文／許霞 張小雷 孟慶茂

尾流對風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量影響分析

文／許霞 張小雷 孟慶茂

風(fēng)能是一種可再生的無污染綠色能源，風(fēng)力發(fā)電隨著人們對能源和環(huán)境問題的關(guān)注而得到迅速發(fā)展。最近幾年，我國風(fēng)電總裝機(jī)容量已躍居世界第一位。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用也帶來了一些新問題，如風(fēng)能損失，即風(fēng)電場的局部干擾對風(fēng)電機(jī)組出力的影響。尾流效應(yīng)、 湍流效應(yīng)和風(fēng)電場中局部風(fēng)向的變化都有可能造成風(fēng)能損失。

由于大型風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組數(shù)量眾多，占地面積較大，風(fēng)電機(jī)組間尾流效應(yīng)和風(fēng)速時(shí)滯將對風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)輸出特性有較大的影響。

本文針對風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)對主風(fēng)向方向上存在上下游關(guān)系的機(jī)位進(jìn)行分析提出風(fēng)電機(jī)組間合理的建議距離。

尾流的影響

氣流在經(jīng)過風(fēng)電機(jī)組葉片時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組把一部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)能量守恒原理，氣流能量會(huì)減小，實(shí)際上風(fēng)電機(jī)組的葉片對風(fēng)速有阻擋作用，在風(fēng)電機(jī)組的下風(fēng)向會(huì)產(chǎn)生類似輪船尾流的效果，該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的湍流，同時(shí)風(fēng)速也會(huì)降低。

風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組布置應(yīng)考慮到風(fēng)電機(jī)組之間的尾流影響，風(fēng)電機(jī)組之間的距離至少保證3倍的葉輪直徑，在主風(fēng)向上，風(fēng)電機(jī)組之間的距離應(yīng)更大一些。

國外有研究成果表明，對單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，在風(fēng)輪2D－3D的順風(fēng)中心處，風(fēng)速減小35%－45%；在距離8D處，風(fēng)速減小10%。尾流的直徑在距離風(fēng)輪8D－10D為2.6D－2.8D。對于行距為8D－11D，列距為2D－3D的布置，第二排的能量損失在10m/s時(shí)為8%－20%。

某風(fēng)電場尾流分析

以某丘陵地區(qū)風(fēng)電場為例，風(fēng)輪直徑為87m，遴選出風(fēng)場中距離較近，地勢相當(dāng)，主風(fēng)向方向上存在上下游關(guān)系的機(jī)位進(jìn)行尾流分析。

引入變量：

TP=下游機(jī)位總電量/上游機(jī)位總電量 ；

WP=下游機(jī)位尾流影響扇區(qū)電量/上游機(jī)位對應(yīng)扇區(qū)電量。

TP值表征上下游機(jī)位整體發(fā)電水平的差異，WP值則表征受尾流影響扇區(qū)發(fā)電水平的差異，通過對比TP值和WP值，某種程度上可以反映出風(fēng)電機(jī)組尾流對機(jī)組發(fā)電能力的影響。

風(fēng)電場測風(fēng)塔風(fēng)向玫瑰圖見圖1。

圖1 風(fēng)電場測風(fēng)塔風(fēng)向玫瑰圖

一、A2和A3機(jī)位對比分析

A2和A3機(jī)組布置圖如圖2所示，A2海拔150m，A3海拔為163m，兩臺(tái)機(jī)組直線距離453m，約為5.2D，兩機(jī)位發(fā)電量分扇區(qū)玫瑰圖如圖3所示。統(tǒng)計(jì)期內(nèi)變量分析如表1所示。

分析可見，A2和A3整體發(fā)電水平相近，A2發(fā)電量為A3的101%，但兩者發(fā)電量玫瑰圖差異較大。A2處于下游的扇區(qū)發(fā)電量為A3的89%，對比結(jié)果顯示，下游扇區(qū)機(jī)組發(fā)電量大幅下降。

二、A32和A33機(jī)位對比分析

A32和A33機(jī)組布置圖如圖4所示，A32海拔為140m，A33海拔為140m，兩臺(tái)機(jī)組直線距離485m約為5.6D，兩機(jī)位發(fā)電量分扇區(qū)玫瑰圖如圖5所示。統(tǒng)計(jì)期內(nèi)變量分析如表2所示。

圖3 A2（左）和A3（右）發(fā)電量玫瑰圖

分析可見，A32和A33整體發(fā)電水平基本相近，兩者發(fā)電量玫瑰圖有一定差異，與測風(fēng)塔相比差異很大。A32處于下游的扇區(qū)發(fā)電能力為A33的71%。對比結(jié)果顯示，A32機(jī)位受尾流影響扇區(qū)發(fā)電能力大幅下降。

采用1#測風(fēng)塔不同參數(shù)計(jì)算發(fā)電量

本次發(fā)電量以計(jì)算某風(fēng)電場為例，調(diào)整粗糙度、林區(qū)機(jī)組輪轂高度、尾流衰減系數(shù)等參數(shù)計(jì)算電量，計(jì)算表見表3。各機(jī)位計(jì)算上網(wǎng)電量與實(shí)際上網(wǎng)電量比較圖見圖6。

可以看出，方案1至方案6計(jì)算上網(wǎng)電量偏大，而且計(jì)算各機(jī)位趨勢與實(shí)際上網(wǎng)電量趨勢相比，沒有明顯改善。

以下發(fā)電量計(jì)算中，風(fēng)電機(jī)組輪轂高度仍統(tǒng)一按80m高度考慮，尾流衰減系數(shù)采用0.075。

數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析

回歸分析是處理隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系的一種有效手段，通過對大量實(shí)測數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算，建立一個(gè)變量（因變量）與若干個(gè)變量（自變量）間的多元線性回歸方程。本節(jié)利用該方法分析風(fēng)電場發(fā)電量（AEP）與海拔高度（H）、粗糙度參數(shù)Z0c、尾流（Wake）、地形險(xiǎn)峻度（RIX）、風(fēng)切變（apha）等因子的關(guān)系。其中：

表1 變量分析

圖4 機(jī)組布置圖

圖5 A32（左）、A33（右）發(fā)電量玫瑰圖

表2 變量分析

表3 WAsP軟件調(diào)整不同參數(shù)發(fā)電量計(jì)算表

圖6 方案1-方案6各機(jī)位計(jì)算上網(wǎng)電量與實(shí)際上網(wǎng)電量比較圖

AEP：年發(fā)電量，單位：萬kW.h；

H：各風(fēng)電機(jī)組位置海拔高度，單位：m；

Z0c：有效粗糙度參數(shù)，根據(jù)粗糙度地圖計(jì)算有效粗糙度z0，Z0c=[ln(z0)]3；

Wake：各風(fēng)電機(jī)組尾流，單位：%；

RIX：各機(jī)位地形險(xiǎn)峻度參數(shù)，WAsP計(jì)算；

apha：各機(jī)位風(fēng)切變指數(shù)，WT軟件計(jì)算。

表4為某風(fēng)電場各變量描述性統(tǒng)計(jì)量，某風(fēng)電場單機(jī)統(tǒng)計(jì)期內(nèi)平均發(fā)電量為240.5萬kW.h，平均海拔為171m。

風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量與海拔高度、粗糙度指數(shù)相關(guān)最好，與海拔高度為正相關(guān)，與粗糙度指數(shù)為負(fù)相關(guān)，粗糙度指數(shù)與風(fēng)切變也存在較好相關(guān)，為避免回歸方程出現(xiàn)粗糙度指數(shù)和風(fēng)切變出現(xiàn)共線性關(guān)系，首先剔除風(fēng)切變因子。從物理角度，風(fēng)切變指數(shù)和下墊面粗糙度也有著密切的關(guān)系。最終確定的最優(yōu)回歸方程如下：

AEP=a?H+b?Z0c+c?Wake+d?RIX+e

利用不同的樣本估計(jì)回歸方程參數(shù)表見表5。

根據(jù)所有樣本回歸系數(shù)分析某風(fēng)電場尾流變量對年發(fā)電量的影響見表6。

結(jié)果顯示：尾流變化范圍為1.9－11.7，尾流大1%，年發(fā)電量減小24h。

表4 某風(fēng)電場統(tǒng)計(jì)量

表5 回歸系數(shù)估計(jì)值

表6 尾流影響統(tǒng)計(jì)期發(fā)電量表

結(jié)語

結(jié)合某風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù) ,本文中定量計(jì)算了該風(fēng)電場部分機(jī)位尾流對下游機(jī)位的影響情況。

由于地形的差異，很難找到平行主風(fēng)向上2臺(tái)風(fēng)能資源相當(dāng)?shù)娘L(fēng)電機(jī)組作尾流影響分析，遴選了3組風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果表明，位于下游的風(fēng)電機(jī)組在發(fā)電量上受尾流的影響較大，且丘陵地區(qū)地形地貌同樣對發(fā)電量存在較大影響。通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出尾流增大1%，年發(fā)電量減小24小時(shí)。

多行多列布置的能量損失和地形、地面粗糙度也有關(guān)系。一方面，考慮到風(fēng)電機(jī)組的尾流影響，應(yīng)該使風(fēng)電機(jī)組間的距離越大越好；另一方面，土地使用和電網(wǎng)連接的限制又要求風(fēng)電機(jī)組間的距離盡可能小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在平行于主風(fēng)向上，風(fēng)電機(jī)組間的距離一般保持5－9倍葉輪直徑的距離；在垂直于主風(fēng)向方向上，風(fēng)電機(jī)組間的距離一般保持3－5倍葉輪直徑的距離。在復(fù)雜地形條件下，風(fēng)電機(jī)組定位要特別慎重，一般應(yīng)選擇四面臨風(fēng)的山脊上，也可以布置在迎風(fēng)坡上，同時(shí)必須注意復(fù)雜地形條件下可能存在的湍流等影響因素。

低風(fēng)速風(fēng)電場在尾流、控制與湍流折減等方面與中高風(fēng)速風(fēng)電場不同，建議在今后開發(fā)低風(fēng)速風(fēng)電場時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)已運(yùn)行低風(fēng)速風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析，細(xì)化各項(xiàng)折減系數(shù)；同時(shí)，風(fēng)電場設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮多個(gè)測風(fēng)塔數(shù)據(jù)或用多種軟件綜合計(jì)算法能夠提高發(fā)電量計(jì)算的準(zhǔn)確性，使風(fēng)電機(jī)組定位選址更加合理。

(作者單位：許霞：合肥電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院；張小雷、孟慶茂：中廣核風(fēng)電有限公司)