基于风电场实测的风机尾流特征分析

温建民,张新旺,陈 锋,陈 军

(乌鲁木齐金风天翼风电有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026)

0 引言

风力发电是主要的可再生能源之一，目前其应用越来越广泛。风力发电机叶轮旋转时能够产生看不见的尾流，而尾流会对下风向的风机发电量及机械载荷产生一定的影响。据相关研究，风力机完全处于尾流区运行时，功率损失可达30%～40%[1],载荷增加高达10%～45%[2]。风机相互间距越近，尾流效应越明显，机组的能量损失也就越多，对下风向风机载荷的影响也越大。

一般来讲，对风机尾流的研究分为三类，即试验研究、半经验尾流模型研究以及基于数值模拟的方法研究[3]。Alfredsson等[4]在瑞典航空研究院(FFA)通过风洞实验来模拟研究风机尾流。最经典的半经验尾流模型是1982年RisΦ实验室提出的Jensen模型，它是基于贝茨极限理论和质量守恒定律提出的，是一种适用于平坦地形的尾流模型[5，6]。除Jensen模型外，比较著名的半经验尾流模型还有涡粘性尾流模型、Larsen模型及Lissaman模型[7]。随着计算机技术的发展，邓力和周洋[8，9]基于制动盘尾流模型对风机尾流进行了数值模拟研究。本文利用激光测风雷达对新疆达坂城地区某风电场单台风机尾流进行现场实测,通过测量数据绘制风机尾流区不同测试点风廓线，并分析得到陆上风电场单台风机不同来流风速下的尾流区风速恢复速率。

1 测试机组概况

测试机组位于风资源比较丰富的新疆达坂城地区某风电场，风电场海拔1 120 m，地形相对平缓，植被稀疏，以戈壁滩、荒地为主。表1中列出了测试风机性能参数。采用法国Leosphere公司推出的Windcube V2激光脉冲多普勒测风雷达测试机组的来流及风机尾流区不同高度处的风速及风向。

表1 风机性能参数

2 测试方案

本测试采用2台Leosphere Windcube V2多普勒激光雷达和1台中海达HTS-520L10彩屏全站仪。一台Windcube V2多普勒激光雷达作为参考雷达，用于测试风机的流入风速及风向；另一台Windcube V2多普勒激光雷达作为测试雷达用于测试风机下风向尾流区的风特性参数；中海达HTS-520L10彩屏全站仪用于确定测量点与风机的相对方位与距离。

根据风资源预测平台常年数据得知：测试风机的主风向为西西北风向，与正北方向夹角285°。测试风机与参考雷达(Re-Ladar)和测试雷达(Te-Ladar)相对位置关系如图1所示，参考雷达(Re-Ladar)置于测试风机正北方顺时针285°距离风机1.5D处，测试点为风机正北方顺时针105°距离风机85 m、D、2D、2.5D、3D、4D、5D和6D的8个点。

图1 测试机组、测试雷达、参考雷达及测试点

3 测试结果及结果分析

3.1 额定风速测试结果

风机轮毂高度流入风速为10.5 m/s时，其对应风机下风向尾流区距离风机不同距离的风速分布如图2所示。对比风机下风向尾流区不同距离垂直高度风速分布，尾流区高度方向上风速呈C形分布，在高度方向风速先逐渐减小，到达风机轮毂高度(H)后风速逐渐增大，到达轮毂加叶轮半径高度(H+D/2)后风速迅速增大，随着高度的增加风速逐渐接近来流风速。各测量点风机轮毂高度处风速大小及该点风速与流入风速的百分比如表2所示。由表2可以看出：在风机下风向尾流区距风机85 m处轮毂高度的风速为6.546 m/s，为流入风速的62.3%；在风机下风向尾流区距风机D处轮毂高度的风速为7.294 m/s，为流入风速的69.5%；在风机下风向尾流区距风机6D处轮毂高度的风速为9.451 m/s，为流入风速的90.0%。由测试数据可以看出风机下风向尾流区距风机85 m处到6D处，轮毂高度的风速由6.546 m/s逐渐增加到9.451 m/s，尾流区轮毂高度处风速由距离风机85 m处原风速的62.3%逐渐恢复到距离风机6D处的90.0%。由此可知，风机下风向尾流区离风机的距离越远，风速越接近来流风风速。

图2 流入风速10.5 m/s时风机尾流区不同距离处垂直高度风速分布图

表2 风机尾流区不同测试点轮毂高度风速与来流风速百分比

3.2 额定风速下实测结果与尾流模型比较

Jensen模型是经典的半经验尾流模型，其中风机下风向距风机不同距离处轮毂高度风速vx与来流风速v0、风机推力系数CT、叶轮半径R、耗散系数k和距离x关系如下：

(1)

其中：耗散系数k在陆上风电场一般取0.075，近海风电场一般取0.050。

Frandsen模型是设在风电机组下游x处的尾流区风速为vx，表达式如下：

(2)

其中：Dx为尾流直径，由下式计算：

(3)

(4)

其中：αnoj为常数，取值为0.05。

图3为风机下游尾流区轮毂高度处实测与不同模型(Jensen模型及Frandsen模型)风速与距离之间的关系。由Jensen模型与Frandsen模型曲线可以看出，在风机尾流区距离风机越远风机轮毂高度处的风速越接近来流风速。对比实测曲线与模型曲线可知：6D处Jensen模型(陆地)计算为9.308 m/s，是来流风速的89%；Jensen模型(海上)计算为8.819 m/s，是来流风速的84%；Frandsen模型计算为9.757 m/s，是来流风速的93%；实测风速为9.451 m/s，恢复到流入风速的90%。从整体变化趋势来看，实测结果与Jensen模型曲线拟合度高。

图3 风电机组下游尾流区轮毂高度处风速与距离的关系(流入风速10.5 m/s)

3.3 不同来流风速下实测结果

本文研究分析了不同来流风速7 m/s、9 m/s、10.5 m/s、12 m/s、14 m/s和16 m/s机组尾流区各测试点的风速，不同来流风速尾流区风剖面曲线如图4所示。根据机组的参数可知，叶轮的高度范围为37 m～143 m，对比不同来流风速尾流区的风剖面曲线可以看出：额定风速以下时，在距离机组2D的近尾流区，垂直方向上风速随高度先是逐渐减小,在60 m高度处达到最小，60 m～90 m高度处风速逐渐增大，90 m～120 m高度处风速逐渐减小，120 m～140 m高度风速逐渐增加，140 m以上风速迅速增加达到来流风速;在距离机组2.5D～6D的远尾流区，来流风速为9 m/s时，2.5D～5D点，垂直方向上40 m～80 m高度风速逐渐减小，在80 m高度达到最小，80 m～140 m高度风速逐渐增加，140 m以上风速迅速增加达到来流风速;在6D点垂直方向上风速增加缓慢，并逐渐达到来流风速;在额定风速及额定风速以上，来流风速为10.5 m/s、12 m/s、14 m/s尾流区85 m到5D点，以及来流风速为16 m/s尾流区85 m到3D点，垂直方向上40 m～80 m高度风速逐渐减小，在80 m高度达到最小，80 m～140 m高度风速逐渐增加，140 m以上风速迅速增加达到来流风速;来流风速为10.5 m/s、12 m/s时，在6D点垂直方向上风速缓慢增加，逐渐达到来流风速;来流风速为16 m/s时，在4D点和5D点，垂直方向上风速迅速增加至来流风速。理论上在风机尾流影响区，机组轮毂高度90 m处风速最低，由于地表粗糙度对风速的影响，尾流区最小风速高度为80 m。由此可见在机组下风向垂直方向上近尾流区风速受尾流影响较大，随着距离增加，尾流区风速逐渐恢复，此时垂直方向上风速受风切变的影响逐渐增大。

图4 不同来流风速尾流区风剖面曲线

表3为现场实测不同来流风速风机尾流区不同测试点轮毂高度风速与来流风速百分比。由表3数据看出：来流风速为7 m/s时，4D点风速恢复到来流风速90.22%；来流风速为9 m/s时，6D点风速恢复到来流风速92.68%；来流风速为10.5 m/s时，6D点风速恢复到来流风速90%；来流风速为12 m/s时，4D点风速恢复到来流风速90.24%；来流风速为14 m/s时，3D点风速恢复到来流风速91.24%；来流风速为16 m/s时，3D点风速恢复到来流风速91.9%。由此可知：在额定风速以下时，随着来流风速的增加，风机尾流区风速恢复速率逐渐减慢；在额定风速以上时，随着来流风速的增加，风机尾流区风速恢复速率逐渐加快。

表3 不同来流风速风机尾流区不同测试点轮毂高度(90 m)风速与来流风速百分比

4 结论及展望

通过在新疆达坂城地区某风电场对单台风力机尾流进行现场实测，并对测试结果进行分析，可以得到以下结论：

(1) 风机尾流区对称平面内垂直方向上风速呈C形分布，在高度方向上风速先是逐渐减小，到达风机轮毂高度后风速逐渐增大，到达轮毂加叶轮半径高度后，随着高度的增加风速迅速接近来流风速。

(2) 风机下风向尾流区风速随着距离增加风速逐渐恢复。由测试结果可以看出，在额定风速时机组尾流区风速由D处的69.5%逐渐恢复到距离风机6D处的90.0%。

(3) 通过对比不同来流风速下机组尾流区不同测试点垂直高度风剖线可知，在机组近尾流区风速受尾流影响较大，随着距离增加，尾流区风速逐渐恢复，此时垂直方向上风速受风切变的影响逐渐增大。

(4) 在额定风速以下随着来流风速的增加，机组尾流区风速恢复速率逐渐减慢；在额定风速以上随着来流风速的增加，机组尾流区风速恢复速率逐渐增加。

本文通过对不同来流风速机组下风向尾流区的现场实测，绘制机组尾流区距机组不同距离处的风剖面，分析不同来流风速下机组尾流区风速恢复速率，为后续风电场机组选型及优化排布和风电场整体发电量提升奠定了基础。