基于實際工程的風電場尾流模型分析

王先陽 楊玉 劉天勝

為了應對全球氣候變化問題，世界各國都在為節能減排采取積極措施，清潔能源在能源結構中的占比越來越大。十幾年來，我國風電市場得到迅猛的發展，基于趨于成熟的行業標準和規范，風電項目的開發逐漸走向規模化和商業化，在開發前期對于風能資源的利用也越來越精細化。

尾流是造成風電場發電量損失的重要因素之一，準確評估風電場的尾流效應，對于優化排布、機組選型、風電場設計等方面至關重要。因此，在進行風電機組排布等前期開發設計工作時，機組間的尾流影響也受到人們越來越多的關注。目前，行業內已有大量成熟的尾流模型，如風能資源分析軟件WAsP中較為常見的Park尾流模型和Fuga尾流模型，丹麥WindPRO軟件中的EVM模型（EddY Viscosity Model）以及風電場設計軟件Openwind中適用于大基地風電場的DAWM模型（Deep Array Wake Model）等。

本文基于某風電場內測風塔10分鐘測風數據，按照行業標準NB/T 31147-2018《風電場工程風能資源測量與評估技術規范》及IEC 61400-1-2019《Wind energy generation systems》關于測風數據處理部分的要求，使用Windographer軟件對測風數據進行處理分析，通過對同一座測風塔不同高度層風速的相關性進行分析，首先還原測風塔105m高度自由流風速，然后采用實際工程中使用較多的Modified Park 尾流模型和EVM尾流模型，計算得出4個典型時間段不同尾流模型下的風速結果。通過將受尾流影響的風速與同時段還原后的自由流風速進行對比，探究2個尾流模型對尾流影響程度的評估效果。

尾流模型介紹

一、 Modified Park尾流模型

Park尾流模型是丹麥Ris？實驗室的Katic和N.O.Jensen基于理想風力機一維動量守恒原理提出的適用于平坦地形的線性尾流模型，是一種一維線性尾流模型，不考慮湍流效應帶來的影響。該模型假設：（1）尾流區從風輪后開始，初始直徑即為風輪直徑；（2）尾流速率按照線性關系增長；（3）截面上尾流流速分布均勻。

項目概況

本文所選的研究項目位于天津市大港區，機組均為G132-5.0MW型，葉片長度為64.5m，掃風面直徑為132m，輪轂高度為105m。

機組與測風塔（記錄儀為NRG）的相對位置如圖1所示：1#機組位于測風塔南偏西50°（230o）190m處；2#機組位于測風塔東偏南15°（105o）570m處。

測風塔位于平原地區，塔高105m，采樣間隔為1s，測風設備為NRG風速傳感器。目前收集到測風塔2018年的10分鐘測風數據，測風塔配備信息及結構如表1及圖2所示。

如圖2所示，測風塔在105m、85m、65m、50m和30m處均安裝有風速儀和風向標，在8m高度上安裝有溫度計、氣壓計和數據的記錄儀。

尾流分析及驗證

首先，確定測風塔受尾流影響的高度和角度，對30m和105m高度實測數據進行合理性檢驗，將無效數據剔除后，得到2個高度有效數據時間序列，采用MCP（測量―相關―預測）的方法還原得出一套105m高度處的自由流風速，作為本文尾流模型驗證部分對比數據的來源。

一、尾流影響角度確定

1#機組位于測風塔南偏西50°（230o）處；2#機組位于測風塔東偏南15°（105o）處。1#機組對測風塔的尾流影響區域大小為90°，即尾流區域范圍為185o～275o；2#機組對測風塔的尾流影響區域大小為57°，即尾流區域范圍為76.5o～133.5o。

二、尾流影響高度確定

1#與2#機組的輪轂高度均為105m，葉片長度為64.5m，即葉尖距離地面最低高度為40.5m，最高點距地面高度為169.5m。

從西南及東南方向的來流風速經過1#、2#風電機組時，在機組后方形成尾流區。本文選取受風電機組影響典型時間段的風速曲線如圖4、圖5所示。

如圖4所示，8月27日15時至21時，風向為東南方向，介于105°～125°，測風塔位于2#風電機組尾流影響區。此時30m高度風速明顯高于測風塔其他高度層風速。

如圖5所示，12月12日11時至22時，風向為西西南，介于240°～260°，測風塔位于1#風電機組尾流影響區。此時30m高度風速明顯高于測風塔其他高度層風速。

根據對實測數據的分析結果，當測風塔處于尾流影響區時，65m、85m、105m高度處的風速下降趨勢明顯，而30m高度處的風速受影響較小，且風電機組葉片最低點距離地面40.5m，高于風速儀安裝的30m高度。

為最大程度利用實測數據，將測風塔30m高度處的實際測風數據作為本文對尾流影響程度計算的參考值。受尾流影響的測風數據高度包括：65m、85m、105m。利用30m高度的實測數據在Windographer軟件中采用MCP（測量―相關―預測）的方法還原105m高度處的風速數據。

三、尾流模型驗證

將上述還原所得的105m高度自由流風速序列作為自然風速導入Openwind軟件，使用各尾流模型計算得到測風塔105m高度處的風速，將其與測風塔實測風速進行對比，驗證尾流模型的適用性。選取2臺風電機組影響扇區角度范圍內2個典型時段，作為本文尾流模型驗證數據的基礎。以下為選取4個典型時段尾流模型計算結果與實測風速的對比。其中，圖6和圖7分別為典型時段一和二，位于1#尾流區；圖8和圖9分別為典型時段三和四，位于2#尾流區。從圖中可以看出，EVM模型計算得出的尾流后風速更接近于實測尾流風速值。

如圖6所示，選取2018年9月16日15：20-22：00近7個小時的風速風向數據，此時風向介于230°～267°，測風塔位于1#風電機組尾流區。

如圖7所示，選取2018年12月12日12：00-22：50近11個小時的風速風向數據，此時風向介于240°～260°，測風塔位于1#風電機組尾流區。

如圖8所示，選取2018年8月27日14：00-21：50近8個小時的風速風向數據，此時風向介于105°～130°，測風塔位于2#風電機組尾流區。

如圖9所示，選取2018年10月 15日14：40-19：40 5個小時的風速風向數據，此時風向介于108°～125°，測風塔位于2#風電機組尾流區。

結論

本文簡單介紹了Modified Park尾流模型和EVM尾流模型的原理，并在Openwind軟件中對各尾流模型進行驗證。對比結果顯示，各尾流模型均存在對測風塔受風電機組尾流影響程度低估的情況。與Modified Park尾流模型相比，EVM尾流模型計算得到的風速更趨近實測風速。但需要注意的是，本文為便于對尾流影響程度進行定量分析，將測風塔30m高度處的實測數據視為未受尾流影響的數值，具有一定的誤差和不確定性。同時，基于1座測風塔的尾流分析不具備規模風電場尾流的普遍性。此外，受限于軟件，本文分析的模型種類較少，后續可對其他軟件尾流模型進行對比分析。

（作者單位：北京瑞科同創能源科技有限公司）