基于激光雷達測量數據的水平軸風力機尾流特性研究

賴右福

（大唐滑縣風力發電有限責任公司， 河南 安陽 455000）

0 引言

風力發電機組利用風能轉化為機械能發電，由于風力發電機組未能全部利用自由來流風，根據能量守恒，處于下風向的風力發電機組會面臨入流風速降低[1-2]、湍流程度增加[3-4]的工況，該現象被稱為風電場尾流效應。對于目前具有上百臺風機的大型風電場而言，尾流效應影響更為嚴重，主要存在于尾流導致風場內部流場分布錯綜復雜，代表特征為風電場內部風速降低，直接影響風電場發電量，此危害帶來的典型發電量損失為10%，而對于風機排布緊密、地形復雜的風場，造成的發電量損失平均在2%～30%左右[5]。為探究尾流效應帶來的具體發電量損失，國外學者在丹麥Horns Rev 海上風電場開展了尾流效應對風電機組輸出功率的影響，研究結果顯示當下游風機完全處于上游風機尾流區時，功率損失高達50%[6]。尾流帶來的風場內部流場分布復雜，同樣增強了風場湍流強度，直接影響機組的疲勞載荷和使用壽命，降低風機的壽命，韓國某風電場因為長期受到周邊風場尾流效應影響，導致風場內機組湍流強度增強明顯，機組疲勞載荷比周邊風場機組高出30%～50%，對機組的使用壽命造成了較為嚴重的損傷[8]。

風電機組的經濟性運行與安全性運行要求風電機組必須科學布局且機組之間保持安全距離，有效降低尾流效應帶來的風速降低損失和湍流強度增大危害。針對尾流效應的研究，目前主要集中于模擬或理論尾流模型研究，上述研究方法對于掌握尾流發展特性具有重要參考意義，但對于實際運行環境復雜的風電場，理論或模擬研究存在一定的偏差，需要現場實驗數據互為補充?；谏鲜龇治?，本研究采取激光雷達現場試驗方法，從影響尾流分布特性的關鍵因素、發展機理及尾流空間分布特性三個方面入手，開展風電機組尾流分布特性及影響機理研究。

1 試驗情況

圖1 為風電場風機相對位置圖，本次4 臺試驗風機（10-1、10-2、10-3 以及10-4）位于風電場北部，前方無其他風機干擾，適合開展測風試驗。

圖1 風電場風機相對位置

尾流實驗結果的準確性不僅依賴于尾流測量精度，更依賴于入流風信息測量的精準性。為同步獲取風機入流風信息以及尾流三維分布信息，本試驗采取兩臺不同類型測風激光雷達，一臺為垂直風廓線型激光雷達（WP350），布局于試驗風機主風向，用于獲取來流風廓線數據（風速、風向、湍流、風切變等），另一臺激光雷達為三維掃描式激光雷達（W3D6000），安裝于四臺試驗風機后方，用于監測尾流三維風速分布（三維空間風速、湍流等），具體安裝位置如圖1 所示。為保證試驗的精度，兩臺激光雷達測量原理一致，均基于多普勒效應，且出廠精度校驗合格。

2 數據處理

2.1 DBS 模式

多普勒波束擺動測量模式（DBS 模式）風數據處理過程中假設北、東、南、西和垂直五個方向的徑向風速分別為VlosN、VlosE、VlosS、VlosW和Vlos，用u、v、w分別代表風速南北水平分量、東西水平分量以及垂直分量為，激光束與水平面的夾角為θ，計算公式如公式（1）所示。

通過計算風速南北水平分量為u，東西水平分量為v，則可反算出水平風速V 和風向α：

2.2 PPI 模式與RHI 模式

位置平面顯示測量模式（PPI 模式）與距離高度顯示測量模式（RHI 模式）中同樣假設水平風速為V，激光束測得的徑向速度為Vlos，Δθ 為方位角間隔，φ是徑向波束的俯仰角，風速計算公式如式（4）所示：

2.3 湍流強度

本研究采用以下公式計算湍流強度，其中σ 為平均風速的標準偏差，為平均測量風速：

3 尾流測量結果分析討論

3.1 水平面尾流特性分析

來流風向、風速、湍流強度的不同，都有可能影響尾流場的三維空間分布。為表征不同典型工況下的尾流分布特性，試驗在大量測試的基礎上，選取了四種代表性工況開展了水平面尾流特性分析，分別為CASE1 工況（風力機無尾流）、CASE2 工況（風力機尾流無干涉）、CASE3（風力機尾部分干涉）和CASE4 工況（尾流完全干涉工況），其中尾流測量風速均為三維激光雷達所測量徑向風速反算而來，風速分布云圖如圖2 所示。表1 為對應的來流風速信息。

表1 WP350 所測來流工況信息

圖2 不同工況下水平面尾流風速分布云圖

圖2 中紅色線條代表尾跡線，可以明顯看到風機10-3 在CASE1 工況中無尾跡線，風機10-1 和10-4風機尾跡線也相對較短。CASE2 工況與CASE1 工況入流風向基本一致，也即尾流發展方向一致，但不同于CASE1 工況，其四臺風機尾跡線均相對明顯，尤其對于風機10-3。結合表1 來流風況信息，兩個工況在風速相差0.96 m/s、風向相差1.625°情況下，CASE1工況來流湍流強度高于CASE2 工況17%。究其原因，上述現象出現的原因主要為湍流強度的影響，尾流風速在恢復的過程中需要不斷與自由來流風進行動量交換，而湍流強度的增加，更加快速推進了尾流恢復速度，而在CASE1 工況中，其湍流強度明顯偏高，有效加速了尾流風速的恢復，這就說明了CASE2 工況與CASE1 工況在風速、風向基本相同的情況下，尾跡線不同的原因，也證明了湍流強度在一定程度上可以加速尾流風速恢復。而在CASE3 和CASE4 工況，可以明顯看到由于風向的改變，風力機之間的尾跡線呈現了兩種不同的狀態，在CASE3 工況下，風力機10-1 與102 近似呈現錯列布局，風力機10-2 尾流部分受到風力機10-1 尾流干涉，而在CASE4 工況下，風力機10-1 與10-2 近似串呈現串列布置，風力機10-2 完全位于10-1 尾流影響之下。

綜上分析，水平面尾流發展特性與入流風況信息密切相關，風力機尾跡發展方向受到來流風向影響，來流風向的不同會影響風力機尾流之間的干涉程度，會導致無干涉、部分干涉以及完全干涉等三種典型現象。在來流風速、風向一定的情況下，尾流恢復速度取決于湍流強度影響，湍流強度可以加速尾流與自由流之間的動量交換，進而加速尾流恢復、減小尾流作用區域。

3.2 單臺風力機垂直高度平面尾流特性分析

圖3 為風力機10-2 垂直高度平面風速分布云圖，數據由三維激光雷達W3D6000 距離- 高度測量模式（RHI 模式）所獲取。由于只有在特定風向下（即，風向、風力機以及RHI 掃描方位角一致），才能有效測量風力機10 垂直高度平面尾流風速分布，受限于測量周期內主風向影響，所測量的風力機10-2 垂直高度平面尾流數據較為有限。為了能最大限度地對比不同風速工況，選取了兩個不同時間段的RHI 掃描結果，分別對應CASEA 和CASEB 工況，依據風力機額定風速（11 m/s）劃分，分別定義為高風速工況（風速高于風力機額定風速）和低風速工況（風速低于風力機額定風速），高風速工況下輪轂高度處風速為14.52 m/s，低風速工況輪轂高度處風速為8.69 m/s。表2 為具體來流工況信息。

表2 CASEA 和CASEB 來流工況信息

圖3 垂直高度平面風速分布云圖

三維激光雷達RHI 模式所測量高度范圍為風力機10-2 基礎至220 m 高度處，如圖3 所示。其中圖中數據空缺區域是由于地形以及障礙物遮擋導致激光雷達未測到有效數據。從風速分布云圖中可以明顯看到CASEA 工況整體的風速分布明顯高于CASEB工況，但CASEB 低風速工況下的尾流效應卻相對更加明顯。

為深入剖析高風速工況與低風速工況下來流風廓線與尾流區垂直高度平面尾流變化特性，結合風廓線型激光雷達以及三維激光雷達測量風速信息，對兩個工況下來流風廓線以及尾流區垂直高度平面風速分布進行了繪制，其中垂直高度平面風速分布選取了近尾流區和遠尾流區三個典型位置處，分別為距離風力機10-2 1D、7D 和8D（D 為風力機轉子直徑，77 m），如圖4 所示。

圖4 來流風廓線以及尾流區風速剖面

由圖4 可見，相較于低風速工況，高風速工況對應風切變效應較為明顯。在高風速工況中，來流風廓線曲線從高度50 m 至高度100 m 處，對應風速由13.87 m/s 增長至16.53 m/s 左右，增幅為2.7 m/s，隨著高度達到100 m 以后，風速基本不在發生變化。而在低風速工況CASEB 中，來流風廓線近似呈現直線，來流風速不隨高度增加而變化。剖析原因可知，在入流湍流強度、風向一定的情況下，風切變效應取決于來流風速影響。在低風速時，地面的粘滯作用較輕微，風速隨高度變化不明顯；在高風速時，上層風速較大，地面的粘滯作用顯得較為明顯，因而風切變現象也相應變得明顯。

從尾流區垂直高度平面風速分布角度來看，高風速工況下尾流風速恢復較快，風速虧損較小，尤其在近尾流區是1D 位置處，風力機輪轂高度處（65 m）的風速略微低于來流風速，隨著下風向距離的增加，到達遠尾流區7D 位置以后，尾流效應基本消失。相比于高風速工況，低風速工況所帶來的尾流效應更為明顯，在近尾流區1D 位置處，風力機輪轂高度處風速為5 m/s 左右，相比于入流風速，風速損失接近50%，尾流風速在8D 以后逐漸恢復至來流風廓線水平。相較于高風速工況，低風速工況下風力機推力系數較大，而風速大小與推力系數呈現負相關，即風速越大，風力機推力系數越小，由風力機動量理論可知，近尾流區風速損失程度與推力系數呈現正相關。因此在其他環境參數一致的前提下，風速大小成為影響尾流效應的重要因素。

4 結論

1）在風力機布局確定情況下，來流風向不同會決定風力機之間尾流干涉程度，呈現無干涉、部分干涉以及完全干涉等三種現象。

2）在單排風力機輪轂高度水平面尾流特性分析中，對于風速基本一致的工況，來流湍流強度與尾流恢復速率呈現正相關。

3）在單臺風力機來流風廓線以及垂直高度平面尾流特性分析中，結果表明入流風速越大，風切變效應越明顯；在其他環境參數一定的情況下，尾流恢復速率與風力機推力系數呈現負相關。