韓曉亮，布仁

（內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

風(fēng)資源的分布具有區(qū)域性，大中型風(fēng)場(chǎng)在這些區(qū)域就會(huì)集中成片分布，風(fēng)場(chǎng)間的相互影響就會(huì)不可避免地出現(xiàn)。本文擬選擇代表性區(qū)域的典型風(fēng)場(chǎng)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行初步的研究，以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域規(guī)劃與風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量的評(píng)估起到指導(dǎo)作用。

風(fēng)電機(jī)組吸收了風(fēng)中的部分能量，所以風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)電機(jī)組后，其速度要有所下降。在風(fēng)電場(chǎng)中，前面的風(fēng)電機(jī)組要遮擋后面的風(fēng)電機(jī)組，因此坐落在下風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速就低于坐落在上風(fēng)向的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速。風(fēng)電機(jī)組相距越近，前面風(fēng)電機(jī)組對(duì)后面風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速的影響越大，這種現(xiàn)象稱為尾流效應(yīng)。通常用尾流值（尾流損失）來(lái)表征尾流效應(yīng)的程度，對(duì)于一個(gè)風(fēng)場(chǎng)而言，一般指損失的發(fā)電量與理論總發(fā)電量的比值。在國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了一些關(guān)于尾流效應(yīng)的研究[1-8]。

目前國(guó)內(nèi)外成熟的風(fēng)電場(chǎng)尾流值計(jì)算的軟件主要包括Wasp、Windfarmer、Windsim、WT和木聯(lián)能軟件，對(duì)于平坦地形較為適應(yīng)的軟件主要為Wasp軟件[9-12]。本文即采用該軟件進(jìn)行計(jì)算，該軟件采用的尾流模型為典型的Park模型，該模型是由學(xué)者Jensen提出的一維尾流模型，該模型假設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組下游尾流是線性膨脹的，該模型的原理圖如圖1所示，根據(jù)質(zhì)量守恒定理推導(dǎo)出在風(fēng)力機(jī)下游x位置處速度為[13-14]：

式中，u0為來(lái)流風(fēng)速；a為軸流誘導(dǎo)因子，與推力系數(shù)CT有關(guān)；r1為下游x位置處尾流區(qū)域的半徑；α為尾流擴(kuò)散系數(shù)表示尾流的膨脹速率。a、r1、α的公式如下；

圖1 尾流模型原理圖Fig.1 Schematic of the wake model

式中，r為風(fēng)輪半徑；z為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂高度；z0為地表粗糙度。

1 計(jì)算方案

本次研究采用的代表性風(fēng)場(chǎng)位于內(nèi)蒙古二連浩特市，地形平坦開闊，為典型的草原地貌，符合GB/T 18451.1-2012中關(guān)于平坦地形的相關(guān)規(guī)定[15]。本次計(jì)算中的風(fēng)資源采用該區(qū)域測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)資料，該資源符合內(nèi)蒙古區(qū)域典型的氣候特征，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)閃方向，其風(fēng)向頻率分布如圖2所示。

圖2 風(fēng)向頻率和風(fēng)電場(chǎng)分布示意圖Fig.2 Schematic of wind direction frequency and wind farm layout

本次研究在風(fēng)場(chǎng)設(shè)定上充分考慮了該地區(qū)的實(shí)際氣候和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝情況，將學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)固定在選定區(qū)域的中心位置處，在其周圍以45°為間隔，分別距學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)D=0 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m這5個(gè)距離均勻分布8個(gè)參考風(fēng)場(chǎng)，研究其對(duì)學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的影響，風(fēng)電場(chǎng)間的相對(duì)位置，從正西方向（270°方向）沿順時(shí)針?lè)较蛞来蚊麨?號(hào)-8號(hào)參考風(fēng)場(chǎng)。

學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)與參考風(fēng)場(chǎng)均按照長(zhǎng)×寬（平行主導(dǎo)風(fēng)向方向×垂直主導(dǎo)風(fēng)向方向）=3 km×4 km設(shè)定，面積恒定為12 km2、裝機(jī)容量49.5 MW，布置單機(jī)容量1 500 kW，風(fēng)輪直徑為77 m的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)。在分析過(guò)程中學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的位置與其中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的位置始終保持不變，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布置的合理性，所有風(fēng)場(chǎng)都采用了行業(yè)通用的Windfarmer軟件對(duì)其機(jī)位進(jìn)行優(yōu)化布置。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 單一風(fēng)場(chǎng)影響的分析

經(jīng)計(jì)算在周圍無(wú)參考風(fēng)場(chǎng)時(shí)，學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的尾流值L0=5.58%，依次計(jì)算在5個(gè)不同距離下單獨(dú)增加1~8號(hào)風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)尾流值的影響，經(jīng)計(jì)算學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的尾流值Li如表1所示，尾流值的絕對(duì)誤差A(yù)E如表2所示，尾流值的相對(duì)誤差A(yù)PE如表3所示。

表1 增加單一風(fēng)場(chǎng)的尾流值計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of the wake loss with adding a single wind farm

表2 增加單一風(fēng)場(chǎng)的尾流值絕對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation AE results of the wake loss with adding a single wind farm

表3 增加單一風(fēng)場(chǎng)的尾流值相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation AEP results of wake loss with adding a single wind farm

分析表1—3可知

1）各參考風(fēng)場(chǎng)隨著距離學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)越遠(yuǎn)，對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)影響越小。從0 m到2 000 m參考風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)平均的尾流絕對(duì)誤差從0.61%降低到0.15%，平均的尾流相對(duì)誤差從10.84%降低到2.76%；

2）參考風(fēng)場(chǎng)分布方位的不同對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)影響也不相同。沿著主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向分布的風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)影響較大，距離2 000 m左右時(shí)，其尾流相對(duì)誤差依然保持在10%左右，是非主導(dǎo)風(fēng)向參考風(fēng)場(chǎng)尾流相對(duì)誤差的10倍左右；

3）平均尾流相對(duì)誤差在0 m與500 m之間的變化最為劇烈，衰減也最大，變化幅度為34%，500 m與1 000 m之間變化幅度為31%，1 500 m與2 000 m之間變化幅度為24%。

2.2 成片風(fēng)場(chǎng)影響的分析

經(jīng)計(jì)算在周圍無(wú)參考風(fēng)場(chǎng)時(shí)，學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的尾流值L0=5.58%，依次計(jì)算在5個(gè)不同距離下順序增加3個(gè)相連的參考風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的尾流值的影響，經(jīng)計(jì)算學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的尾流值Li如表4所示，尾流值的絕對(duì)誤差A(yù)E如表5所示，尾流值的相對(duì)誤差A(yù)PE如表6所示。

分析表4—6可知：

1）各參考風(fēng)場(chǎng)隨著距離學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)越遠(yuǎn)，對(duì)于研究風(fēng)場(chǎng)影響越小。從0 m到2 000 m參考風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)平均的尾流絕對(duì)誤差從1.73%降低到0.40%，平均的尾流相對(duì)誤差從31.00%降低到8.25%；

2）參考風(fēng)場(chǎng)分布方位的不同對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)影響也不相同。沿主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向分布的風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)影響較大，如1-2-3，7-8-1、8-1-2這3個(gè)包含沿主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向分布的1號(hào)風(fēng)場(chǎng)，距離2 000 m左右時(shí)，其尾流相對(duì)誤差保持在15%左右；

表4 增加成片風(fēng)場(chǎng)的尾流值計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of wake loss with adding a swarm of wind farms

表5 增加成片風(fēng)場(chǎng)的尾流值絕對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation AE results of wake loss with adding a swarm of wind farms

表6 增加成片風(fēng)場(chǎng)的尾流值相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation AEP results of wake loss with adding a swarm of wind farms

3）平均尾流相對(duì)誤差的變化在0 m與500 m之間的變化最為劇烈，衰減也最大，變化幅度為33%，500 m與1 000 m之間變化幅度為30%，1 500 m與2 000 m之間變化幅度為24%；

4）對(duì)比成片的風(fēng)場(chǎng)與單一風(fēng)場(chǎng)的平均尾流相對(duì)誤差的比值，從0 m~2 000 m比值依次為2.86、2.90、2.94、2.96、2.99，基本保持在3倍的比例。

3 結(jié)論

1）隨著距離學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)越遠(yuǎn)，參考風(fēng)場(chǎng)對(duì)于其尾流影響越小，隨著距離的增加，尾流相對(duì)誤差的衰減逐步減弱；

2）參考風(fēng)場(chǎng)分布方位對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)影響較大，沿著主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向分布的風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)影響較大，與非主導(dǎo)風(fēng)向分布的風(fēng)場(chǎng)相比，單一分布時(shí)，之間的比值在10倍左右，成片分布時(shí)，之間的比值在5倍左右；

3）成片分布的風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的尾流影響較單獨(dú)的風(fēng)場(chǎng)對(duì)于學(xué)習(xí)風(fēng)場(chǎng)的尾流影響要大。

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