风力机尾流对风电机组排布的影响研究

金 盛

（1.新疆农业大学 机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆新能源新风投资开发有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 风力发电现状

能源是国民经济的重要物质基础，也是人类生活必须的物质保证，经济的快速发展和生活水平的提高离不开能源的消耗。近年来，在不断开发、研究各种可再生能源中，风能因其独有的优点越来越受到世界各国的青睐，已成为世界上发展最为迅速的能源之一，预计今后5年内风能的增长率将达到20%[1]。风能与传统化石能源如石油、煤等不同，既不会枯竭，也不会对环境造成污染。风能的经济性随着科技的发展也在快速提高，大多数能源的使用成本在不断上涨，而风能的成本却在下降。进入21世纪后，风能成为世界范围内技术上最成熟、商业上最成功的新兴清洁、可再生能源之一。全球风电装机大幅度增长，截至2017年全球风电累计装机容量达到514GW。我国的风力发电起步较晚，于20 世纪70年代才慢慢开始逐渐被人们所熟知，近10年来随着我国为了扶持新能源发展而出台的一系列政策，我国新能源出现了爆发式的增长，尤其是风力发电在这方面体现的尤为突出。根据中国电力企业联合会统计，2017年全国累计风电装机容量达到了163670MW。

2 风力发电机组集中布置存在的问题

随着风电技术的快速发展，单台风电机组的容量越来越大，随之相应的风电机组的叶片也越来越长，扫风面积逐渐增大；由于风资源较好地地区位置有限，为了达到最佳的土地利用率，风电场也逐渐向集群式发展，一个大型风电场的机组数量往往可以达到几十台甚至上百台。大容量风电机组、大规模集群式风电场逐渐成为当今风电开发的主流，而这必将带来一些新的空气动力学问题[7]。布置在下风向的风力发电机组的风速要在一定程度上小于布置在上风向的风力发电机组的风速，同时在布局中，如果风力发电机组布局越相近，则上风向的风力发电机组对邻近的风力发电机组的流经风速影响越大，这种现象被称之为尾流效应力，不仅降低风电机组发电量，也会影响叶轮的使用寿命。

3 关于风机尾流研究现状

为消除或是减弱对化石能源的影响，大规模应用风力发电逐渐受到世界各国的重视。风力机与大型风电场尾流效应等问题被学者们所重视、研究。经过30 多年的研究，人们对风电机组尾流效应进行了大量的研究，并取得了可喜的研究成果，开创出许多行之有效的研究方法，对减少由于风机尾流效应造成风电场的总输出功率降低、下游风力机的疲劳载荷增加、使用寿命缩短和结构性能变差等方面的影响做出了重大贡献，主要有风电场实地测量和风洞实验两种方法。本文根据丹麦国家实验室的N.O.Jensen 提出Jensen 模型及动量理论推导出Jensen尾流模型，同时与实际风电场中风电机组尾流场相结合，对Jensen 尾流模型进行修正，得到改进Jensen 尾流模型，编写为计算程序，得出风电机组尾流影响曲线。同时建立风速模型，拟合出风速曲线，考虑尾流影响下的风速与输出功率，与未受尾流影响的风速与输出功率对比、分析，得到本文所建立的Jensen 尾流模型能够在一定程度上帮助大型风电场的尾流效应研究。

4 风力机尾流模型的求解及参数分析

4.1 风力机尾流Jensen 模型

在1983年，丹麦国家实验室的N.O.Jensen 基于尾流初始直径为风轮直径、尾流增长速率呈线性关系、尾流横向剖面上的速度是均匀的等假设条件，提出了一种尾流模型——Jensen 模型[5]，该模型示意图如图1 所示。适用于在平坦地形上的风力机。

图1 Jensen 尾流模型示意图

在图1 Jensen 尾流模型示意图中，v0为上游来风的风速；u 为风轮平面处气流的速度；r0为风力机叶轮半径；x 为风力机下游的距离；v3为风力机下游距离为x 处尾流区的风速；r 为风力机下游距离为x 处尾流区的尾流横截面半径。

Jensen 尾流模型表示为：

在式（1）中，常数 α≈0.1，经过 N.O.Jensen 研究，将常数 α 精确至 0.07[5]。

4.2 改进Jensen 尾流模型

将Jensen 模型编写为计算程序，按照相应条件计算风电机组尾流效应的影响，计算结果如图2、3、4 所示。

从图2、3、4 可以看出，常数α 的正确选择会直接影响到对风机尾流曲线的描述，所以如何正确选择常数α显得尤为重要。本文根据N.O.Jensen 的研究，将常数α 精确至0.07[5]。

改进Jensen 尾流模型表示为：

将Jensen 改进模型模型编写为计算程序，按照相应条件计算风电机组尾流效应的影响，计算结果如图5。

5 风电场实测数据分析

为验证改进Jensen 尾流模型能够运用于实际风电工程建设，本文选取位于哈密三塘湖某风电场作为研究对象，以该风电场的测风数据与实际运行情况为基础，将风机实测风速代入改进Jensen 尾流模型，采用H93-2000 的机型修改两列之间的间隔排布，即采用5D，6D，7D，8D，9D，10D（其中 D=93m），分析不同间隔风机排布对尾流效应及发电量的影响。不同间隔排布下尾流及发电量情况见表1。

从表1 中可以看出，随着间距的增大，发电量逐渐增大，尾流逐渐减小。可以看出第二排的尾流变化较大，在实际工程中，应保证尾流小于8%，因此在实际工程中应该将间隔控制到8D 以上（D 为风轮直径）。

通过对实际工程中发电量的分析，从而得出了以下几个结论：（1）通过实际测风数据分析，考虑尾流效应时可以发现较后面的风机受前面风机的影响风速下降较多，对输出功率的影响也就更大；且风机叶片越大对后排风机的影响也就越大。（2）对于采用两种以上机型的风场，将叶轮直径较小的风机排布在叶轮直径大的风机前面，这样有利于降低风电场的尾流效应，但是大叶片的风机对于提高风场的发电量有一定的好处，在实际工程中应综合考虑发电量与尾流效应的影响，合理安排风机排布。（3）平坦地形的风电场在布置风机时，可沿主风向错列排布风机，前后排风机间距应大于8 倍风机直径，这样排布可使风机的尾流效应较小，满足实际工程的需要。（4）平坦地形条件下运用软件计算的风力机发电量与实际运行数据相差较小。

图2 Jensen 尾流模型（α≈0.1）

图3 Jensen 尾流模型（α≈0.7）

图4 等于0.1 与等于0.07 曲线对比

图5 改进Jensen 尾流模型

表1 不同间隔排布下发电量及尾流统计表