基于風電場實測的風機尾流特征分析

溫建民,張新旺,陳 鋒,陳 軍

(烏魯木齊金風天翼風電有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

風力發電是主要的可再生能源之一，目前其應用越來越廣泛。風力發電機葉輪旋轉時能夠產生看不見的尾流，而尾流會對下風向的風機發電量及機械載荷產生一定的影響。據相關研究，風力機完全處于尾流區運行時，功率損失可達30%～40%[1],載荷增加高達10%～45%[2]。風機相互間距越近，尾流效應越明顯，機組的能量損失也就越多，對下風向風機載荷的影響也越大。

一般來講，對風機尾流的研究分為三類，即試驗研究、半經驗尾流模型研究以及基于數值模擬的方法研究[3]。Alfredsson等[4]在瑞典航空研究院(FFA)通過風洞實驗來模擬研究風機尾流。最經典的半經驗尾流模型是1982年RisΦ實驗室提出的Jensen模型，它是基于貝茨極限理論和質量守恒定律提出的，是一種適用于平坦地形的尾流模型[5，6]。除Jensen模型外，比較著名的半經驗尾流模型還有渦粘性尾流模型、Larsen模型及Lissaman模型[7]。隨著計算機技術的發展，鄧力和周洋[8，9]基于制動盤尾流模型對風機尾流進行了數值模擬研究。本文利用激光測風雷達對新疆達坂城地區某風電場單臺風機尾流進行現場實測,通過測量數據繪制風機尾流區不同測試點風廓線，并分析得到陸上風電場單臺風機不同來流風速下的尾流區風速恢復速率。

1 測試機組概況

測試機組位于風資源比較豐富的新疆達坂城地區某風電場，風電場海拔1 120 m，地形相對平緩，植被稀疏，以戈壁灘、荒地為主。表1中列出了測試風機性能參數。采用法國Leosphere公司推出的Windcube V2激光脈沖多普勒測風雷達測試機組的來流及風機尾流區不同高度處的風速及風向。

表1 風機性能參數

2 測試方案

本測試采用2臺Leosphere Windcube V2多普勒激光雷達和1臺中海達HTS-520L10彩屏全站儀。一臺Windcube V2多普勒激光雷達作為參考雷達，用于測試風機的流入風速及風向；另一臺Windcube V2多普勒激光雷達作為測試雷達用于測試風機下風向尾流區的風特性參數；中海達HTS-520L10彩屏全站儀用于確定測量點與風機的相對方位與距離。

根據風資源預測平臺常年數據得知：測試風機的主風向為西西北風向，與正北方向夾角285°。測試風機與參考雷達(Re-Ladar)和測試雷達(Te-Ladar)相對位置關系如圖1所示，參考雷達(Re-Ladar)置于測試風機正北方順時針285°距離風機1.5D處，測試點為風機正北方順時針105°距離風機85 m、D、2D、2.5D、3D、4D、5D和6D的8個點。

圖1 測試機組、測試雷達、參考雷達及測試點

3 測試結果及結果分析

3.1 額定風速測試結果

風機輪轂高度流入風速為10.5 m/s時，其對應風機下風向尾流區距離風機不同距離的風速分布如圖2所示。對比風機下風向尾流區不同距離垂直高度風速分布，尾流區高度方向上風速呈C形分布，在高度方向風速先逐漸減小，到達風機輪轂高度(H)后風速逐漸增大，到達輪轂加葉輪半徑高度(H+D/2)后風速迅速增大，隨著高度的增加風速逐漸接近來流風速。各測量點風機輪轂高度處風速大小及該點風速與流入風速的百分比如表2所示。由表2可以看出：在風機下風向尾流區距風機85 m處輪轂高度的風速為6.546 m/s，為流入風速的62.3%；在風機下風向尾流區距風機D處輪轂高度的風速為7.294 m/s，為流入風速的69.5%；在風機下風向尾流區距風機6D處輪轂高度的風速為9.451 m/s，為流入風速的90.0%。由測試數據可以看出風機下風向尾流區距風機85 m處到6D處，輪轂高度的風速由6.546 m/s逐漸增加到9.451 m/s，尾流區輪轂高度處風速由距離風機85 m處原風速的62.3%逐漸恢復到距離風機6D處的90.0%。由此可知，風機下風向尾流區離風機的距離越遠，風速越接近來流風風速。

圖2 流入風速10.5 m/s時風機尾流區不同距離處垂直高度風速分布圖

表2 風機尾流區不同測試點輪轂高度風速與來流風速百分比

3.2 額定風速下實測結果與尾流模型比較

Jensen模型是經典的半經驗尾流模型，其中風機下風向距風機不同距離處輪轂高度風速vx與來流風速v0、風機推力系數CT、葉輪半徑R、耗散系數k和距離x關系如下：

(1)

其中：耗散系數k在陸上風電場一般取0.075，近海風電場一般取0.050。

Frandsen模型是設在風電機組下游x處的尾流區風速為vx，表達式如下：

(2)

其中：Dx為尾流直徑，由下式計算：

(3)

(4)

其中：αnoj為常數，取值為0.05。

圖3為風機下游尾流區輪轂高度處實測與不同模型(Jensen模型及Frandsen模型)風速與距離之間的關系。由Jensen模型與Frandsen模型曲線可以看出，在風機尾流區距離風機越遠風機輪轂高度處的風速越接近來流風速。對比實測曲線與模型曲線可知：6D處Jensen模型(陸地)計算為9.308 m/s，是來流風速的89%；Jensen模型(海上)計算為8.819 m/s，是來流風速的84%；Frandsen模型計算為9.757 m/s，是來流風速的93%；實測風速為9.451 m/s，恢復到流入風速的90%。從整體變化趨勢來看，實測結果與Jensen模型曲線擬合度高。

圖3 風電機組下游尾流區輪轂高度處風速與距離的關系(流入風速10.5 m/s)

3.3 不同來流風速下實測結果

本文研究分析了不同來流風速7 m/s、9 m/s、10.5 m/s、12 m/s、14 m/s和16 m/s機組尾流區各測試點的風速，不同來流風速尾流區風剖面曲線如圖4所示。根據機組的參數可知，葉輪的高度范圍為37 m～143 m，對比不同來流風速尾流區的風剖面曲線可以看出：額定風速以下時，在距離機組2D的近尾流區，垂直方向上風速隨高度先是逐漸減小,在60 m高度處達到最小，60 m～90 m高度處風速逐漸增大，90 m～120 m高度處風速逐漸減小，120 m～140 m高度風速逐漸增加，140 m以上風速迅速增加達到來流風速;在距離機組2.5D～6D的遠尾流區，來流風速為9 m/s時，2.5D～5D點，垂直方向上40 m～80 m高度風速逐漸減小，在80 m高度達到最小，80 m～140 m高度風速逐漸增加，140 m以上風速迅速增加達到來流風速;在6D點垂直方向上風速增加緩慢，并逐漸達到來流風速;在額定風速及額定風速以上，來流風速為10.5 m/s、12 m/s、14 m/s尾流區85 m到5D點，以及來流風速為16 m/s尾流區85 m到3D點，垂直方向上40 m～80 m高度風速逐漸減小，在80 m高度達到最小，80 m～140 m高度風速逐漸增加，140 m以上風速迅速增加達到來流風速;來流風速為10.5 m/s、12 m/s時，在6D點垂直方向上風速緩慢增加，逐漸達到來流風速;來流風速為16 m/s時，在4D點和5D點，垂直方向上風速迅速增加至來流風速。理論上在風機尾流影響區，機組輪轂高度90 m處風速最低，由于地表粗糙度對風速的影響，尾流區最小風速高度為80 m。由此可見在機組下風向垂直方向上近尾流區風速受尾流影響較大，隨著距離增加，尾流區風速逐漸恢復，此時垂直方向上風速受風切變的影響逐漸增大。

圖4 不同來流風速尾流區風剖面曲線

表3為現場實測不同來流風速風機尾流區不同測試點輪轂高度風速與來流風速百分比。由表3數據看出：來流風速為7 m/s時，4D點風速恢復到來流風速90.22%；來流風速為9 m/s時，6D點風速恢復到來流風速92.68%；來流風速為10.5 m/s時，6D點風速恢復到來流風速90%；來流風速為12 m/s時，4D點風速恢復到來流風速90.24%；來流風速為14 m/s時，3D點風速恢復到來流風速91.24%；來流風速為16 m/s時，3D點風速恢復到來流風速91.9%。由此可知：在額定風速以下時，隨著來流風速的增加，風機尾流區風速恢復速率逐漸減慢；在額定風速以上時，隨著來流風速的增加，風機尾流區風速恢復速率逐漸加快。

表3 不同來流風速風機尾流區不同測試點輪轂高度(90 m)風速與來流風速百分比

4 結論及展望

通過在新疆達坂城地區某風電場對單臺風力機尾流進行現場實測，并對測試結果進行分析，可以得到以下結論：

(1) 風機尾流區對稱平面內垂直方向上風速呈C形分布，在高度方向上風速先是逐漸減小，到達風機輪轂高度后風速逐漸增大，到達輪轂加葉輪半徑高度后，隨著高度的增加風速迅速接近來流風速。

(2) 風機下風向尾流區風速隨著距離增加風速逐漸恢復。由測試結果可以看出，在額定風速時機組尾流區風速由D處的69.5%逐漸恢復到距離風機6D處的90.0%。

(3) 通過對比不同來流風速下機組尾流區不同測試點垂直高度風剖線可知，在機組近尾流區風速受尾流影響較大，隨著距離增加，尾流區風速逐漸恢復，此時垂直方向上風速受風切變的影響逐漸增大。

(4) 在額定風速以下隨著來流風速的增加，機組尾流區風速恢復速率逐漸減慢；在額定風速以上隨著來流風速的增加，機組尾流區風速恢復速率逐漸增加。

本文通過對不同來流風速機組下風向尾流區的現場實測，繪制機組尾流區距機組不同距離處的風剖面，分析不同來流風速下機組尾流區風速恢復速率，為后續風電場機組選型及優化排布和風電場整體發電量提升奠定了基礎。