風(fēng)力機(jī)組尾跡控制策略研究

王淵博， 李 春,2， 繆維跑， 丁勤衛(wèi)， 郝文星

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

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風(fēng)力機(jī)組尾跡控制策略研究

王淵博1， 李 春1,2， 繆維跑1， 丁勤衛(wèi)1， 郝文星1

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

為減小風(fēng)力機(jī)尾跡的影響，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)總功率最大化及風(fēng)力機(jī)組氣動(dòng)性能全局協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)，采用大渦模擬(Large Eddy Simulation, LES)方法，基于致動(dòng)線模型，利用開源CFD軟件OpenFOAM對(duì)9種風(fēng)力機(jī)組偏航控制及9種風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置進(jìn)行數(shù)值模擬，比較這18種方案的風(fēng)場(chǎng)總功率，并結(jié)合流場(chǎng)參數(shù)分析不同尾跡控制策略影響風(fēng)場(chǎng)下游風(fēng)力機(jī)的流動(dòng)機(jī)理.結(jié)果表明：尾跡對(duì)下游風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能影響嚴(yán)重；2種尾跡控制方法均可實(shí)現(xiàn)全風(fēng)場(chǎng)優(yōu)化，其中各偏航控制下，風(fēng)場(chǎng)總功率最大可提高35.3%，風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置時(shí)最大可提高68.5%.

風(fēng)力機(jī)組； 尾跡； 偏航； 錯(cuò)列； OpenFOAM； 致動(dòng)線模型

風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源利用中技術(shù)最成熟、開發(fā)應(yīng)用規(guī)模最大和商業(yè)化程度最高的發(fā)電方式[1].為獲取更多風(fēng)能，商業(yè)化的風(fēng)力機(jī)均“集中”運(yùn)行于某一風(fēng)場(chǎng)中[2]，上游風(fēng)力機(jī)汲取風(fēng)能的同時(shí)會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)原有流動(dòng)產(chǎn)生影響[3]，造成下游風(fēng)力機(jī)常處于上游風(fēng)力機(jī)尾跡中，尾跡區(qū)的速度虧損和高湍流度將導(dǎo)致下游風(fēng)力機(jī)輸出功率顯著降低，浪費(fèi)了風(fēng)能和土地資源，提高了風(fēng)電成本.因此，研究尾跡控制策略，提高風(fēng)場(chǎng)總功率以降低風(fēng)能成本(Cost of Wind Energy,COWE)成為當(dāng)前風(fēng)電研究的熱點(diǎn)方向之一[4].

2015年，Hornung等[5]利用OpenFOAM研究了上游風(fēng)力機(jī)尾跡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)下游風(fēng)力機(jī)性能的影響，得出風(fēng)力機(jī)尾跡區(qū)速度減小和湍流強(qiáng)度增加會(huì)嚴(yán)重減弱下游風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的結(jié)論，但Hornung等未能從風(fēng)場(chǎng)總功率的角度考慮尾跡的影響.同年，Gebraad等[6]通過高精度風(fēng)場(chǎng)仿真專用軟件SOWFA(Simulator for Wind Farm Applications)以調(diào)整槳距角和扭矩的方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，但結(jié)果表明該方法對(duì)于提高風(fēng)場(chǎng)總功率效果不佳.2014年，F(xiàn)leming等[7]基于大渦模擬(LES)方法，通過獨(dú)立變槳控制(Individual Pitch Control,IPC)以減小尾跡速度虧損效應(yīng)，結(jié)果顯示風(fēng)場(chǎng)總功率提高有限且葉根彎矩成倍增加.張昇龍[8]基于Fluent軟件對(duì)某商用1.5 MW風(fēng)力機(jī)在3種不同來流風(fēng)況下的尾跡和氣動(dòng)性能進(jìn)行模擬，并將計(jì)算結(jié)果與相似實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了三維黏性不可壓縮模型的準(zhǔn)確性，但文中僅對(duì)單臺(tái)1.5 MW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了CFD數(shù)值計(jì)算.因?yàn)镃FD方法需要大量近壁面網(wǎng)格以分辨邊界層流動(dòng)，數(shù)值模擬多臺(tái)兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)時(shí)計(jì)算量巨大，時(shí)間與成本難以承受，所以此方法用于工程設(shè)計(jì)并不現(xiàn)實(shí).賈彥等[9]利用WAsP風(fēng)場(chǎng)微觀選址軟件及風(fēng)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)組風(fēng)場(chǎng)模擬，比較不同風(fēng)力機(jī)組布局下的風(fēng)場(chǎng)年凈發(fā)電量，給出了最優(yōu)風(fēng)力機(jī)組布局，但WAsP軟件的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)風(fēng)場(chǎng)存在較大誤差，無(wú)法獲得風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)的詳細(xì)信息[10].2016年，Shives等[11]基于致動(dòng)盤模型，以全風(fēng)場(chǎng)總功率為目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)布置優(yōu)化，給出了最佳風(fēng)場(chǎng)布置，但與致動(dòng)線基于葉片對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行簡(jiǎn)化不同，致動(dòng)盤模型將風(fēng)輪簡(jiǎn)化成對(duì)稱圓盤，導(dǎo)致風(fēng)輪無(wú)法旋轉(zhuǎn)，因而計(jì)算結(jié)果相比致動(dòng)線模型較為粗糙[12].李少華等[13]采用雷諾時(shí)均(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS)方法，結(jié)合尾流理論分別對(duì)單機(jī)、2臺(tái)串列及錯(cuò)列布置的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明錯(cuò)列布置比串列布置受尾跡的影響小，但由于采用RANS方法，過多的流動(dòng)細(xì)節(jié)被平均，無(wú)法獲取流場(chǎng)的細(xì)微結(jié)構(gòu).

為此，筆者以美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)設(shè)計(jì)的5 MW風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，基于致動(dòng)線模型，采用LES方法，利用開源CFD軟件OpenFOAM對(duì)多種風(fēng)力機(jī)組偏航控制和風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，比較各工況下的風(fēng)場(chǎng)總功率，并結(jié)合流動(dòng)參數(shù)分析尾跡影響下游風(fēng)力機(jī)的流動(dòng)機(jī)理，為減小COWE、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行及微觀選址提供參考.

1 致動(dòng)線模型

1.1 控制方程

致動(dòng)線模型控制方程的矢量形式為：

(1)

式中：V為速度矢量；t為時(shí)間；ρ為流體密度；p為壓強(qiáng)；ν為運(yùn)動(dòng)黏度；源項(xiàng)f為體積力，表征葉片對(duì)流場(chǎng)的反作用力，傳統(tǒng)CFD方法模擬風(fēng)場(chǎng)時(shí)的控制方程忽略這一項(xiàng).

1.2 體積力

作用力與反作用力是任何物體受力的一般表現(xiàn)[14]，即流體作用于葉片的力與葉片作用于流體的力大小相等，因此可利用流體對(duì)葉片的作用力求得葉片對(duì)流體的體積力.葉片所受作用力計(jì)算如下：

(2)

(3)

(4)

式中：W為當(dāng)?shù)匾硇偷南鄬?duì)速度；c為當(dāng)?shù)匾硇拖议L(zhǎng)；Cτ為切向力系數(shù)；τ為切向單位向量；Cn為法向力系數(shù)；n為法向單位向量；Fτ、Fn和Fs分別為當(dāng)?shù)匾碚箚挝婚L(zhǎng)度所受到的切向力、法向力及合力.

當(dāng)?shù)匾碚箚挝婚L(zhǎng)度葉片對(duì)流場(chǎng)的體積力Ff為：

(5)

葉片對(duì)流場(chǎng)的體積力需投射至致動(dòng)線附近的計(jì)算區(qū)域，稱為體積力光順，如圖1所示.

圖1 體積力光順示意圖Fig.1 Distribution of body force

體積力的光順一般采用三維高斯分布的方式，如式(6)所示，大量研究表明此分布方式與真實(shí)情況最相符[15].此外，為提高計(jì)算效率，同時(shí)兼顧精確度，需確定體積力光順邊界，邊界上投射的體積力大小為最大體積力的5%，邊界之外不再進(jìn)行體積力光順[16].

(6)

式中：r為體積力中心至投射點(diǎn)的距離；ε為分布因子，控制體積力分布的集中程度.

分布因子過小時(shí)，體積力投射范圍較小，數(shù)值計(jì)算將產(chǎn)生嚴(yán)重震蕩，甚至無(wú)法收斂；分布因子較大時(shí)，體積力投射范圍過大，投射區(qū)域網(wǎng)格所得體積力過小，流場(chǎng)狀態(tài)改變微弱，尤其是葉尖渦和葉根渦被過分抹平，與真實(shí)情況不符[17].

1.3 致動(dòng)線求解器

pisoFoam是OpenFOAM的標(biāo)準(zhǔn)求解器，基于解耦N-S方程的瞬態(tài)壓力全隱分離式(PISO)算法，可求解湍流及層流流動(dòng)，相比壓力耦合方程半隱式(SIMPLE)算法，該算法計(jì)算效率及精度更高[18].基于pisoFoam求解器構(gòu)造新求解器pisoFoamTurbine，專用于致動(dòng)線方法對(duì)風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬.與pisoFoam相比，pisoFoamTurbine通過建立C++類“turbines”，實(shí)現(xiàn)了定義體積力數(shù)組、求解體積力大小和光順體積力等一系列操作.

pisoFoamTurbine中動(dòng)量方程的代碼變?yōu)椋?/p>

fvVectorMatrix UEqn

(

fvm::ddt(U)

+ fvm::div(phi, U)

+ turbulence->divDevReff(U)

- turbines.force()

);

2 計(jì)算模型與網(wǎng)格

2.1 風(fēng)場(chǎng)布置

計(jì)算模型選用NREL設(shè)計(jì)的5 MW風(fēng)力機(jī)，該風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速為11.4 m/s，額定轉(zhuǎn)速為12.1 r/min，風(fēng)輪直徑為126.0 m，輪轂直徑為3.0 m，風(fēng)輪錐角為2.5°，輪轂高度為90.0 m.以風(fēng)輪直徑D為基準(zhǔn)，模擬偏航控制的風(fēng)場(chǎng)尺度為20D×6D×6D，模擬風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列的風(fēng)場(chǎng)尺度為20D×8D×6D.在模擬風(fēng)場(chǎng)中串列布置2臺(tái)NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)，分別為WT1和WT2，如圖2所示.其中，WT1距入口為3D，WT2距WT1為7D，出口距WT2為10D.圖2中x軸正方向?yàn)轱L(fēng)的流動(dòng)方向，z軸正方向?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)高度方向.

2.2 尾跡偏移控制策略

第一，內(nèi)部控制能夠完善企業(yè)治理結(jié)構(gòu)。企業(yè)的改革需要完善企業(yè)內(nèi)部制度，現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展需要完善的制度支撐，公司管理制度和法人治理結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代企業(yè)制度的重要框架，產(chǎn)權(quán)明晰、責(zé)權(quán)利明確等，完善的內(nèi)部控制制度促進(jìn)企業(yè)的決策支持系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和監(jiān)督系統(tǒng)高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)部控制制度是企業(yè)治理結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

2.2.1 偏航控制

控制風(fēng)場(chǎng)上游風(fēng)力機(jī)WT1進(jìn)行偏航，使其尾跡偏離下游風(fēng)力機(jī)WT2風(fēng)輪的中心位置.共模擬9種偏航工況，偏航角取值為230°～310°，步長(zhǎng)為10°.圖3為WT1偏航示意圖，其中y軸正方向?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)橫向方向.

圖2 風(fēng)場(chǎng)布置Fig.2 Layout of the wind farm

圖3 WT1偏航示意圖Fig.3 Yaw arrangement of WT1

2.2.2 風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列

錯(cuò)列布置風(fēng)力機(jī)組以使下游風(fēng)力機(jī)WT2部分或完全移出上游風(fēng)力機(jī)WT1的尾跡.共對(duì)9種錯(cuò)列布置方案進(jìn)行數(shù)值模擬，WT2分別向y軸正負(fù)方向移動(dòng)0.5D、0.75D、1.0D和1.25D.圖4為風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置示意圖.

圖4 風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置示意圖Fig.4 Staggered arrangement of wind turbines

2.3 網(wǎng)格與邊界條件

致動(dòng)線方法的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需對(duì)風(fēng)力機(jī)建模，可將風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域全部處理為正交網(wǎng)格，極大地提高了計(jì)算精度和速度[12].對(duì)計(jì)算域中風(fēng)輪所在水平區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，并在網(wǎng)格加密區(qū)與粗網(wǎng)格區(qū)之間添加2層網(wǎng)格過渡帶,以避免數(shù)值計(jì)算震蕩.計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖5所示，網(wǎng)格精度從外向內(nèi)依次加倍，其中加密區(qū)網(wǎng)格精度為3.94 m×3.94 m×3.94 m，與Fleming等[7]模擬風(fēng)場(chǎng)時(shí)的網(wǎng)格尺度相近.此外，2種控制策略所用的計(jì)算域邊界條件設(shè)置相同，進(jìn)口為速度入口，速度方向平行于x軸，大小為該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速11.4 m/s；出口為壓力出口，壓力大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；下界面及上界面為滑移邊界條件；2個(gè)側(cè)面為周期性邊界條件.

(a) 偏航控制

(b) 風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列圖5 計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh generation of the calculation domain

采用LES方法，流動(dòng)變量通過網(wǎng)格過濾操作分為網(wǎng)格尺度(Grid Scale,GS)和亞格子尺度(Sub Grid Scale,SGS)2部分，引入各向異性的殘余應(yīng)力張量模型封閉亞格子模型.利用Smagorinsky渦黏假設(shè)參數(shù)化，將模型分為2部分：線性渦黏模型和基于混合長(zhǎng)假設(shè)的亞尺度渦黏模型[19].

3 結(jié)果與分析

pisoFoamTurbine求解器在每個(gè)時(shí)間步輸出風(fēng)力機(jī)組的功率.圖6為偏航控制與風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置下各風(fēng)力機(jī)的輸出功率.

(a) 偏航控制

(b) 風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列圖6 各風(fēng)力機(jī)的輸出功率Fig.6 Power output of wind turbines

從圖6(b)風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出功率可以看出，WT2向y軸正方向移動(dòng)時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率逐漸增大，當(dāng)移動(dòng)1.0D時(shí)，WT2的輸出功率為5.041 8 MW，當(dāng)移動(dòng)1.25D時(shí)，WT2的輸出功率為5.062 4 MW，可見移動(dòng)1.0D時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出功率并沒有移動(dòng)1.25D時(shí)大，說明移動(dòng)1.0D時(shí)WT1的尾跡仍對(duì)WT2有影響.WT2向y軸負(fù)方向移動(dòng)的過程中，其輸出功率變化趨勢(shì)與WT2向y軸正方向移動(dòng)時(shí)相同，但移動(dòng)-0.5D、-0.75D和-1.0D時(shí)，WT2的輸出功率比對(duì)應(yīng)y軸正方向時(shí)稍大.從圖6(b)還可以看出，上游WT1的輸出功率變化不大，這是因?yàn)槿肓黠L(fēng)速始終無(wú)變化；隨WT2移動(dòng)距離的增大，WT1輸出功率稍有增大，證明下游風(fēng)力機(jī)WT2對(duì)上游風(fēng)力機(jī)WT1也有一定影響.此外，以移動(dòng)0為基點(diǎn)，WT2的輸出功率幾乎呈對(duì)稱關(guān)系，這一方面說明隨著下游風(fēng)力機(jī)在y軸移動(dòng)距離的增大，其受上游風(fēng)力機(jī)影響越小，另一方面也進(jìn)一步證明了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和所用方法的可行性.

圖7為偏航控制和風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置下的風(fēng)場(chǎng)總功率曲線圖，用以對(duì)比2種不同尾跡控制策略對(duì)風(fēng)場(chǎng)總功率的影響.從圖7可直觀地看出，風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置下的風(fēng)場(chǎng)總功率整體高于偏航工況下.

圖7 風(fēng)場(chǎng)總功率Fig.7 Total power output of the wind farm

選用三次多項(xiàng)式為基函數(shù)，利用最小二乘法分別擬合偏航和風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列2種控制方法下風(fēng)場(chǎng)總功率隨偏航角與WT2位移的關(guān)系，可得式(7)和式(8)所示關(guān)系式.

P1=-3.072 4θ3+0.000 8θ2+

0.427θ+63.956 3

(7)

P2=0.052 7l3+2.273 8l2-

0.073 7l+7.084 5

(8)

式中：P1為偏航控制策略時(shí)的風(fēng)場(chǎng)總功率，MW；θ為偏航角，變化范圍為230°～310°；P2為風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置時(shí)的風(fēng)場(chǎng)總功率，MW；l表示W(wǎng)T2的位移.

圖8(a)和圖8(b)分別為無(wú)錯(cuò)列布置時(shí)距WT2為3D和6D處的壓力云圖與速度云圖.從圖8(a)可知，尾跡沿軸向距WT2越遠(yuǎn)，壓力恢復(fù)越完全.從圖8(b)可以看出，尾跡沿軸向距WT2越遠(yuǎn)，速度虧損也越小.壓力與速度沿軸向的變化趨勢(shì)與理論分析完全吻合.

圖9為偏航控制下風(fēng)力機(jī)輪轂高度處的速度云圖.從圖9可知，偏航控制可有效改變WT1的尾跡流向，偏航角越大，WT1尾跡偏離WT2風(fēng)輪中心幅度越大，且尾跡偏移以270°偏航角為基準(zhǔn)呈對(duì)稱分布，與圖6結(jié)果相符.上游風(fēng)力機(jī)無(wú)偏航時(shí)，WT1的尾跡全部落在WT2的風(fēng)輪上，造成WT2完全運(yùn)行在WT1的尾跡中，輸出功率僅為0.857 9 MW，只有此時(shí)WT1輸出功率的17.2%.WT1偏航角為250°和290°時(shí)，WT2風(fēng)輪約有一半運(yùn)行在WT1的尾跡中，WT2的輸出功率分別為3.021 2 MW和3.018 2 MW，已經(jīng)超過無(wú)偏航控制策略時(shí)WT2輸出功率的2倍，輸出功率提升顯著.當(dāng)WT1偏航角為230°時(shí)，WT2輸出功率為4.576 5 MW，已非常接近其額定功率，但由于此時(shí)WT1嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，輸出功率已經(jīng)非常低，導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)總功率并非最高.

(a) 壓力云圖

(b) 速度云圖圖8 無(wú)錯(cuò)列時(shí)尾跡橫截面云圖Fig.8 Clouds of wake cross-section in normal arrangement

圖9 偏航控制策略時(shí)速度云圖Fig.9 Velocity clouds in yaw arrangement of wind turbines

圖10為風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置時(shí)流場(chǎng)的渦量圖.葉片阻力面的壓力高，升力面的壓力低，壓差推動(dòng)氣流繞過葉尖，形成葉尖渦，風(fēng)力機(jī)的葉尖渦在來流風(fēng)速疊加下，不易從跡線或速度矢量上直接顯示出漩渦位置，因而引入渦量以顯示渦.只有當(dāng)工質(zhì)平穩(wěn)順滑地流過風(fēng)力機(jī)葉片翼型時(shí)才能產(chǎn)生最大升力，渦量太大會(huì)造成風(fēng)力機(jī)葉片翼型性能偏離設(shè)計(jì)工況，因而風(fēng)輪在受尾跡渦影響較小的情況下輸出功率較高.從圖10可以看出，WT2沿y軸方向沒有移動(dòng)時(shí)，完全運(yùn)行在上游風(fēng)力機(jī)WT1的尾跡渦中，導(dǎo)致輸出功率極低，隨著WT2向y軸正負(fù)方向移動(dòng)，其受WT1尾跡渦的影響越來越弱，因而輸出功率越來越高，尤其是移動(dòng)距離為1.25D時(shí)完全不受WT1尾跡渦的影響，輸出功率最大，此與圖6所示結(jié)果一致.此外，WT1尾跡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)造成其向y軸正方向偏轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致WT2在y軸正方向比y軸負(fù)方向輸出功率小.

圖10 風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列布置渦量圖

Fig.10 Wind farm vorticity in staggered arrangement of wind turbines

4 結(jié) 論

(1) 風(fēng)場(chǎng)上游風(fēng)力機(jī)尾跡對(duì)下游風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，大幅降低其輸出功率，但通過尾跡控制策略可減弱上游風(fēng)力機(jī)尾跡的影響.

(2) 偏航控制策略可使風(fēng)場(chǎng)上游風(fēng)力機(jī)尾跡偏移下游風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪中心，雖上游風(fēng)力機(jī)輸出功率有所降低，但下游風(fēng)力機(jī)輸出功率大幅提升，從而風(fēng)場(chǎng)總功率得以升高.

(3) 風(fēng)場(chǎng)下游風(fēng)力機(jī)橫向移動(dòng)造成風(fēng)場(chǎng)錯(cuò)列，可避免下游風(fēng)力機(jī)完全運(yùn)行在上游風(fēng)力機(jī)尾跡中，使上游風(fēng)力機(jī)在輸出功率幾乎不變的情況下顯著提高風(fēng)場(chǎng)總功率.

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Study on Control Strategies for Wind Turbine Wakes

WANGYuanbo1,LIChun1,2,MIAOWeipao1,DINGQinwei1,HAOWenxing1

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China)

To reduce the adverse effects of wind turbine wakes, and to effectively maximize the total power output and coordinately control the aerodynamic performance of wind turbines, numerical simulations were conducted on the control strategies by 9 yaw and 9 staggered arrangements of wind turbines using OpenFOAM based on ALM and LES, so as to compare the total power output of the wind farm among above 18 wake control strageties, while the influencing mechanism of different wake control strategies on the downstream wind turbine flow was analyzed with the help of fluid field parameters. Results show that the wake severely affects the aerodynamic performance of the downstream wind turbine; both the wake control modes could optimize the global wind farm, and among all the yaw arrangements, the total power output could be impoved by a maximum of 35.3%, and among all the staggered arrangements, it could be improved by a maximum of 68.5%.

wind turbine; wake; yaw arrangement; staggered arrangement; OpenFOAM; ALM

2016-07-20

2016-08-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176129，51676131)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目(13DZ2260900)

王淵博(1991-)，男，陜西澄城人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng). 李 春(通信作者)，男，教授，博導(dǎo)，電話(Tel.)：15216702797；E-mail：lichun_usst@163.com.

1674-7607(2017)07-0584-06

TK83

A

480.60