文 | 付炳瑞，王海斌，胡威

在風(fēng)電場基礎(chǔ)建設(shè)過程中，為了節(jié)省成本，減少挖平臺的土方量，經(jīng)常將山頭挖至可以澆筑風(fēng)電機組基礎(chǔ)時就停止施工，在風(fēng)電機組基礎(chǔ)旁留下10m－20m高未削去的半個山頭，機位微地形的改變對前期風(fēng)資源評估會有一定的偏差，從而對機組運行安全造成隱患。本文將以山西某風(fēng)電場為例，利用機組SCADA實測數(shù)據(jù)和CFD流體仿真手段，研究上述微地形的改變對輪轂高度處湍流和機組振動的影響。

山西某風(fēng)電場項目背景

山西某風(fēng)電場共吊裝29臺機組，2014年年底完成調(diào)試并網(wǎng)運行，運行過程中部分機組出現(xiàn)機艙加速度超限故障，其中大部分機組存在基礎(chǔ)平臺半削平的情況。

SCADA數(shù)據(jù)分析

本文選用機組運行的SCADA數(shù)據(jù)，時間長度為2015年1月1日到2015年12月31日，選取場區(qū)內(nèi)A、B兩臺典型故障機組和C、D兩臺正常機組，四臺機組所處的地形情況如圖1所示。故障機組與正常機組所處的地形相似，A機組和C機組與B機組和D機組各位于一道山梁，大地形下環(huán)境大體相同，因此對于研究微地形的影響具有較好的參考性。

通過處理機組SCADA數(shù)據(jù)，本文將從湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差、陣風(fēng)因子、機艙加速度有效值和功率曲線四個方面討論機組局地風(fēng)資源情況和運行狀態(tài)。

一、湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

通過分析問題機組的故障文件可知，該項目機組發(fā)生機艙加速度超限故障的時間段主要集中在四月和十二月，即春冬季節(jié)，一年中風(fēng)速最大的月份也恰好在四月和十二月。

圖1 四臺機組所處的地形情況

在北方春冬季節(jié)，植被稀疏，影響機位處湍流的因素以地形為主。湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差是衡量10min樣本內(nèi)數(shù)據(jù)強弱的量度，反映數(shù)據(jù)的脈動程度，用公式（1）表示：

其中ui為瞬時風(fēng)速，u為樣本平均風(fēng)速，n為樣本內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)。

在正常湍流模型中，湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差代表值σ1應(yīng)為輪轂高度處風(fēng)速的90%，對于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電機等級，這個值由式（2）給出：

將實測數(shù)據(jù)計算湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差值與代表值曲線進(jìn)行對比，來驗證實際湍流特征與IEC標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性。以2015年4月為例，A和B機組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時間的變化如圖3（a）和（b）所示。從圖中可知機位湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在大于10m/s的風(fēng)速段內(nèi)有較多的數(shù)據(jù)點，超出IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常湍流模型中A類湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線，且這些數(shù)據(jù)點在風(fēng)速維度上分布較為分散。反觀C和D正常運行的機組，其湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時間的變化如圖3（c）和（d）所示，機位湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在大于10m/s的風(fēng)速段內(nèi)的數(shù)據(jù)點超出在IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常范圍。模型中超出A類湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線的數(shù)據(jù)點較少，且這些數(shù)據(jù)點在風(fēng)速維度上相對集中，均在風(fēng)速18m/s左右分布。四臺機組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與IEC標(biāo)準(zhǔn)值的對比見表1，從表中可知，四臺機組實測湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在IEC湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)類代表值曲線以下的涵蓋比均超過90%，但A和B兩臺故障機組實測湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差在IEC湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差B類代表值曲線以下的占比卻低于90%。

圖2 正常湍流模型（NTM）的湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差

表1 2015年4月四臺風(fēng)電機組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與IEC標(biāo)準(zhǔn)值對比

圖3 2015年4月四臺機組湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差與風(fēng)速關(guān)系圖

二、機艙加速度有效值分析

2015年4月1日，A和B機組因發(fā)生機艙加速度超限故障，兩臺故障機組當(dāng)天的機艙加速度有效值如圖4（a）和（b）所示。由圖可知兩臺機組在部分時段內(nèi)機艙加速度有效值超過0.1g，甚至達(dá)到0.16g，觸發(fā)機艙加速度超限故障的最低條件。然而同一時段內(nèi)這兩臺故障機組附近的C和D機組運行正常，其機艙加速度有效值見圖4（c）和（d），C和D機組機艙加速度有效值均未超過0.1g。

三、陣風(fēng)因子分析

通常定義陣風(fēng)因子為陣風(fēng)持續(xù)期tg內(nèi)平均脈動風(fēng)速的最大值與基本時段內(nèi)的平均風(fēng)速之比，即：

2015年4月1日四臺機組陣風(fēng)因子隨時間變化的散點圖如圖5所示，從圖中可知A和B故障機組的陣風(fēng)因子存在超過2的時段，而且這一時段恰好與故障發(fā)生時間相吻合；而在同一時間段內(nèi)，C和D機組陣風(fēng)因子均未超過2。經(jīng)統(tǒng)計風(fēng)電機組實測數(shù)據(jù)樣本中陣風(fēng)因子超過1.4的頻率見表2，由表可知，A和B故障機組陣風(fēng)因子超過1.4的頻率占比均超過10%，且日平均陣風(fēng)因子偏大。

表2 風(fēng)電機組實測數(shù)據(jù)樣本中陣風(fēng)因子超過1.4的頻率統(tǒng)計

圖4 2015年4月1日四臺機組機艙加速度有效值隨時間變化圖

圖5 2014年4日1日四臺機組陣風(fēng)因子隨時間變化散點圖

四、故障機組對功率曲線的影響

故障機組不僅在湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差、機艙加速度、陣風(fēng)因子等方面存在異常，而且對功率輸出方面也有較大的影響，其功率曲線如圖6所示，2015年4月A和B機組的功率曲線在額定風(fēng)速段內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的下降。

五、故障機組地形分析

從現(xiàn)場地形分析，距離A機位的東側(cè)約22m處有一高約10m的半削平山包，同樣在距離B機位的東部約20m也有一高約11m的半削平山包，兩臺機組所處的地形相似。另外，兩臺機組與測風(fēng)塔的相關(guān)性較好（見圖7），說明測風(fēng)塔對這兩臺機組有一定的代表性，因此用測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是可行的。

經(jīng)分析2015年4月1日測風(fēng)塔的風(fēng)向為東偏東南，由此可知兩臺機組旁邊的半削平山頭恰好位于機組的主風(fēng)向。機組葉片最底端距離地面約30m，其與附近的半削平山頭在垂直高度上有不足20m的高差，當(dāng)風(fēng)從山頭一側(cè)吹向風(fēng)電機組時，氣流受到阻擋而發(fā)生畸變分離，不僅產(chǎn)生較大的湍流，而且導(dǎo)致風(fēng)速沿塔筒高度方向變化很大。

借助機組SCADA數(shù)據(jù)，只能監(jiān)測輪轂高度處來流變化情況，而無法獲知其他高度層的風(fēng)參數(shù)以及流場變化。為了更好地解釋半削平山頭對下風(fēng)向風(fēng)電機組的影響作用，下文將采用CFD流體模擬仿真技術(shù)對場區(qū)地形進(jìn)行流場模擬。

圖6 2015年4月A和B機組網(wǎng)側(cè)有功功率與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的對比

圖7 測風(fēng)塔與A和B機組風(fēng)速同期相關(guān)性驗證

CFD模擬仿真

CFD模擬仿真技術(shù)可較好地應(yīng)用于風(fēng)電場復(fù)雜地形的流動模擬, 再現(xiàn)復(fù)雜地形的大氣邊界層內(nèi)的流動。為了更加直觀地描述氣流流經(jīng)半削平山頭后的流場變化情況，本文首先對半削平山頭實現(xiàn)3D建模，然后采用流場仿真模型對半削平山頭的流場進(jìn)行仿真模擬，最后從機組平臺的垂直剖面和水平剖面分析半削平平臺對機組的影響。

圖8展示了模擬方案設(shè)置及數(shù)據(jù)傳遞流程。半削平處的小山包與機位點平臺的海拔相差10m，模擬區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格分辨率為1m×1m×1m，提取測風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度數(shù)據(jù)生成邊界廓線作為模擬區(qū)域的初始條件，對半削平風(fēng)電機組平臺處的流場進(jìn)行模擬。

一、垂直剖面模擬分析

假設(shè)平臺處高度為0m，根據(jù)前述方法模擬半削平風(fēng)電機組平臺垂直方向上0m－80m各高度處的環(huán)境湍流變化情況，具體模擬結(jié)果見圖9和表3。

根據(jù)CFD流體模擬仿真結(jié)果，風(fēng)電機組平臺處的湍流強度在半削平小山包的10m高度附近達(dá)到最大，隨著高度的上升，環(huán)境湍流值逐漸減小，且環(huán)境湍流值在30m高度處有較大的變化，該結(jié)論與障礙物對湍流的影響結(jié)論一致，即受障礙物的影響，渦流擾動區(qū)的影響高度范圍約為障礙物高度的3倍。風(fēng)電機組葉片掃風(fēng)最低點所處的高度一般距地約為20m－30m，若氣流從半削平風(fēng)電機組平臺處的小山包流經(jīng)下風(fēng)向的風(fēng)電機組平臺會發(fā)生氣流分離，山包與平臺間的海拔差越大，則氣流分離就越嚴(yán)重，影響的葉片掃風(fēng)面的面積越大，進(jìn)而給葉片的受力、機組的載荷帶來一定影響，最終影響機組正常發(fā)電。

二、水平剖面模擬分析

假設(shè)半削平的小山包與機位點平臺處海拔相差10m，如圖10所示，在水平剖面上（其高度與平臺高度一致），由于受半削平平臺的影響，半削平的小山包對風(fēng)有阻擋作用，在小山包前后均形成回流區(qū)，對機組的發(fā)電量和載荷安全產(chǎn)生影響。

三、半削平風(fēng)電機組平臺對環(huán)境湍流的影響分析

原山頭處垂直剖面上環(huán)境湍流見圖11，半削平風(fēng)電機組平臺垂直剖面上環(huán)境湍流見表4。

由表4可知，從原山頭與半削平風(fēng)電機組平臺環(huán)境湍流值變化情況來看，環(huán)境湍流值突變的高度層發(fā)生在風(fēng)與地表接觸的那一層高度，即山地地形中貼近地表處的湍流值最大，貼近地表處的湍流對機組有一定的影響，從而增加機組振動的可能性。

圖8 地形模擬仿真流程

圖9 半削平風(fēng)電機組平臺垂直剖面上環(huán)境湍流

表3 半削平風(fēng)電機組平臺垂直方向上0m-80m處的環(huán)境湍流變化情況

圖10 半削平風(fēng)電機組平臺水平剖面上環(huán)境湍流情況（風(fēng)流場平面高度與平臺高度一致）

圖11 原來山頭處垂直剖面上環(huán)境湍流

結(jié)論與建議

通過對機組SCADA數(shù)據(jù)和CFD仿真模擬的分析，位于機組上風(fēng)向的半削平山頭前后形成較大湍流的回流區(qū)，特別容易對機組下旋葉片的氣流造成擾動。從發(fā)電量角度來看，氣流擾動會影響葉片正常變槳，使其無法達(dá)到理論最優(yōu)Cp值，最終導(dǎo)致機組出力較差，發(fā)電量降低；從機組載荷適應(yīng)性角度來看，氣流擾動會引起機組振動、葉片壽命減少等問題。風(fēng)速越大，氣流流經(jīng)半削平山頭產(chǎn)生的脫流效應(yīng)會更加強烈，最終會導(dǎo)致機組機艙加速度超限故障。

表4 半削平山頭與原山頭處環(huán)境湍流對比

建議在今后的風(fēng)電場建設(shè)中，盡量保證機組平臺周邊平整，避免半削平山頭情況出現(xiàn)，雖然在前期投入成本增加，但在后期風(fēng)電場運維和發(fā)電量收益中，可以減少不必要的損失。

攝影：黃斌