基于实际工程的风电场尾流模型分析

王先阳 杨玉 刘天胜

为了应对全球气候变化问题，世界各国都在为节能减排采取积极措施，清洁能源在能源结构中的占比越来越大。十几年来，我国风电市场得到迅猛的发展，基于趋于成熟的行业标准和规范，风电项目的开发逐渐走向规模化和商业化，在开发前期对于风能资源的利用也越来越精细化。

尾流是造成风电场发电量损失的重要因素之一，准确评估风电场的尾流效应，对于优化排布、机组选型、风电场设计等方面至关重要。因此，在进行风电机组排布等前期开发设计工作时，机组间的尾流影响也受到人们越来越多的关注。目前，行业内已有大量成熟的尾流模型，如风能资源分析软件WAsP中较为常见的Park尾流模型和Fuga尾流模型，丹麦WindPRO软件中的EVM模型（EddY Viscosity Model）以及风电场设计软件Openwind中适用于大基地风电场的DAWM模型（Deep Array Wake Model）等。

本文基于某风电场内测风塔10分钟测风数据，按照行业标准NB/T 31147-2018《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》及IEC 61400-1-2019《Wind energy generation systems》关于测风数据处理部分的要求，使用Windographer软件对测风数据进行处理分析，通过对同一座测风塔不同高度层风速的相关性进行分析，首先还原测风塔105m高度自由流风速，然后采用实际工程中使用较多的Modified Park 尾流模型和EVM尾流模型，计算得出4个典型时间段不同尾流模型下的风速结果。通过将受尾流影响的风速与同时段还原后的自由流风速进行对比，探究2个尾流模型对尾流影响程度的评估效果。

尾流模型介绍

一、 Modified Park尾流模型

Park尾流模型是丹麦Ris？实验室的Katic和N.O.Jensen基于理想风力机一维动量守恒原理提出的适用于平坦地形的线性尾流模型，是一种一维线性尾流模型，不考虑湍流效应带来的影响。该模型假设：（1）尾流区从风轮后开始，初始直径即为风轮直径；（2）尾流速率按照线性关系增长；（3）截面上尾流流速分布均匀。

项目概况

本文所选的研究项目位于天津市大港区，机组均为G132-5.0MW型，叶片长度为64.5m，扫风面直径为132m，轮毂高度为105m。

机组与测风塔（记录仪为NRG）的相对位置如图1所示：1#机组位于测风塔南偏西50°（230o）190m处；2#机组位于测风塔东偏南15°（105o）570m处。

测风塔位于平原地区，塔高105m，采样间隔为1s，测风设备为NRG风速传感器。目前收集到测风塔2018年的10分钟测风数据，测风塔配备信息及结构如表1及图2所示。

如图2所示，测风塔在105m、85m、65m、50m和30m处均安装有风速仪和风向标，在8m高度上安装有温度计、气压计和数据的记录仪。

尾流分析及验证

首先，确定测风塔受尾流影响的高度和角度，对30m和105m高度实测数据进行合理性检验，将无效数据剔除后，得到2个高度有效数据时间序列，采用MCP（测量―相关―预测）的方法还原得出一套105m高度处的自由流风速，作为本文尾流模型验证部分对比数据的来源。

一、尾流影响角度确定

1#机组位于测风塔南偏西50°（230o）处；2#机组位于测风塔东偏南15°（105o）处。1#机组对测风塔的尾流影响区域大小为90°，即尾流区域范围为185o～275o；2#机组对测风塔的尾流影响区域大小为57°，即尾流区域范围为76.5o～133.5o。

二、尾流影响高度确定

1#与2#机组的轮毂高度均为105m，叶片长度为64.5m，即叶尖距离地面最低高度为40.5m，最高点距地面高度为169.5m。

从西南及东南方向的来流风速经过1#、2#风电机组时，在机组后方形成尾流区。本文选取受风电机组影响典型时间段的风速曲线如图4、图5所示。

如图4所示，8月27日15时至21时，风向为东南方向，介于105°～125°，测风塔位于2#风电机组尾流影响区。此时30m高度风速明显高于测风塔其他高度层风速。

如图5所示，12月12日11时至22时，风向为西西南，介于240°～260°，测风塔位于1#风电机组尾流影响区。此时30m高度风速明显高于测风塔其他高度层风速。

根据对实测数据的分析结果，当测风塔处于尾流影响区时，65m、85m、105m高度处的风速下降趋势明显，而30m高度处的风速受影响较小，且风电机组叶片最低点距离地面40.5m，高于风速仪安装的30m高度。

为最大程度利用实测数据，将测风塔30m高度处的实际测风数据作为本文对尾流影响程度計算的参考值。受尾流影响的测风数据高度包括：65m、85m、105m。利用30m高度的实测数据在Windographer软件中采用MCP（测量―相关―预测）的方法还原105m高度处的风速数据。

三、尾流模型验证

将上述还原所得的105m高度自由流风速序列作为自然风速导入Openwind软件，使用各尾流模型计算得到测风塔105m高度处的风速，将其与测风塔实测风速进行对比，验证尾流模型的适用性。选取2台风电机组影响扇区角度范围内2个典型時段，作为本文尾流模型验证数据的基础。以下为选取4个典型时段尾流模型计算结果与实测风速的对比。其中，图6和图7分别为典型时段一和二，位于1#尾流区；图8和图9分别为典型时段三和四，位于2#尾流区。从图中可以看出，EVM模型计算得出的尾流后风速更接近于实测尾流风速值。

如图6所示，选取2018年9月16日15：20-22：00近7个小时的风速风向数据，此时风向介于230°～267°，测风塔位于1#风电机组尾流区。

如图7所示，选取2018年12月12日12：00-22：50近11个小时的风速风向数据，此时风向介于240°～260°，测风塔位于1#风电机组尾流区。

如图8所示，选取2018年8月27日14：00-21：50近8个小时的风速风向数据，此时风向介于105°～130°，测风塔位于2#风电机组尾流区。

如图9所示，选取2018年10月 15日14：40-19：40 5个小时的风速风向数据，此时风向介于108°～125°，测风塔位于2#风电机组尾流区。

结论

本文简单介绍了Modified Park尾流模型和EVM尾流模型的原理，并在Openwind软件中对各尾流模型进行验证。对比结果显示，各尾流模型均存在对测风塔受风电机组尾流影响程度低估的情况。与Modified Park尾流模型相比，EVM尾流模型计算得到的风速更趋近实测风速。但需要注意的是，本文为便于对尾流影响程度进行定量分析，将测风塔30m高度处的实测数据视为未受尾流影响的数值，具有一定的误差和不确定性。同时，基于1座测风塔的尾流分析不具备规模风电场尾流的普遍性。此外，受限于软件，本文分析的模型种类较少，后续可对其他软件尾流模型进行对比分析。

（作者单位：北京瑞科同创能源科技有限公司）