型都低估了单机尾流效应，比例分别为、，而 模型则高估了单机尾流效应，比例为。模型中，更下游的机组的发电量快速下降，从机组 开始，计算尾流效应已经超过运行数据中的尾流效应。而改进 模型和 模型中，机组 的发电量与 相差较小，并且 模型结果中的尾流效应始终强于改进 模型，后者更接近运行数据。三者对比，改进 模型在此风速段对尾流效应的平均评估误差较小。图 各机组评估发电量与运行发电量对比（入流风速 ）入流风速在 区间时（见图），运行数据中机组 与 的发电量相差，的发电量比临近机组都低，而机组 的发电量有逐渐降低的趋势。模型、改进 模型和 模型都低估了单机尾流效应，低估比例分别为、和，模型的评估相对更准确。但在更下游机组上，模型的结果中发电量快速降低，到机组、处已经与运行数据中的尾流效应相当；而改进 模型、模型结果中机组 的发电量与 几乎没有差别，相应机组的计算尾流效应始终远低于运行数据中的尾流效应。模型在此风速段的平均评估误差较小。图 各机组评估发电量与运行发电量对比（入流风速 ）综合可以发现：）模型在无论在高低风速段都会低估单机尾流效应，但是其评估结果中尾流效应在下游机组处快速增长，风速较低时会迅速超过运行数据中的实际尾流影响。）改进 模型的单机尾流计算方法与 模型类似，所以两者对单机尾流效应的评估结果相近，但是无论在高低风速段，改进 模新能源与储能 36 型都会低估机组的尾流效应，在高风速段低估的比例更高。）模型在低风速段会高估机组的尾流效应，在高风速段会低估机组的尾流效应，两者合并以后相互抵消，在全风速段时其评估误差较小。结 论本文根据某平坦地形风电场的运行数据和测风数据，采用两款风资源评估软件，分析了风电场内尾流效应的评估误差，得到以下结论：）单机尾流：模型、改进 模型会低估尾流效应，低估比例分别为、，而 模型则会高估尾流效应，高估比例为。）多重尾流：单列风机风电项目的运行数据中，只受到单台风机尾流影响的机组发电量与受到多重尾流影响的机组发电量相差较小。而 模型对尾流的处理方式导致计算结果中下游机组受到的尾流影响过快增长，超出运行数据中的尾流影响，类似现象在前人的研究中也有体现，。）整体而言，模型对风电场尾流效应的模拟结果较准确。需要注意的是，本文中的风电场只有单列风机，并且相邻机组间距只有 左右，部分结论对其余风电场并不适用。比如在本文中，改进 模型的尾流效应始终比 模型要低，而张双益等基于 风电场（机组间距）的计算结果正好相反，可能是因为两个项目机组间距相差较大而导致的。参考文献：，；，（）：杨政厚，李嘉楠，邓英，等风力机尾流对风轮气动载荷影响的研究太阳能学报，（）：，：，：李小兵，王潇我国风能资源评估的主要问题及原因分析风能，（）：；（），：，：，（）：，（）：田琳琳风力机尾流数值模拟及风电场机组布局优化研究南京：南京航空航天大学，：，（）：，：，：，；：张双益，胡 非，王益群，等大型海上风电场尾流模型及大气稳定度影响研究风能（）：（责任编辑 杨启岳）新能源与储能