牛亞路，李巖，王印

（明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東中山 528400）

隨著風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)，復(fù)雜地形下的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)由于受到微地形的影響（例如山頭遮擋等），發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量和安全性會(huì)受到一定的影響，雖然將機(jī)位立在主風(fēng)向方向的坡前位置或山頂位置對(duì)于機(jī)組的安全性和發(fā)電量都較為有利［1-2］，但是實(shí)際的機(jī)位選擇中，由于受到風(fēng)電場(chǎng)范圍、生態(tài)紅線和風(fēng)向的均勻分布等因素的約束，很難將機(jī)位點(diǎn)立在主風(fēng)向上的坡前位置，甚至?xí)L(fēng)機(jī)立于坡后位置，也就是上風(fēng)向方向有山頭遮擋的位置。因此，研究當(dāng)風(fēng)機(jī)立在主風(fēng)向方向有山頭遮擋的下風(fēng)向位置時(shí)，如何保證機(jī)組的安全運(yùn)行和發(fā)電量具有實(shí)際的工程和經(jīng)濟(jì)意義。

在研究復(fù)雜地形對(duì)風(fēng)資源的影響，評(píng)估由于地形的改變對(duì)風(fēng)機(jī)安全性和發(fā)電量產(chǎn)生的影響時(shí)，主要方法有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，考慮到經(jīng)濟(jì)性和研究周期等因素以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的大幅提升，CFD方法成為該項(xiàng)研究工作的首選。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)復(fù)雜地形下的微觀地形對(duì)風(fēng)資源的影響進(jìn)行了大量的研究工作。ABDI［3］采用多種湍流模型進(jìn)行了丘陵地形風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，得到三維真實(shí)地形地域內(nèi)風(fēng)特性。UCHIDA［4］利用兩種網(wǎng)格系統(tǒng)仿真計(jì)算了山丘等復(fù)雜地形下的風(fēng)資源分布情況。DHUNNY［5］、LEE［6］、沈晶［7］等對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)資源情況進(jìn)行了CFD模擬計(jì)算，為復(fù)雜地形下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)位點(diǎn)的選取提供了參考。在CFD計(jì)算的湍流模型研究方面，BLOCKEN［8］采用修正后的k-e模型模擬了復(fù)雜地形下風(fēng)資源情況，并獲得了與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好的風(fēng)速風(fēng)向分布。葛文鵬［1］、左薇［2］對(duì)山頭立機(jī)位置進(jìn)行了討論，建議機(jī)位點(diǎn)應(yīng)立在來風(fēng)方向山頭的上風(fēng)向位置。

本文以廣西某風(fēng)場(chǎng)的H05-01機(jī)位點(diǎn)為例，在相關(guān)地形研究的數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝及運(yùn)行過程中，如何降低因地形帶來的安全隱患和發(fā)電量提升方法展開研究，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 項(xiàng)目情況說明

該項(xiàng)目為廣西一復(fù)雜山地的風(fēng)場(chǎng)，由于生態(tài)保護(hù)紅線的要求，如圖1所示，H05-01號(hào)機(jī)位點(diǎn)只能布置在偏離山頭的位置，機(jī)位點(diǎn)和附近山頭的高度落差相差33 m，山頭位置方向和主風(fēng)向方向較為接近，如圖1和圖2所示，主風(fēng)能風(fēng)向?yàn)楸逼珫|10°方向，山頭方向?yàn)楸逼珫|65°方向，且由于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求，對(duì)山頭的施工只能在靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)進(jìn)行，初步擬采用單機(jī)容量3.2 MW，輪轂高度為95 m，機(jī)型參數(shù)表如表1所示。經(jīng)過前期的評(píng)估，當(dāng)風(fēng)向在北偏東20°～90°范圍內(nèi)無(wú)法消除山頭給風(fēng)機(jī)運(yùn)行帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，且在此區(qū)間非主風(fēng)能方向，故擬采用扇區(qū)管理的方式使風(fēng)機(jī)在此風(fēng)向區(qū)間降功率運(yùn)行或停止運(yùn)行。本文重點(diǎn)研究如何通過對(duì)山頭地形的修整，保證來風(fēng)方向?yàn)橹黠L(fēng)能方向（10°）時(shí)機(jī)組能夠安全運(yùn)行的方法措施。

圖1 H05-01號(hào)機(jī)位點(diǎn)風(fēng)機(jī)附近的地形圖Fig.1 Topographic map of H05-01 turbine site

圖2 H05-01號(hào)機(jī)位點(diǎn)風(fēng)能玫瑰圖Fig.2 Wind energy rose chart of H05-01 turbine site

表1 機(jī)型參數(shù)表Tab.1 Modelparameter table

1.1 數(shù)值模擬方法

本文選取機(jī)位實(shí)際地形作為研究對(duì)象，在機(jī)位附近采用分辨率為2 m×2 m高精度測(cè)繪地圖，范圍覆蓋直徑約3 km。外區(qū)域采用30 m×30 m低精度地圖，此地圖來自地理空間數(shù)據(jù)云-DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)-GDEMDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，兩種地圖是在坡度較緩的位置做的拼接，拼縫寬度60 m，拼接段進(jìn)行了線性插值過渡。由于拼段兩側(cè)都是取自實(shí)際地形，拼縫相比計(jì)算域極小，而且遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)（約2 km），地形起伏較緩，此種處理方式對(duì)模擬結(jié)果影響可忽略不計(jì)［9］。生成的地形高程圖如圖3所示。

圖3 地形高程圖Fig.3 The elevation map of terrain

以H05-01機(jī)位點(diǎn)為中心位置，建立長(zhǎng)方體計(jì)算域，入口距風(fēng)機(jī)位置為5 km，出口距風(fēng)機(jī)位置為8 km，計(jì)算域高度取3 km，網(wǎng)格劃分策略參考文獻(xiàn)［10-11］，兩側(cè)距風(fēng)機(jī)采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散，對(duì)機(jī)位點(diǎn)位置單獨(dú)加密，最終網(wǎng)格總數(shù)約為2 000萬(wàn)，如圖4所示。

入口來流風(fēng)速采用對(duì)數(shù)分布的邊界條件［12-13］，如式（1）和式（2）所示，湍流模型采用RNGk-e模型，邊界層內(nèi)流場(chǎng)采用近壁面函數(shù)處理。仿真采用穩(wěn)態(tài)求解，設(shè)置最大迭代步數(shù)1 000步，通過監(jiān)控特定點(diǎn)的風(fēng)速和殘差待其穩(wěn)定后，獲得穩(wěn)定的流場(chǎng)分布。

式中：

uτ——摩擦速度（m/s）；

k——Karman常數(shù)；

zh——臨界高度（m）；

zh——地面粗糙度（m）；

zref——參考高度（m）；

uref——參考風(fēng)速（m/s），根據(jù)該場(chǎng)區(qū)的風(fēng)資源信息，假定入口100 m高度風(fēng)速為7 m/s，入口風(fēng)速沿高度層為（1）式的風(fēng)廓線分布。

根據(jù)實(shí)際地形建立的六面體網(wǎng)格有東西南北上下共計(jì)6個(gè)面需要設(shè)定邊界條件。根據(jù)風(fēng)向設(shè)置來流的方向?yàn)樗俣热肟谶吔?，流出方向?yàn)閴毫Τ隹谶吔纭Ｉ线吔鐬閷?duì)稱邊界，下邊界無(wú)滑移壁面。假設(shè)空氣運(yùn)動(dòng)是3D的不可壓縮穩(wěn)定流動(dòng)，忽略地轉(zhuǎn)偏向力（科氏力）的影響［14］。

1.2 發(fā)電量計(jì)算方法

本文采用Wasp軟件進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，風(fēng)場(chǎng)區(qū)域地形采用1.1節(jié)中機(jī)位點(diǎn)附近的高精度測(cè)繪地圖和周圍的低精度地圖拼接而成，利用Globalmapper軟件生成等高線，最后使用Wasp自帶的軟件Wasp map editor編輯粗糙度和生成地圖文件。

在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，風(fēng)向風(fēng)速隨時(shí)間變化情況非常復(fù)雜，本文主要討論理想狀態(tài)的定風(fēng)速情況下，地形對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪盤面的風(fēng)資源影響情況。采用葉輪盤面的輪轂高度處風(fēng)速為Wasp發(fā)電量計(jì)算的輸入條件，評(píng)價(jià)不同工況下風(fēng)機(jī)的發(fā)電量情況。

2 優(yōu)化方法探究

按照風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)常規(guī)的施工設(shè)計(jì)思路，機(jī)位點(diǎn)的施工需在機(jī)位點(diǎn)處挖掘一平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安裝工作，平臺(tái)的大小根據(jù)機(jī)組的大小和載荷情況來決定，一般平臺(tái)直徑在40～60 m，本文所選取的H05-01號(hào)機(jī)位點(diǎn)的施工平臺(tái)如圖5所示。按照上節(jié)給出的仿真模型，計(jì)算10°來風(fēng)方向下（此方向的地形剖面圖如圖6所示），機(jī)組葉輪面的風(fēng)資源情況，評(píng)價(jià)該地形下機(jī)組的安全性。

圖5 施工平臺(tái)地形圖Fig.5 Topographic map of construction platform

一般情況下，陸上復(fù)雜地形條件下，地面以上200 m以內(nèi)的近地表區(qū)域風(fēng)速變化較大，氣流擾動(dòng)較為嚴(yán)重。通過CFD計(jì)算可以得出，該地形下，機(jī)組的迎風(fēng)方向的地形速度云圖如圖6所示，葉輪盤面的速度分布云圖和湍流分布云圖如圖7所示，通過計(jì)算可知，該地形情況下，葉輪盤面靠近下葉尖左側(cè)受到的地形影響較大，最大風(fēng)切變指數(shù)為1.61，湍流強(qiáng)度為0.29，此時(shí)的切變指數(shù)和湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)組的設(shè)計(jì)極限，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的周期性振動(dòng)，影響機(jī)組運(yùn)行安全，故下一步需要采取措施，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖6 機(jī)位來風(fēng)方向的速度云圖Fig.6 Velocity distribution around wind turbine in wind direction

圖7 機(jī)位盤面湍流強(qiáng)度和速度圖Fig.7 Turbulence intensity and velocity distribution of wind turbine rotor disk

2.1 扇區(qū)管理

H05-01機(jī)位點(diǎn)北偏東10°方向?yàn)橹黠L(fēng)能方向，由于在該地形下風(fēng)切變值和湍流強(qiáng)度超標(biāo)，影響機(jī)組安全運(yùn)行，可采用扇區(qū)管理的方法，當(dāng)來風(fēng)方向在10°范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)機(jī)停止或降低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證機(jī)組的安全性。通過Wasp計(jì)算可知，如果當(dāng)來風(fēng)方向?yàn)?0°時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，在不考慮尾流的情況下，每年該風(fēng)機(jī)會(huì)減少10%以上的發(fā)電量，折合標(biāo)準(zhǔn)年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)280 h，此時(shí)由于在東偏北10°～90°方向都采取扇區(qū)管理的方式，機(jī)組的累積發(fā)電量損失將達(dá)到15%以上，不能滿足風(fēng)電機(jī)組建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性要求。

2.2 提高輪轂高度

由于按照風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)常規(guī)的施工方案，其下葉尖左側(cè)的風(fēng)速過小、湍流強(qiáng)度超標(biāo)，無(wú)法保證機(jī)組的安全性，現(xiàn)通過提高輪轂高度來消除機(jī)組的安全隱患。圖8和圖9分別為風(fēng)機(jī)輪轂高度提高5 m、10 m、15 m的葉輪盤面的速度和湍流強(qiáng)度云圖，表2為不同輪轂高度的風(fēng)切變指數(shù)、湍流強(qiáng)度和輪轂高度處的風(fēng)速大小?？梢钥闯?，隨著輪轂高度的提升，由于山坡的加速效應(yīng)逐步減弱，輪轂高度處風(fēng)速略微降低，但下葉尖左側(cè)處的速度增加，降低了下葉尖處的風(fēng)切變指數(shù)和湍流強(qiáng)度。

圖8 輪轂高度提升5 m、10 m、15 m的盤面風(fēng)速分布云圖Fig.8 Wind speed distribution of wind turbine rotor disk when the hub height is elevated 5 m，10 m and 15 m

圖9 輪轂高度提升5 m、10 m、15 m的盤面湍流強(qiáng)度分布云圖Fig.9 Turbulence intensity distribution of wind turbine rotor disk when the hub height is elevated 5 m，10 m and 15 m

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，一般情況下盤面的最大的風(fēng)切變指數(shù)小于0.16，湍流強(qiáng)度小于0.2，基本能夠滿足A類風(fēng)機(jī)［15］的要求，當(dāng)風(fēng)切變指數(shù)和湍流強(qiáng)度達(dá)到該值時(shí)，可進(jìn)行下一步詳細(xì)的載荷計(jì)算工作。由表2可以看出，當(dāng)輪轂高度提升15 m至110 m時(shí)，機(jī)組滿足要求可進(jìn)行下一步的載荷計(jì)算工作。而此時(shí)，由于輪轂高度的提升，山坡對(duì)風(fēng)的加速效應(yīng)減弱，輪轂高度的風(fēng)速相比95 m的輪轂高度風(fēng)速降低了1.6%，通過Wasp計(jì)算可知，在不考慮尾流影響的情況下，年總發(fā)電量減少了188 MW，折合標(biāo)準(zhǔn)年等效滿發(fā)小時(shí)59 h，并且會(huì)增加風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的載荷和建設(shè)成本。

表2 葉輪盤面的速度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Speed statistics of wind turbine rotor disk

2.3 地形修整

為了使風(fēng)機(jī)葉輪面的湍流強(qiáng)度和風(fēng)切變值滿足機(jī)組的安全運(yùn)行要求，采用提高輪轂高度的方法，往往會(huì)導(dǎo)致成本和時(shí)間周期的增加，故在實(shí)際施工過程中，常采用對(duì)風(fēng)機(jī)周圍地形進(jìn)行修整的方法，將對(duì)風(fēng)機(jī)來風(fēng)方向有遮擋的山頭進(jìn)行適量合理地挖掘修整，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

采用在原施工平臺(tái)對(duì)地形進(jìn)行進(jìn)一步施工，如圖10所示，圖10（a）為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的常規(guī)設(shè)計(jì)方案，僅開挖一個(gè)能夠滿足風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安裝的施工平臺(tái)，對(duì)于3 MW級(jí)別的風(fēng)機(jī)，開挖半徑一般在40～60 m即可滿足施工要求；圖10（b）是在最初的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安裝平臺(tái)上向外擴(kuò)大挖掘施工，直接將來風(fēng)方向阻擋的山頭挖掉，該施工方式簡(jiǎn)單，能夠減少來風(fēng)方向的山頭遮擋，但施工量較大；圖10（c）采用雙平臺(tái)設(shè)計(jì)，僅對(duì)來風(fēng)方向有阻擋的部分山頭進(jìn)行平臺(tái)化挖掘，一般可按照來風(fēng)方向平臺(tái)和風(fēng)機(jī)下葉尖垂直高度在10 m左右的方法進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，然后根據(jù)周圍地形進(jìn)行逐步優(yōu)化。該方法在減少來風(fēng)方向山頭遮擋的同時(shí)，也減小了土方挖掘的作業(yè)量。

圖10 三種不同的機(jī)位點(diǎn)基礎(chǔ)平臺(tái)施工方案Fig.10 Three different construction schemes of wind turbine foundation platform

圖11和圖12為三種施工方案的葉輪盤面速度分布和湍流強(qiáng)度分布，可以看出，圖10（b）和圖10（c）相比圖10（a）的施工方案，湍流強(qiáng)度明顯降低，通過對(duì)盤面湍流強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值提取，兩種方案的湍流強(qiáng)度都小于0.2，且下盤面葉尖處的風(fēng)速增加，減小了葉輪面的最大風(fēng)切變指數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，圖10（b）和圖10（c）兩種方案葉輪盤面的最大風(fēng)切變指數(shù)分別為0.13和0.15，均小于0.16。另外，由于對(duì)山頭進(jìn)行挖掘施工，山體對(duì)輪轂高度處的加速效果減弱，圖10（b）和圖10（c）相比圖10（a）的施工方案風(fēng)速降低了1.1%和1.0%，通過Wasp計(jì)算，發(fā)電量減少了1.5%和1.3%，考慮到圖10（c）方案的施工量遠(yuǎn)小于圖10（b）方案，且發(fā)電量略高，故采用圖10（c）的方案作為最終的施工方案進(jìn)行下一步的載荷迭代計(jì)算。

圖11 三種基礎(chǔ)平臺(tái)施工方案的盤面風(fēng)速分布云圖Fig.11 Disk wind speed distribution of three wind turbine foundation platform construction schemes

圖12 三種基礎(chǔ)平臺(tái)施工方案的盤面湍流強(qiáng)度分布云圖Fig.12 Disk turbulence intensity distribution of three wind turbine foundation platforms construction schemes

3 結(jié) 論

通過建立廣西某項(xiàng)目H05-01機(jī)位點(diǎn)附近的三維風(fēng)場(chǎng)模型，提出了三種評(píng)估減小風(fēng)機(jī)湍流強(qiáng)度和風(fēng)切變指數(shù)的方案，并對(duì)提高輪轂高度和地形修整兩種方案進(jìn)行了CFD計(jì)算，得出了以下結(jié)論：

1）如果風(fēng)機(jī)來風(fēng)方向有山頭遮擋時(shí)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉輪盤面風(fēng)切變指數(shù)和湍流強(qiáng)度嚴(yán)重超標(biāo)，影響機(jī)組的運(yùn)行安全。

2）通過提高輪轂高度和對(duì)地形進(jìn)行修整，都能夠改善機(jī)組的安全性能，具體方案可根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目決定，本文的H05-01機(jī)位點(diǎn)采用地形修整的方案優(yōu)于提高輪轂高度方案。

3）當(dāng)機(jī)組來風(fēng)方向有山頭遮擋時(shí)，采用削減山頭的地形修整方案，圖9（c）的雙平臺(tái)地形優(yōu)化方法，能夠有效兼顧風(fēng)電機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。