考慮尾流效應(yīng)和機位優(yōu)化的實踐教學(xué)應(yīng)用

周 齊， 王海云， 王喜泉， 楊姝凡

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830047)

0 引 言

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速并朝著規(guī)模化和商業(yè)化的方向發(fā)展。2016年，全國(除臺灣地區(qū)外)累計裝機容量達到168.76 GW[1]。2016年世界風(fēng)力發(fā)電新增裝機容量為54.6 GW，世界總的風(fēng)電裝機已達到486.7 GW[2]。風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展之中，也存在諸多問題。風(fēng)在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪后會產(chǎn)生速度和方向上的變化，在風(fēng)力機風(fēng)輪后形成尾流，尾流對初始來流的影響稱為尾流效應(yīng)[3]。文獻[4]中考慮了尾流效應(yīng)和3種風(fēng)特性，經(jīng)過仿真得出結(jié)論，尾流在一定范圍內(nèi)會降低雙饋風(fēng)力機的有功功率輸出，增加無功功率的補償。風(fēng)力機排列方式、風(fēng)速風(fēng)向?qū)ξ擦餍?yīng)和風(fēng)電場輸出功率的影響相互耦合，對風(fēng)電場的輸出功率有較大影響，在確定風(fēng)電機組和風(fēng)電場的輸出功率時必須考慮[5-7]。文獻[8]中指出尾流效應(yīng)對風(fēng)電場風(fēng)力機相對排布有較大影響。以上反映出尾流效應(yīng)、機位排布等風(fēng)電相關(guān)專業(yè)知識影響復(fù)雜且抽象晦澀。

風(fēng)電專業(yè)人才需求量急劇上升，高等院校機構(gòu)也積極培養(yǎng)風(fēng)電專業(yè)人才。限于風(fēng)電專業(yè)相關(guān)的理論知識抽象化和實驗設(shè)備相對缺乏或陳舊等因素，傳統(tǒng)的風(fēng)電知識理論教學(xué)已經(jīng)不能達到學(xué)生對風(fēng)電專業(yè)知識的深入理解和掌握以及在實際工作中應(yīng)用的教學(xué)目的。實驗是高等學(xué)校實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，具有很強的直觀性和操作性，是對理論教學(xué)的驗證和拓展，是學(xué)生將課本知識轉(zhuǎn)化為實踐能力的重要手段[9]。軟件教學(xué)可解決教學(xué)中設(shè)備不足的問題，起到承上啟下的作用，可接觸多系統(tǒng)、安全性高等諸多優(yōu)勢[10]。虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)是高校實驗教學(xué)改革的必然發(fā)展方向[11]。WindPRO 軟件在本科教學(xué)中取得了良好的效果，學(xué)習(xí)并熟悉風(fēng)電場前期選址以及風(fēng)機的排布優(yōu)化，增加學(xué)生們的專業(yè)技能，更有助于培養(yǎng)風(fēng)電專業(yè)人才[12]。

1 Jensen尾流模型

Jensen尾流模型由于其形式簡單，計算效率高，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。不同的尾流模型對于地形圖精度的敏感度不同，利用Jensen尾流模型計算出的風(fēng)電場年凈發(fā)電量最大[13]。如圖1所示，Jensen尾流模型中風(fēng)速分布與下游位置呈線性關(guān)系，速度沿著下游某橫截面的徑向方向為常數(shù)。文獻[14]中對風(fēng)速隨距離的線性分布進行了驗證。文獻[15]中研究表明，Jensen模型雖然形式簡單，但是可以較好地評估風(fēng)電場的發(fā)電量。

Jensen尾流模型數(shù)學(xué)表達式為：

(1)

VX是CT的函數(shù)，所以尾流效應(yīng)與風(fēng)電機組的空氣動力特性有關(guān)。式中，CT為風(fēng)電機組推力系數(shù)，與風(fēng)速和風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)有關(guān)；K為尾流下降系數(shù)，與風(fēng)的湍流強度成正比。其中

(2)

K=kw(σG+σ0)/u

(3)

式中：d為風(fēng)速下降系數(shù)；σG和σ0分別為風(fēng)電機組產(chǎn)生的湍流和自然湍流的均方差，通常情況下，σG=0.08u，σG=0.12u，u為平均風(fēng)速，kw為一經(jīng)驗常數(shù)：

(4)

式中：h為輪轂高度；z為地表粗糙度[16]。

圖1 Jensen尾流模型

2 風(fēng)電場模型構(gòu)建

在WindPRO 軟件中輸入某風(fēng)電場的地形數(shù)據(jù)、風(fēng)資源數(shù)據(jù)，選擇合適的風(fēng)電機組及其機位排布，利用構(gòu)建仿真實驗所需的風(fēng)電場模型過程，加深學(xué)生對風(fēng)電專業(yè)知識概念的理解。

2.1 選擇風(fēng)電機組

風(fēng)電場風(fēng)電機組初步選型原則：雙饋風(fēng)電機組技術(shù)成熟,一段時期內(nèi)可作為首選機型[17]。本次模擬實驗風(fēng)電場中的風(fēng)電機組選擇20臺ENRONWIND生產(chǎn)的1.5 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機，此風(fēng)電機組輪轂高度為67.4 m，風(fēng)輪直徑為65 m。

2.2 風(fēng)電場場址地形圖和風(fēng)資源數(shù)據(jù)

在地形較為平坦地區(qū)，不同的粗糙度線范圍有不同要素的影響，對主風(fēng)向上的風(fēng)機影響較大，風(fēng)速影響2%左右、風(fēng)機尾流影響6%左右、發(fā)電量影響5%左右[18]。文獻[14]中指出，不同精度的地形圖對于復(fù)雜風(fēng)電場年凈發(fā)電量和尾流的影響不大。故綜合兩者選擇比例尺為1∶75000，使評估結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。文獻[19]中指出由于Jensen尾流模型假設(shè)風(fēng)力機尾流區(qū)為全湍流狀態(tài)且忽略了風(fēng)力機產(chǎn)生的葉尖渦，所以Jensen尾流模型的適用范圍是遠尾跡區(qū)，即風(fēng)力機下游3D(D為風(fēng)輪直徑) 之后的區(qū)域。因此，設(shè)定風(fēng)力機之間的行距大于3D。本次實驗的風(fēng)資源數(shù)據(jù)源自某風(fēng)電場每間隔10 min實際測量的風(fēng)資源數(shù)據(jù)，包括最大風(fēng)速、標(biāo)準(zhǔn)方差、風(fēng)向等風(fēng)數(shù)據(jù)。

由某風(fēng)電場風(fēng)資源數(shù)據(jù)經(jīng)WindPRO計算得風(fēng)數(shù)據(jù)分析如圖2。風(fēng)資源威布爾分布中，風(fēng)速主要分布在4～12 m/s。風(fēng)能資源主要來自N和NNW方向。平均風(fēng)速在E、SEE、SSE這3個扇區(qū)內(nèi)小于6 m/s，其他扇區(qū)平均風(fēng)速均大于6 m/s。N方向的風(fēng)頻率高達22.2%，NNW、WSW方向的風(fēng)頻率分別達到12.5%、11.2%。

2.3 風(fēng)力機普通機位排布

實驗中的普通機位排布是指在風(fēng)電場址地形中風(fēng)電機組的簡單排布。一般情況下，在風(fēng)向集中的風(fēng)場布置風(fēng)力機時，平行于主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)機所需間距需較風(fēng)向分散的風(fēng)場要遠[20]。由圖2可知，該風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，設(shè)定垂直于主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)力機間距為200 m,平行于主導(dǎo)風(fēng)向的風(fēng)力機間距大于3D，機位排布如圖3右上方所示。

圖2 風(fēng)數(shù)據(jù)分析

2.4 優(yōu)化方案選擇

OPTIMIZE 模塊從發(fā)電量的角度，具有快速優(yōu)化和完全優(yōu)化兩種方案，實驗選擇完全優(yōu)化方案。根據(jù)場址粗糙度尾將流衰減常數(shù)設(shè)為0.075。

3 仿真實驗

基于考慮尾流效應(yīng)與無尾流兩種情形，利用已構(gòu)建的風(fēng)電場模型，做進一步的風(fēng)電場發(fā)電量的計算。結(jié)合計算所得數(shù)據(jù)和圖形結(jié)果，以最直觀的形式展現(xiàn)尾流損耗和機位排布在風(fēng)電場建設(shè)中的重要意義，加深綜合概念理解。

3.1 無尾流普通機位排布發(fā)電量計算

根據(jù)WindPRO軟件中建立的風(fēng)電場模型，利用軟件中的PARK模塊計算無尾流普通機位排布時發(fā)電量。圖3所示為無尾流模型下的風(fēng)力機普通排布PARK發(fā)電量計算結(jié)果。

3.2 考慮尾流模型普通機位排布發(fā)電量計算

基于上述風(fēng)電場模型，利用軟件中的PARK模塊計算考慮Jensen尾流模型普通機位排布的發(fā)電量。

圖3 無尾流風(fēng)力機普通排布PARK計算

3.3 Jensen 尾流模型下機位排布優(yōu)化

在前述普通機位排布基礎(chǔ)上，考慮Jensen尾流模型、粗糙度、地形等條件下，通過WindPRO中OPTIMIZE模塊對普通機位排布進行機位優(yōu)化，優(yōu)化后機位排布如圖5所示。在允許范圍內(nèi)，從發(fā)電量的角度，結(jié)合風(fēng)資源和地形等數(shù)據(jù)，合理安排風(fēng)力機的機位排布；用以提升風(fēng)力機的發(fā)電效率和風(fēng)電場年發(fā)電量。

3.4 實驗結(jié)果對比分析

3.4.1發(fā)電量對比分析

在表1中，考慮尾流模型時發(fā)電量減少17 754.6 MWh，尾流損耗嚴重。受尾流影響，滿負荷等效小時數(shù)減少395 h，容量系數(shù)降低4.5%。基于WindPRO軟件建立風(fēng)電場模型，考慮Jensen尾流模型，實驗結(jié)果可以充分擬合實際風(fēng)電場中尾流導(dǎo)致風(fēng)能損失的情況，減少發(fā)電計算時產(chǎn)生的誤差；讓學(xué)生以計算發(fā)電量的數(shù)據(jù)形式更直觀地了解風(fēng)力機尾流造成的損耗。

圖4 考慮Jensen尾流模型下風(fēng)力機普通排布PARK計算

圖5 考慮Jensen尾流模型機位優(yōu)化表1 無尾流與考慮尾流模型

尾流模型發(fā)電量/MWh滿負荷等效小時數(shù)/(h·a-1)容量系數(shù)/%尾流損耗/%NomodelJensen120416．3102661．72676228130．526．014．7

3.4.2機位排布優(yōu)化對比分析

對比表2可知，考慮Jensen尾流模型，機位優(yōu)化后發(fā)電量增加4336.3 MWh，占優(yōu)化前發(fā)電量的4.22%，優(yōu)化效果明顯。滿負荷等效小時數(shù)增加97 h，容量系數(shù)升高1.1%。通過對機位排布的優(yōu)化，以機位圖形中位置變化的直觀形式，模擬實際風(fēng)電場中機位優(yōu)化；同時，對機位優(yōu)化所帶來的益處以風(fēng)電場發(fā)電量提升的數(shù)據(jù)形式體現(xiàn)出來，令學(xué)生深刻領(lǐng)悟機位優(yōu)化可以減弱尾流效應(yīng)所帶來的負面影響。

表2 優(yōu)化前后

4 結(jié) 語

通過利用WindPRO軟件中的PARK和OPTIMIZE模塊，分別進行仿真計算。根據(jù)考慮尾流與否計算發(fā)電量的過程和結(jié)果，結(jié)合與風(fēng)電相關(guān)的理論專業(yè)知識，引導(dǎo)學(xué)生通過仿真實驗的方式將尾流效應(yīng)復(fù)雜抽象的理論概念轉(zhuǎn)化為風(fēng)電場發(fā)電量直觀的數(shù)據(jù)形式，使其充分理解尾流效應(yīng)等因素對風(fēng)電場發(fā)電量的綜合影響。機位排布的優(yōu)化仿真實驗可使學(xué)生對風(fēng)電場中，風(fēng)力機機位排布對發(fā)電量和尾流損耗的影響有更加直觀的認識。讓學(xué)生在充分理解專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，更好的掌握并使用WindPRO軟件進行風(fēng)電場發(fā)電量、風(fēng)數(shù)據(jù)分析、尾流效應(yīng)和機位優(yōu)化等專業(yè)的應(yīng)用技能。利用WindPRO軟件進行仿真實驗計算，消除學(xué)生的抽象感，讓實踐教學(xué)更為生動直觀，基礎(chǔ)理論、概念更易理解吸收，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。WindPRO軟件在教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用起到一舉數(shù)得的效果，極大提高教學(xué)效率。

參考文獻(References)：

[1] 徐 濤.2016年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計[DB/OL]. (2017-02-17)[2017-10-01].http://www.chinadmd.com/file/u3oi6ii6vsspupvsoo6uwsivatvv3vo6ca3xxaet_1.html.

[2] World Wind Energy Council.Wind:2016 market report by World Wind Energy Council (GWEC)[EB/OL]. (2017-02-10)[201-10-01].http://gwec.net/80088-2/.

[3] 吳雙群，趙丹平. 風(fēng)力機空氣動力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[4] 許海清，李華強，潘一飛，等.尾流效應(yīng)和風(fēng)特性對雙饋風(fēng)機LVRT的影響[J].電氣傳動，2014(4):66-71.

[5] 蘇勛文，趙振兵，陳盈金，等.尾流效應(yīng)和時滯對風(fēng)電場輸出特性的影響[J].電測與儀表，2010(3):28-31.

[6] 孫 輝，吳姝雯，王 超. 尾流效應(yīng)對風(fēng)電場功率輸出的影響分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2015，42(2):55-60.

[7] 陳樹勇，戴慧珠，白曉民，等. 尾流效應(yīng)對風(fēng)電場輸出功率的影響[J].中國電力，1998，31(11):28-31.

[8] 賈 彥，劉 璇，李 華，等. 考慮尾流效應(yīng)對風(fēng)電場機組布局的影響分析[J].可再生能源，2014，32(4):429-435.

[9] 李德平. 高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)與實踐教學(xué)體系的構(gòu)建[J]. 遼寧教育研究，2007(4): 75-77.

[10] 胡偉心.對仿真軟件在教學(xué)中應(yīng)用的思考[J].實驗教學(xué)與儀器，2006，23(11):34-35.

[11] 李 平，毛昌杰，徐 進.開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32(11):5-8.

[12] 王海云，張革榮.風(fēng)電場選址軟件WindPRO在本科教學(xué)中的應(yīng)用[J].機電信息，2015(15):163-164.

[13] 韓曉亮，孫少軍，杜燕軍，等. 地形圖精度對復(fù)雜地區(qū)風(fēng)電場計算結(jié)果的影響[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2012(8):84-98.

[14] Milborrow D J. Theperformanceof arraysofwind turbines[J]. Journal of Industrial Aerodynamics,1980(5):403-430.

[15] Larsen G C, Frandsen T, Folkerts L,etal.Comparison of wake model simulations with offshore wind turbine wake profiles measured by sodar[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2006,23(7)：888-901.

[16] 張 碩，李庚銀，周 明，等. 風(fēng)電場可靠性建模[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(13)：37-41.

[17] 田 迅，任臘春.風(fēng)電機組選型分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008(10):36-39.

[18] 彭秀芳，李劍鋒. 地形粗糙度線范圍對風(fēng)電場計算的影響[J].電力勘測設(shè)計，2012(4):70-73.

[19] 田琳琳，趙 寧，徐 爽.二維Jensen尾流模型的提出與驗證[R]. 全國風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)年會暨"十二五"風(fēng)能973專題研討會，2014.

[20] 蘇 婧. 風(fēng)向分布對簡單地形下規(guī)則布置的風(fēng)電機組間尾流效應(yīng)的影響[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2014(9):102-104.