尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組功率特性影響的研究

羅海榮，朱 丹，李 峰，楊雪紅

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；

2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院，寧夏 銀川 750011）

尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組功率特性影響的研究

羅海榮1，朱 丹2，李 峰1，楊雪紅1

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；

2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院，寧夏 銀川 750011）

針對(duì)影響風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組功率輸出的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)地考察，選擇合適位置安放測(cè)量裝置，并結(jié)合GB/T 18451.2—2003功率特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試研究，分析不同區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)功率輸出特性。結(jié)果表明：風(fēng)電機(jī)組之間的尾流效應(yīng)，降低了風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)，影響了風(fēng)電機(jī)組的功率輸出；因此，在建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，應(yīng)充分考慮風(fēng)電機(jī)組之間的距離，盡量減少尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響。

尾流效應(yīng)；風(fēng)電場(chǎng)；功率特性

隨著新能源的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電占電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)比值持續(xù)增加，有些大型風(fēng)電場(chǎng)由幾百臺(tái)甚至上千臺(tái)機(jī)組組成。由于風(fēng)力本身具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了一系列問(wèn)題，為更加準(zhǔn)確分析大型風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)行為，風(fēng)電機(jī)組間的尾流效應(yīng)值得關(guān)注。

我國(guó)地形比較復(fù)雜，風(fēng)電機(jī)組的出力又與氣象環(huán)境關(guān)系密切，為了給電網(wǎng)調(diào)度提供準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)機(jī)組功率特性曲線數(shù)據(jù)，風(fēng)功率測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性變的尤為重要。實(shí)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)的影響就越小，這樣可以增加對(duì)風(fēng)電資源的利用率，提高風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。

鑒于此，本文在文獻(xiàn)［1］的基礎(chǔ)上，以某風(fēng)電場(chǎng)為例，選擇了2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，并參考風(fēng)電機(jī)組的地理位置，選擇了測(cè)量裝置的測(cè)量位置，通過(guò)計(jì)算分析和比較，得出不同情況下風(fēng)速和風(fēng)功率的輸出特性。

1 尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響

風(fēng)電機(jī)組吸收了風(fēng)中的部分能量，所以當(dāng)風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)電機(jī)組后，其速度要有所下降。在大型風(fēng)電場(chǎng)中，由于風(fēng)電機(jī)組數(shù)量較多，迎風(fēng)面部置的機(jī)組會(huì)遮擋其后面部置的機(jī)組的部分風(fēng)量［2-3］。因此，坐落在下風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速要低于上風(fēng)向的機(jī)組的風(fēng)速，風(fēng)電機(jī)組之間的距離越近，影響就越大，這種現(xiàn)象稱為尾流效應(yīng)。尾流效應(yīng)造成的能量損失會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性造成很大的影響。

2 試驗(yàn)測(cè)試研究

2.1 計(jì)算方法

快速尾流效應(yīng)的計(jì)算［4-5］

式中：R—風(fēng)電機(jī)組葉輪半徑；

RW—相鄰機(jī)組的尾流作用半徑；

K—尾流衰減常數(shù)，對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)K為0.04，對(duì)于陸上風(fēng)電場(chǎng)K為0.075。

x—風(fēng)電機(jī)組之間的距離。

式中：V0—輸入時(shí)的風(fēng)速；

VW—相鄰機(jī)組的尾流風(fēng)速；

CT—推力系數(shù)。

對(duì)于覆蓋地面積較大的風(fēng)電場(chǎng)，計(jì)算時(shí)還需要考慮其延遲時(shí)間

式中：t—風(fēng)速延遲時(shí)間；

2.2 測(cè)量裝置的位置

在安裝測(cè)量裝置時(shí)，需特別注意其安裝位置，避免與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組靠得太近，因?yàn)樵跈C(jī)組前方的風(fēng)速值將會(huì)降低，相反與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也不應(yīng)離的太遠(yuǎn)，因?yàn)闀?huì)造成測(cè)量所得到的風(fēng)速值與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出相關(guān)性減小。根據(jù)要求［6-7］，測(cè)量裝置所處位置與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的距離應(yīng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪直徑D的2～4倍。

如圖1所示，以風(fēng)速方向?yàn)檎狈较?，風(fēng)電機(jī)組位于圓心處進(jìn)行分析，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流對(duì)測(cè)風(fēng)桿干擾，當(dāng)測(cè)量裝置距離風(fēng)電機(jī)組為2D時(shí)，其扇形角為103°；距離為2.5D時(shí)，其扇形角為93°；距離為4D時(shí)，其扇形角為74°。因此可得到：隨著測(cè)量裝置與風(fēng)電機(jī)組之間的距離增大，扇形角減小。

圖1 測(cè)量裝置的距離與最大允許測(cè)量扇形區(qū)域

2.3 數(shù)據(jù)采集及篩選

采用0.5 Hz的取樣速率連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)于溫度、氣壓及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)等參數(shù)測(cè)量可以用較低的采樣速率，本試驗(yàn)采樣時(shí)間為1s，每分鐘計(jì)算1次，滿足文獻(xiàn)［1］的需求。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠同時(shí)存儲(chǔ)采樣得到的數(shù)據(jù)與已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)組。預(yù)處理的數(shù)據(jù)包含最大值、平均值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差。

篩選的數(shù)據(jù)由連續(xù)測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生并以10 min為一個(gè)周期。若從預(yù)處理的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生，則應(yīng)該根據(jù)式（5）、式(6)計(jì)算出每10 min時(shí)間的平均值：

式中：Nk—10 min預(yù)處理數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)量；

Xk—預(yù)處理數(shù)據(jù)時(shí)間內(nèi)的平均值；

X10min—10 min內(nèi)的平均值；

Ns—與處理數(shù)據(jù)組內(nèi)取樣數(shù)據(jù)的數(shù)量；

σk—預(yù)處理數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；

σ10min—10 min的預(yù)處理數(shù)據(jù)平均標(biāo)準(zhǔn)方差。

以下情況的數(shù)據(jù)應(yīng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行刪除：

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不運(yùn)行；

（2）測(cè)試設(shè)備發(fā)生故障停止測(cè)量；

（3）風(fēng)向超出測(cè)量扇區(qū)。

從測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)篩選出的數(shù)據(jù)組需進(jìn)行折算，回歸到兩種參考空氣密度下：一種是在試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)得的空氣密度平均值，其變化幅值大約在0.05 kg/m3；另一種是海平面的空氣密度值，參照ISO標(biāo)準(zhǔn)的空氣密度（1.225 kg/m3）。根據(jù)所測(cè)得大氣溫度和壓力計(jì)算空氣密度：

式中：ρ10min—計(jì)算得到的10 min的平均密度；

T10min—測(cè)量得到的10 min的平均絕對(duì)氣溫；

B10min—測(cè)量得到的10 min的平均氣壓；

R—?dú)怏w常數(shù)287.05 J/(kg·K)。

由于實(shí)驗(yàn)機(jī)組是自動(dòng)控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用式（7）進(jìn)行風(fēng)速數(shù)據(jù)折算：

式中：Vn——經(jīng)過(guò)折算的風(fēng)速值；

V10min——測(cè)量得到的10 min的平均風(fēng)速值；

ρ0——標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；

ρ10min——得到的10 min的平均空氣密度。

測(cè)得的功率曲線是對(duì)折算的數(shù)據(jù)組采用bin法進(jìn)行處理［6-7］。采用0.5 m/s bin寬度為一組，利用折算后的每個(gè)風(fēng)速bin所應(yīng)對(duì)的功率值根據(jù)式（8）、式（9）計(jì)算得出：

式中：Vi—折算后的第i個(gè)bin的平均風(fēng)速值；

Vn,i,j—折算后的第i個(gè)bin中所含 j個(gè)數(shù)據(jù)組的風(fēng)速值；

Pi—折算后的第i個(gè)bin的平均功率值；

Pn,i,j——折算后的第i個(gè)bin中所含 j個(gè)數(shù)據(jù)組的功率值；

Ni——第i個(gè)bin的10 min數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)提供的機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和地理位置，選擇其中的2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組作為本次試驗(yàn)機(jī)組。將選好的2臺(tái)機(jī)組分別命名為1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組，并依據(jù)這2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的坐標(biāo)和地理?xiàng)l件選擇了測(cè)量裝置的位置坐標(biāo)，測(cè)量裝置的中心坐標(biāo)如表1所示。其中單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的額定功率為2 MW，額定風(fēng)速為11 m/s，葉片的直徑D為84 m。

表1 中心坐標(biāo)

圖2 風(fēng)機(jī)和測(cè)量裝置位置

不考慮其它風(fēng)電機(jī)組對(duì)測(cè)量裝置的尾流影響和其他因素的影響，經(jīng)計(jì)算1號(hào)機(jī)組與測(cè)量裝置的距離略小于4D，2號(hào)機(jī)組與測(cè)量裝置的距離約為2.5D，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的規(guī)定，取其扇形角分別為74°和93°。

由圖3可知，以正北風(fēng)向?yàn)?°，其有效風(fēng)速數(shù)據(jù)應(yīng)在14°～26°和119°～300°，尾流區(qū)域?yàn)?°～119°和300°～360°。由于14°～26°的區(qū)域較小，將其忽略，所以取其有效風(fēng)速數(shù)據(jù)為119°～300°。

圖3 尾流區(qū)域和有效區(qū)域

對(duì)1號(hào)機(jī)組和測(cè)量裝置測(cè)量的風(fēng)速和功率數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和計(jì)算，首先得到10 min的平均值、最大值以及最小值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 10 min風(fēng)速一功率關(guān)系

根據(jù)測(cè)量位置的空氣密度、溫度、氣壓和濕度等因素，將已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，結(jié)果如圖5所示。

圖5 修正后的風(fēng)速-功率關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)［1］中運(yùn)用bin法對(duì)修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 散點(diǎn)圖

通過(guò)對(duì)bin法所求得的數(shù)據(jù)，分別在尾流區(qū)域和有效區(qū)域進(jìn)行了分析，如圖7和圖8中所示。其中實(shí)線表示1號(hào)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速與其輸出功率；虛線表示測(cè)量裝置的風(fēng)速與其輸出功率。由圖7、圖8可得知，在尾流區(qū)域內(nèi)，尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)速有一定的影響，并隨著風(fēng)速的增大，對(duì)功率的影響也隨之增大；在有效區(qū)域內(nèi)，1號(hào)機(jī)組和測(cè)量裝置的測(cè)量基本吻合。

圖7 尾流區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速-功率輸出

圖8 有效區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速-功率輸出

4 效果評(píng)價(jià)

（1）本次試驗(yàn)，分析了不同區(qū)域內(nèi)尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線的影響。通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了干擾區(qū)域得出的功率曲線與有效區(qū)域的曲線相比，其整體向右偏移，在風(fēng)速5.5 m/s時(shí)，功率曲線發(fā)生偏差，并且隨著風(fēng)速的增加，功率偏差更加明顯；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到13 m/s左右時(shí)，尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線的影響較小。有效區(qū)域得出的功率曲線與機(jī)組本身的功率特性曲線基本吻合。

（2）將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組選址中，可有效地的避免尾流效應(yīng)，增加對(duì)風(fēng)電資源的利用率，提高風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

（1）以某風(fēng)電場(chǎng)為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了在尾流區(qū)域內(nèi)，尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)速有一定的影響，并隨著風(fēng)速的增大，對(duì)機(jī)組功率的影響也隨之增大；在有效區(qū)域內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與機(jī)組本身的功率特性曲線基本吻合。

（2）因此建議風(fēng)電廠家在建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，應(yīng)注意風(fēng)電機(jī)組之間的距離，充分考慮尾流效應(yīng)的影響。

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［3］ 莊曉丹,John N.JIANG.大型風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能損失計(jì)算[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，3(12):85-90.

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［7］ 劉昊,柳亦兵,辛衛(wèi)東,等.基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，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

羅海榮（1987）男，助理工程師，工學(xué)碩士，從事并網(wǎng)機(jī)組涉網(wǎng)安全檢測(cè)與調(diào)試工作。

有效訪問(wèn)地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.01.012