基于Park模型對海上風電場尾流的敏感性分析

陶英佳，黃小祥，周輝

基于Park模型對海上風電場尾流的敏感性分析

陶英佳，黃小祥，周輝

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200062）

尾流的計算直接影響風電場發電量的估算結果及項目財務指標，基于Park模型對某海上風電場的尾流計算結果做敏感性分析，結果表明，尾流損失隨著值的變化呈現出二次函數的相關變化，隨著值的升高，尾流降低幅度越來越小；尾流損失隨著風速的變化呈現出線性函數的相關變化，隨著風速的提高，尾流也相應地呈線性降低。

Park模型；尾流；海上風電場；風機

風經過風力發電機后，由于葉輪吸收了部分風能，風力發電機的下游風速出現一定程度的突變減小，而后又逐漸恢復。在風電場中，多臺風機間的尾流疊加又會影響其他受影響風機的工作風速，進而影響其他風機出力，導致全場的實際發電功率總是低于理論發電功率。

由于海面的粗糙度較小、湍流強度低，風電機組尾流的影響距離較遠。此外，海上風電場工程裝機容量較大，多臺風機間的尾流疊加影響較大，因此，陸上風電經驗得到的尾流模型應用在海上風電場時，往往會低估尾流的影響[1]。尾流的計算直接影響風電場發電量的估算結果及項目財務指標，并影響項目前期投資方對項目的投資決策。綜上，在海上風電項目設計過程中，對風電場尾流的研究顯得尤為重要。本文基于Park模型對某海上風電場的尾流計算結果做敏感性分析。

1 Park模型

描述風電場風機尾流的數學模型有多種，比如一維線性尾流模型、二維軸對稱渦粘模型、三維流體計算軟件仿真模型等。其中，最經典且最常在工程項目中使用的兩類尾流數學模型分別是Park模型（一維線性模型）和Eddy模型（二維軸對稱渦粘模型）[2]。Park模型模型由丹麥Riso可再生能源實驗室的Katic等人提出，目前已被廣泛應用于風能行業的風能資源評估及發電量測算軟件中，該模型基于完成解析的數學表達式，擁有計算量低、響應速度快、參數調整靈活等特點。

Park尾流模型的原理為：假定氣流經過風機葉輪后所形成的尾流沿風機中心線呈軸對稱形態，并且尾流寬度隨著下風方向距離的增加而呈線性增加，但速度衰減逐漸恢復。

如果一臺風力發電機的葉輪部分位于另一臺風力發電機的尾流區域中，風速衰減是與兩臺風力發電機的葉輪重疊面積成比例：

式（1）中：t為風機推力系數；為風機直徑；OVERLAP為葉輪重疊面積；WT2為下游風機葉輪面積。

2 風電場概況

風電場離岸距離約20 km，水深在20 m以上，場址面積約80 km2，擬規劃采用73臺單機容量為5.5 MW的風力發電機組，風電機組布置呈三角形形狀，一共布置五排風力發電機組，風電場布置及各個風機編號如圖1所示。采用5.5 MW風機標準空氣密度下的功率曲線和推力系數t值，作為計算輸入。根據上述輸入條件，值取0.05的情況下，本風電場平均尾流損失為10.07%，由于后排受前排尾流疊加的影響，57號機位單機尾流最大，最大單機尾流損失達到了14.71%。

圖1 風電場場址示意圖

3 尾流敏感性分析

在風電場所選用機型和機型布置明確的情況下，采用Park模型計算得到的風電場尾流主要取決于風電場風資源評價結論和模型中參數的選取。Park模型的核心在于通過定義尾流衰減因子來表示尾流的線性擴張。尾流衰減因子與環境湍流及地面粗糙度相關。通常隨著環境湍流強度的增加而增大，常用取值為0.03～0.08。的取值不同會直接影響尾流損失與全場發電量計算結果。

風電場風資源評價結論需根據代表氣象站多年資料進行長年訂正后得到，因此根據測風塔數據直接進行發電量計算存在一定不確定性。

綜上，本文主要從風速和值兩個方面對風電場的尾流進行敏感性分析。在值取0.05的情況下，通過將各個扇區的風速均提高2%～10%對尾流計算結果進行敏感性分析；在風資源成果不變的情況下，通過調整值對尾流計算結果進行敏感性分析，調整區間為0.03～0.08。

尾流計算結果如表1所示，值變化與尾流損失之間的擬合成果如圖2（a），風速提高比例變化與尾流損失之間的擬合成果如圖2（b）。根據圖表結果可以發現，在風速一定的情況下，平均尾流損失和最大單機尾流損失隨著值的變化呈現出二次函數的相關變化，隨著值的升高，尾流降低幅度越來越小；在值一定的情況下，平均尾流損失和最大單機尾流損失隨著風速的變化呈現出線性函數的相關變化，隨著風速的提高，尾流也相應地呈線性降低。

表1 尾流損失隨值、風速變化表

K值平均尾流/（%）最大尾流/（%）風速提高比例/（%）平均尾流/（%）最大尾流/（%） 0.0312.3618.94010.0714.7 0.0411.0716.5629.8014.2 0.0510.0714.7149.5213.7 0.069.2713.2669.2413.2 0.078.6112.1488.9612.7 0.088.0311.23108.6612.2

4 結語

本文介紹了Park模型計算尾流的原理，并簡單介紹了試驗風電場，通過對風電場尾流的計算進行敏感性分析，結果表明，在風速一定的情況下，平均尾流損失和最大單機尾流損失隨著值的變化呈現出二次函數的相關變化，隨著值的升高，尾流降低幅度越來越??；在值一定的情況下，平均尾流損失和最大單機尾流損失隨著風速的變化呈現出線性函數的相關變化，隨著風速的提高，尾流也相應地呈線性降低。

［1］程海鋒，胡志堅.海上風電場風電機組的尾流控制［J］.水利規劃與設計，2013（12）：94-97.

［2］鄭愛玲，梁中榮.大型海上風電場尾流損失計算方法對比［J］.風能，2016（1）：84-86.

TM614

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.015

2095－6835（2019）17－0036－02

〔編輯：張思楠〕