尾流效应对风电场机组功率特性影响的研究

罗海荣，朱 丹，李 峰，杨雪红

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；

2.宁夏农林科学院，宁夏 银川 750011）

尾流效应对风电场机组功率特性影响的研究

罗海荣1，朱 丹2，李 峰1，杨雪红1

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；

2.宁夏农林科学院，宁夏 银川 750011）

针对影响风电场机组功率输出的问题，通过实地考察，选择合适位置安放测量装置，并结合GB/T 18451.2—2003功率特性测试标准进行测试研究，分析不同区域内的风速和风功率输出特性。结果表明：风电机组之间的尾流效应，降低了风电机组的风能利用系数，影响了风电机组的功率输出；因此，在建设风电场时，应充分考虑风电机组之间的距离，尽量减少尾流效应对风电机组的影响。

尾流效应；风电场；功率特性

随着新能源的快速发展，风力发电占电网电源结构比值持续增加，有些大型风电场由几百台甚至上千台机组组成。由于风力本身具有随机性、波动性和间歇性，给电网的安全运行带来了一系列问题，为更加准确分析大型风电场的动态行为，风电机组间的尾流效应值得关注。

我国地形比较复杂，风电机组的出力又与气象环境关系密切，为了给电网调度提供准确的实测机组功率特性曲线数据，风功率测试系统的准确性变的尤为重要。实测所获得的数据越准确，风力发电并网给电网的安全运行带来的影响就越小，这样可以增加对风电资源的利用率，提高风力发电的经济性。

鉴于此，本文在文献［1］的基础上，以某风电场为例，选择了2台风电机组，并参考风电机组的地理位置，选择了测量装置的测量位置，通过计算分析和比较，得出不同情况下风速和风功率的输出特性。

1 尾流效应对风电场的影响

风电机组吸收了风中的部分能量，所以当风经过风电机组后，其速度要有所下降。在大型风电场中，由于风电机组数量较多，迎风面部置的机组会遮挡其后面部置的机组的部分风量［2-3］。因此，坐落在下风向的风电机组的风速要低于上风向的机组的风速，风电机组之间的距离越近，影响就越大，这种现象称为尾流效应。尾流效应造成的能量损失会对风电场的经济性造成很大的影响。

2 试验测试研究

2.1 计算方法

快速尾流效应的计算［4-5］

式中：R—风电机组叶轮半径；

RW—相邻机组的尾流作用半径；

K—尾流衰减常数，对于海上风电场K为0.04，对于陆上风电场K为0.075。

x—风电机组之间的距离。

式中：V0—输入时的风速；

VW—相邻机组的尾流风速；

CT—推力系数。

对于覆盖地面积较大的风电场，计算时还需要考虑其延迟时间

式中：t—风速延迟时间；

2.2 测量装置的位置

在安装测量装置时，需特别注意其安装位置，避免与风力发电机组靠得太近，因为在机组前方的风速值将会降低，相反与风力发电机组也不应离的太远，因为会造成测量所得到的风速值与风力发电机组的功率输出相关性减小。根据要求［6-7］，测量装置所处位置与风力发电机组的距离应为风力发电机组风轮直径D的2～4倍。

如图1所示，以风速方向为正北方向，风电机组位于圆心处进行分析，由于风力发电机组尾流对测风杆干扰，当测量装置距离风电机组为2D时，其扇形角为103°；距离为2.5D时，其扇形角为93°；距离为4D时，其扇形角为74°。因此可得到：随着测量装置与风电机组之间的距离增大，扇形角减小。

图1 测量装置的距离与最大允许测量扇形区域

2.3 数据采集及筛选

采用0.5 Hz的取样速率连续进行数据采集，对于温度、气压及风力发电机组状态等参数测量可以用较低的采样速率，本试验采样时间为1s，每分钟计算1次，满足文献［1］的需求。

数据采集系统能够同时存储采样得到的数据与已经处理过的数据组。预处理的数据包含最大值、平均值、最小值和标准差。

筛选的数据由连续测量所得到的数据产生并以10 min为一个周期。若从预处理的数据中产生，则应该根据式（5）、式(6)计算出每10 min时间的平均值：

式中：Nk—10 min预处理数据组数据量；

Xk—预处理数据时间内的平均值；

X10min—10 min内的平均值；

Ns—与处理数据组内取样数据的数量；

σk—预处理数据组数据的标准差；

σ10min—10 min的预处理数据平均标准方差。

以下情况的数据应从数据库中进行删除：

（1）风力发电机组不运行；

（2）测试设备发生故障停止测量；

（3）风向超出测量扇区。

从测试现场筛选出的数据组需进行折算，回归到两种参考空气密度下：一种是在试验场地测得的空气密度平均值，其变化幅值大约在0.05 kg/m3；另一种是海平面的空气密度值，参照ISO标准的空气密度（1.225 kg/m3）。根据所测得大气温度和压力计算空气密度：

式中：ρ10min—计算得到的10 min的平均密度；

T10min—测量得到的10 min的平均绝对气温；

B10min—测量得到的10 min的平均气压；

R—气体常数287.05 J/(kg·K)。

由于实验机组是自动控制的风力发电机组，采用式（7）进行风速数据折算：

式中：Vn——经过折算的风速值；

V10min——测量得到的10 min的平均风速值；

ρ0——标准空气密度；

ρ10min——得到的10 min的平均空气密度。

测得的功率曲线是对折算的数据组采用bin法进行处理［6-7］。采用0.5 m/s bin宽度为一组，利用折算后的每个风速bin所应对的功率值根据式（8）、式（9）计算得出：

式中：Vi—折算后的第i个bin的平均风速值；

Vn,i,j—折算后的第i个bin中所含 j个数据组的风速值；

Pi—折算后的第i个bin的平均功率值；

Pn,i,j——折算后的第i个bin中所含 j个数据组的功率值；

Ni——第i个bin的10 min数据组的数据量。

3 试验结果

根据某风电场提供的机组实时数据和地理位置，选择其中的2台风电机组作为本次试验机组。将选好的2台机组分别命名为1号机组、2号机组，并依据这2台风电机组的坐标和地理条件选择了测量装置的位置坐标，测量装置的中心坐标如表1所示。其中单台风电机组的额定功率为2 MW，额定风速为11 m/s，叶片的直径D为84 m。

表1 中心坐标

图2 风机和测量装置位置

不考虑其它风电机组对测量装置的尾流影响和其他因素的影响，经计算1号机组与测量装置的距离略小于4D，2号机组与测量装置的距离约为2.5D，根据文献［1］的规定，取其扇形角分别为74°和93°。

由图3可知，以正北风向为0°，其有效风速数据应在14°～26°和119°～300°，尾流区域为0°～119°和300°～360°。由于14°～26°的区域较小，将其忽略，所以取其有效风速数据为119°～300°。

图3 尾流区域和有效区域

对1号机组和测量装置测量的风速和功率数据进行筛选和计算，首先得到10 min的平均值、最大值以及最小值，结果如图4所示。

图4 10 min风速一功率关系

根据测量位置的空气密度、温度、气压和湿度等因素，将已经获得的数据进行修正，结果如图5所示。

图5 修正后的风速-功率关系

根据文献［1］中运用bin法对修正后的数据进行分析，结果如图6所示。

图6 散点图

通过对bin法所求得的数据，分别在尾流区域和有效区域进行了分析，如图7和图8中所示。其中实线表示1号风电机组的风速与其输出功率；虚线表示测量装置的风速与其输出功率。由图7、图8可得知，在尾流区域内，尾流效应对风速有一定的影响，并随着风速的增大，对功率的影响也随之增大；在有效区域内，1号机组和测量装置的测量基本吻合。

图7 尾流区域内的风速-功率输出

图8 有效区域内的风速-功率输出

4 效果评价

（1）本次试验，分析了不同区域内尾流效应对风电机组功率曲线的影响。通过分析测试数据，发现了干扰区域得出的功率曲线与有效区域的曲线相比，其整体向右偏移，在风速5.5 m/s时，功率曲线发生偏差，并且随着风速的增加，功率偏差更加明显；当风速达到13 m/s左右时，尾流效应对风电机组功率曲线的影响较小。有效区域得出的功率曲线与机组本身的功率特性曲线基本吻合。

（2）将试验结果应用到风电场的机组选址中，可有效地的避免尾流效应，增加对风电资源的利用率，提高风力发电的经济性。

5 结论

（1）以某风电场为例，通过现场试验证明了在尾流区域内，尾流效应对风速有一定的影响，并随着风速的增大，对机组功率的影响也随之增大；在有效区域内，试验数据与机组本身的功率特性曲线基本吻合。

（2）因此建议风电厂家在建设风电场时，应注意风电机组之间的距离，充分考虑尾流效应的影响。

［1］ 郑睿敏,李建华,李作红.考虑尾流效应的风电场建模以及随机潮流计算[J].西安交通大学学报，2010，42 (12):1515-1520.

［2］ 陈树勇,戴慧珠,白晓民.尾流效应对风电场输出功率的影响[J].中国电力，2008，31(11):28-31.

［3］ 庄晓丹,John N.JIANG.大型风电场的风能损失计算[J].电力系统自动化，2011，3(12):85-90.

［4］ 苏勋文,赵振兵,陈盈今,等.尾流效应和时滞对风电场输出特性的影响[J].电测与仪表，2010，3(47):28-31.

［5］ GB/T 18451.2—2003，风力发电机组功率特性试验[S].

［6］ 郎斌斌,穆钢,严干贵,等.联网风电机组风速-功率特性曲线的研究[J].电网技术，2012，12(32):70-74.

［7］ 刘昊,柳亦兵,辛卫东,等.基于运行数据的风力发电机组功率特性分析[J].电网与清洁能源，2009，7(25): 53-56.

The influence of wake effect on wind power generation unit power characteristic in wind farm

LUO Hairong1,ZHU Dan2,LI Feng1,YANG Xuehong1
(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011，China;
2.Ningxia Agriculture and Forestry Science Institute,Yinchuan Ningxia 750011,China)

Aiming at the problem of influencing the power output of wind power generation units in wind farm,by spot investigation and selecting the proper position to place the measuring instruments, and combing with GB/T 18451.2—2003 power characteristic test standard,makes test research, analyzes wind speed and wind power output characteristic in different area.The result shows that the wake effect between the wind power generation units can reduce the wind energy utilization coefficient of the wind power units and effect on the power output of the wind power generation units.Therefore during the wind farm construction,must take a full consider the distance between wind power units, reduce the influence of wake effect as far as possible.

wake effect;wind farm;power characteristic

TK8

A

1672-3643（2017）01-058-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2016.06.012

2016-11-10

罗海荣（1987）男，助理工程师，工学硕士，从事并网机组涉网安全检测与调试工作。

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.012