基于激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的水平軸風(fēng)力機(jī)尾流特性研究

賴右福

（大唐滑縣風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司， 河南 安陽(yáng) 455000）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能發(fā)電，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組未能全部利用自由來(lái)流風(fēng)，根據(jù)能量守恒，處于下風(fēng)向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)面臨入流風(fēng)速降低[1-2]、湍流程度增加[3-4]的工況，該現(xiàn)象被稱為風(fēng)電場(chǎng)尾流效應(yīng)。對(duì)于目前具有上百臺(tái)風(fēng)機(jī)的大型風(fēng)電場(chǎng)而言，尾流效應(yīng)影響更為嚴(yán)重，主要存在于尾流導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部流場(chǎng)分布錯(cuò)綜復(fù)雜，代表特征為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速降低，直接影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量，此危害帶來(lái)的典型發(fā)電量損失為10%，而對(duì)于風(fēng)機(jī)排布緊密、地形復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)，造成的發(fā)電量損失平均在2%～30%左右[5]。為探究尾流效應(yīng)帶來(lái)的具體發(fā)電量損失，國(guó)外學(xué)者在丹麥Horns Rev 海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展了尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的影響，研究結(jié)果顯示當(dāng)下游風(fēng)機(jī)完全處于上游風(fēng)機(jī)尾流區(qū)時(shí)，功率損失高達(dá)50%[6]。尾流帶來(lái)的風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部流場(chǎng)分布復(fù)雜，同樣增強(qiáng)了風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度，直接影響機(jī)組的疲勞載荷和使用壽命，降低風(fēng)機(jī)的壽命，韓國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)因?yàn)殚L(zhǎng)期受到周邊風(fēng)場(chǎng)尾流效應(yīng)影響，導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)內(nèi)機(jī)組湍流強(qiáng)度增強(qiáng)明顯，機(jī)組疲勞載荷比周邊風(fēng)場(chǎng)機(jī)組高出30%～50%，對(duì)機(jī)組的使用壽命造成了較為嚴(yán)重的損傷[8]。

風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行與安全性運(yùn)行要求風(fēng)電機(jī)組必須科學(xué)布局且機(jī)組之間保持安全距離，有效降低尾流效應(yīng)帶來(lái)的風(fēng)速降低損失和湍流強(qiáng)度增大危害。針對(duì)尾流效應(yīng)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(duì)于掌握尾流發(fā)展特性具有重要參考意義，但對(duì)于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)，理論或模擬研究存在一定的偏差，需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充?；谏鲜龇治?，本研究采取激光雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，從影響尾流分布特性的關(guān)鍵因素、發(fā)展機(jī)理及尾流空間分布特性三個(gè)方面入手，開(kāi)展風(fēng)電機(jī)組尾流分布特性及影響機(jī)理研究。

1 試驗(yàn)情況

圖1 為風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)相對(duì)位置圖，本次4 臺(tái)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)（10-1、10-2、10-3 以及10-4）位于風(fēng)電場(chǎng)北部，前方無(wú)其他風(fēng)機(jī)干擾，適合開(kāi)展測(cè)風(fēng)試驗(yàn)。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)相對(duì)位置

尾流實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性不僅依賴于尾流測(cè)量精度，更依賴于入流風(fēng)信息測(cè)量的精準(zhǔn)性。為同步獲取風(fēng)機(jī)入流風(fēng)信息以及尾流三維分布信息，本試驗(yàn)采取兩臺(tái)不同類型測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，一臺(tái)為垂直風(fēng)廓線型激光雷達(dá)（WP350），布局于試驗(yàn)風(fēng)機(jī)主風(fēng)向，用于獲取來(lái)流風(fēng)廓線數(shù)據(jù)（風(fēng)速、風(fēng)向、湍流、風(fēng)切變等），另一臺(tái)激光雷達(dá)為三維掃描式激光雷達(dá)（W3D6000），安裝于四臺(tái)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)后方，用于監(jiān)測(cè)尾流三維風(fēng)速分布（三維空間風(fēng)速、湍流等），具體安裝位置如圖1 所示。為保證試驗(yàn)的精度，兩臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量原理一致，均基于多普勒效應(yīng)，且出廠精度校驗(yàn)合格。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 DBS 模式

多普勒波束擺動(dòng)測(cè)量模式（DBS 模式）風(fēng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中假設(shè)北、東、南、西和垂直五個(gè)方向的徑向風(fēng)速分別為VlosN、VlosE、VlosS、VlosW和Vlos，用u、v、w分別代表風(fēng)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(jì)算公式如公式（1）所示。

通過(guò)計(jì)算風(fēng)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(fēng)速V 和風(fēng)向α：

2.2 PPI 模式與RHI 模式

位置平面顯示測(cè)量模式（PPI 模式）與距離高度顯示測(cè)量模式（RHI 模式）中同樣假設(shè)水平風(fēng)速為V，激光束測(cè)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(fēng)速計(jì)算公式如式（4）所示：

2.3 湍流強(qiáng)度

本研究采用以下公式計(jì)算湍流強(qiáng)度，其中σ 為平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差，為平均測(cè)量風(fēng)速：

3 尾流測(cè)量結(jié)果分析討論

3.1 水平面尾流特性分析

來(lái)流風(fēng)向、風(fēng)速、湍流強(qiáng)度的不同，都有可能影響尾流場(chǎng)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(yàn)在大量測(cè)試的基礎(chǔ)上，選取了四種代表性工況開(kāi)展了水平面尾流特性分析，分別為CASE1 工況（風(fēng)力機(jī)無(wú)尾流）、CASE2 工況（風(fēng)力機(jī)尾流無(wú)干涉）、CASE3（風(fēng)力機(jī)尾部分干涉）和CASE4 工況（尾流完全干涉工況），其中尾流測(cè)量風(fēng)速均為三維激光雷達(dá)所測(cè)量徑向風(fēng)速反算而來(lái)，風(fēng)速分布云圖如圖2 所示。表1 為對(duì)應(yīng)的來(lái)流風(fēng)速信息。

表1 WP350 所測(cè)來(lái)流工況信息

圖2 不同工況下水平面尾流風(fēng)速分布云圖

圖2 中紅色線條代表尾跡線，可以明顯看到風(fēng)機(jī)10-3 在CASE1 工況中無(wú)尾跡線，風(fēng)機(jī)10-1 和10-4風(fēng)機(jī)尾跡線也相對(duì)較短。CASE2 工況與CASE1 工況入流風(fēng)向基本一致，也即尾流發(fā)展方向一致，但不同于CASE1 工況，其四臺(tái)風(fēng)機(jī)尾跡線均相對(duì)明顯，尤其對(duì)于風(fēng)機(jī)10-3。結(jié)合表1 來(lái)流風(fēng)況信息，兩個(gè)工況在風(fēng)速相差0.96 m/s、風(fēng)向相差1.625°情況下，CASE1工況來(lái)流湍流強(qiáng)度高于CASE2 工況17%。究其原因，上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因主要為湍流強(qiáng)度的影響，尾流風(fēng)速在恢復(fù)的過(guò)程中需要不斷與自由來(lái)流風(fēng)進(jìn)行動(dòng)量交換，而湍流強(qiáng)度的增加，更加快速推進(jìn)了尾流恢復(fù)速度，而在CASE1 工況中，其湍流強(qiáng)度明顯偏高，有效加速了尾流風(fēng)速的恢復(fù)，這就說(shuō)明了CASE2 工況與CASE1 工況在風(fēng)速、風(fēng)向基本相同的情況下，尾跡線不同的原因，也證明了湍流強(qiáng)度在一定程度上可以加速尾流風(fēng)速恢復(fù)。而在CASE3 和CASE4 工況，可以明顯看到由于風(fēng)向的改變，風(fēng)力機(jī)之間的尾跡線呈現(xiàn)了兩種不同的狀態(tài)，在CASE3 工況下，風(fēng)力機(jī)10-1 與102 近似呈現(xiàn)錯(cuò)列布局，風(fēng)力機(jī)10-2 尾流部分受到風(fēng)力機(jī)10-1 尾流干涉，而在CASE4 工況下，風(fēng)力機(jī)10-1 與10-2 近似串呈現(xiàn)串列布置，風(fēng)力機(jī)10-2 完全位于10-1 尾流影響之下。

綜上分析，水平面尾流發(fā)展特性與入流風(fēng)況信息密切相關(guān)，風(fēng)力機(jī)尾跡發(fā)展方向受到來(lái)流風(fēng)向影響，來(lái)流風(fēng)向的不同會(huì)影響風(fēng)力機(jī)尾流之間的干涉程度，會(huì)導(dǎo)致無(wú)干涉、部分干涉以及完全干涉等三種典型現(xiàn)象。在來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)向一定的情況下，尾流恢復(fù)速度取決于湍流強(qiáng)度影響，湍流強(qiáng)度可以加速尾流與自由流之間的動(dòng)量交換，進(jìn)而加速尾流恢復(fù)、減小尾流作用區(qū)域。

3.2 單臺(tái)風(fēng)力機(jī)垂直高度平面尾流特性分析

圖3 為風(fēng)力機(jī)10-2 垂直高度平面風(fēng)速分布云圖，數(shù)據(jù)由三維激光雷達(dá)W3D6000 距離- 高度測(cè)量模式（RHI 模式）所獲取。由于只有在特定風(fēng)向下（即，風(fēng)向、風(fēng)力機(jī)以及RHI 掃描方位角一致），才能有效測(cè)量風(fēng)力機(jī)10 垂直高度平面尾流風(fēng)速分布，受限于測(cè)量周期內(nèi)主風(fēng)向影響，所測(cè)量的風(fēng)力機(jī)10-2 垂直高度平面尾流數(shù)據(jù)較為有限。為了能最大限度地對(duì)比不同風(fēng)速工況，選取了兩個(gè)不同時(shí)間段的RHI 掃描結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)CASEA 和CASEB 工況，依據(jù)風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速（11 m/s）劃分，分別定義為高風(fēng)速工況（風(fēng)速高于風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速）和低風(fēng)速工況（風(fēng)速低于風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速），高風(fēng)速工況下輪轂高度處風(fēng)速為14.52 m/s，低風(fēng)速工況輪轂高度處風(fēng)速為8.69 m/s。表2 為具體來(lái)流工況信息。

表2 CASEA 和CASEB 來(lái)流工況信息

圖3 垂直高度平面風(fēng)速分布云圖

三維激光雷達(dá)RHI 模式所測(cè)量高度范圍為風(fēng)力機(jī)10-2 基礎(chǔ)至220 m 高度處，如圖3 所示。其中圖中數(shù)據(jù)空缺區(qū)域是由于地形以及障礙物遮擋導(dǎo)致激光雷達(dá)未測(cè)到有效數(shù)據(jù)。從風(fēng)速分布云圖中可以明顯看到CASEA 工況整體的風(fēng)速分布明顯高于CASEB工況，但CASEB 低風(fēng)速工況下的尾流效應(yīng)卻相對(duì)更加明顯。

為深入剖析高風(fēng)速工況與低風(fēng)速工況下來(lái)流風(fēng)廓線與尾流區(qū)垂直高度平面尾流變化特性，結(jié)合風(fēng)廓線型激光雷達(dá)以及三維激光雷達(dá)測(cè)量風(fēng)速信息，對(duì)兩個(gè)工況下來(lái)流風(fēng)廓線以及尾流區(qū)垂直高度平面風(fēng)速分布進(jìn)行了繪制，其中垂直高度平面風(fēng)速分布選取了近尾流區(qū)和遠(yuǎn)尾流區(qū)三個(gè)典型位置處，分別為距離風(fēng)力機(jī)10-2 1D、7D 和8D（D 為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子直徑，77 m），如圖4 所示。

圖4 來(lái)流風(fēng)廓線以及尾流區(qū)風(fēng)速剖面

由圖4 可見(jiàn)，相較于低風(fēng)速工況，高風(fēng)速工況對(duì)應(yīng)風(fēng)切變效應(yīng)較為明顯。在高風(fēng)速工況中，來(lái)流風(fēng)廓線曲線從高度50 m 至高度100 m 處，對(duì)應(yīng)風(fēng)速由13.87 m/s 增長(zhǎng)至16.53 m/s 左右，增幅為2.7 m/s，隨著高度達(dá)到100 m 以后，風(fēng)速基本不在發(fā)生變化。而在低風(fēng)速工況CASEB 中，來(lái)流風(fēng)廓線近似呈現(xiàn)直線，來(lái)流風(fēng)速不隨高度增加而變化。剖析原因可知，在入流湍流強(qiáng)度、風(fēng)向一定的情況下，風(fēng)切變效應(yīng)取決于來(lái)流風(fēng)速影響。在低風(fēng)速時(shí)，地面的粘滯作用較輕微，風(fēng)速隨高度變化不明顯；在高風(fēng)速時(shí)，上層風(fēng)速較大，地面的粘滯作用顯得較為明顯，因而風(fēng)切變現(xiàn)象也相應(yīng)變得明顯。

從尾流區(qū)垂直高度平面風(fēng)速分布角度來(lái)看，高風(fēng)速工況下尾流風(fēng)速恢復(fù)較快，風(fēng)速虧損較小，尤其在近尾流區(qū)是1D 位置處，風(fēng)力機(jī)輪轂高度處（65 m）的風(fēng)速略微低于來(lái)流風(fēng)速，隨著下風(fēng)向距離的增加，到達(dá)遠(yuǎn)尾流區(qū)7D 位置以后，尾流效應(yīng)基本消失。相比于高風(fēng)速工況，低風(fēng)速工況所帶來(lái)的尾流效應(yīng)更為明顯，在近尾流區(qū)1D 位置處，風(fēng)力機(jī)輪轂高度處風(fēng)速為5 m/s 左右，相比于入流風(fēng)速，風(fēng)速損失接近50%，尾流風(fēng)速在8D 以后逐漸恢復(fù)至來(lái)流風(fēng)廓線水平。相較于高風(fēng)速工況，低風(fēng)速工況下風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)較大，而風(fēng)速大小與推力系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即風(fēng)速越大，風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)越小，由風(fēng)力機(jī)動(dòng)量理論可知，近尾流區(qū)風(fēng)速損失程度與推力系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)。因此在其他環(huán)境參數(shù)一致的前提下，風(fēng)速大小成為影響尾流效應(yīng)的重要因素。

4 結(jié)論

1）在風(fēng)力機(jī)布局確定情況下，來(lái)流風(fēng)向不同會(huì)決定風(fēng)力機(jī)之間尾流干涉程度，呈現(xiàn)無(wú)干涉、部分干涉以及完全干涉等三種現(xiàn)象。

2）在單排風(fēng)力機(jī)輪轂高度水平面尾流特性分析中，對(duì)于風(fēng)速基本一致的工況，來(lái)流湍流強(qiáng)度與尾流恢復(fù)速率呈現(xiàn)正相關(guān)。

3）在單臺(tái)風(fēng)力機(jī)來(lái)流風(fēng)廓線以及垂直高度平面尾流特性分析中，結(jié)果表明入流風(fēng)速越大，風(fēng)切變效應(yīng)越明顯；在其他環(huán)境參數(shù)一定的情況下，尾流恢復(fù)速率與風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。