明陽智慧能源集團(tuán)股份公司 任 娜 朱光偉 黃全盼 符少南 胡健彬 朱陽光

隨著碳達(dá)峰、碳中和“3060”目標(biāo)的提出，風(fēng)力發(fā)電迎來了快速發(fā)展，海上風(fēng)電發(fā)展尤為明顯。目前海上風(fēng)電發(fā)展以大容量、大葉輪為主要發(fā)展方向，隨著葉輪直徑的增大葉片底部直徑也在增大，對上風(fēng)向且測風(fēng)裝置安裝在機(jī)艙尾部的風(fēng)電機(jī)組來說，因葉片遮擋、尾流等影響使得機(jī)組測風(fēng)存在較大的誤差，較大的風(fēng)向誤差會帶來較大的偏航對風(fēng)誤差，這樣直接會帶來機(jī)組能量捕獲減少。

影響測風(fēng)誤差除了傳感器本身的性能外，測風(fēng)設(shè)備的安裝位置也占重要因素，但關(guān)于測風(fēng)設(shè)備安裝位置的研究目前風(fēng)電行業(yè)內(nèi)比較少，王曉宇等人采用水平式激光雷達(dá)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對機(jī)械式風(fēng)向儀測量風(fēng)向的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究[1]；徐奉友等人將風(fēng)能數(shù)據(jù)檢測設(shè)備檢測的初始風(fēng)速向量進(jìn)行正交分解,然后通過修改得到的風(fēng)速向量[2]。

對測風(fēng)誤差進(jìn)行校正、提高風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)精度的方法很多，專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如馬丁在其專利中利用其目標(biāo)風(fēng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)學(xué)習(xí)并使用其它相似風(fēng)機(jī)的風(fēng)向儀進(jìn)行誤差校正[3]；劉智敬基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略對機(jī)艙風(fēng)速進(jìn)行分段，然后通過機(jī)艙風(fēng)速與來流風(fēng)速的相關(guān)性分析，確定擬合函數(shù)的類型，最后利用最小二乘法分段擬合得到試驗(yàn)機(jī)型機(jī)艙風(fēng)速與來流風(fēng)速的修正函數(shù)[4]。

1 仿真模型的建立

仿真測試點(diǎn)確定。確定停機(jī)時輪轂中心正上方最高點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，水平方向?yàn)閤 軸方向，垂直方向?yàn)閦 軸，如圖1所示。以此類推，縱向第一層為A1、第二層為A2、第十一層為A11，每層之間的相差0.5m，橫向排布點(diǎn)為6、1、2、3、4、5、7共7個測點(diǎn)，如第三層的四號測點(diǎn)則命名為A34。仿真點(diǎn)位A11～A27坐標(biāo)x/y/z(m)分別為：12.497/3.94/2.279、12.497/1.94/2.279、12.497/0/2.279、12.497/-1.94/2.279、12.497/3.94/2.279、12.497/4.44/2.279、12.497/-4.44/2.279、12.497/3.94/2.779、12.497/1.94/2.779、12.497/0/2.779、12.497/-1.94/2.779、12.497/3.94/2.779、12.497/4.44/2.779、12.497/-4.44/2.779。

仿真工況確定。本文以某公司某機(jī)型為例進(jìn)行仿真，以機(jī)艙正對風(fēng)時偏航誤差為0°，逆時針方向?yàn)樨?fù)的偏航誤差、順時針方向?yàn)檎钠秸`差，葉片方位角為一支葉片垂直向上為0°。仿真環(huán)境條件為臺風(fēng)環(huán)境，風(fēng)速為50m/s，仿真工況包含葉片方位角分別為0°、15°、30°、45°、60°，偏航誤差分別為0°、8°、15°，一共15個仿真工況，每個仿真工況均包含77個測點(diǎn)的測風(fēng)誤差數(shù)據(jù)，當(dāng)偏航誤差為負(fù)時，可以用偏航誤差為正時的仿真數(shù)據(jù)做對稱性處理。

2 仿真數(shù)據(jù)分析及測試驗(yàn)證

通過觀察仿真測試點(diǎn)各個工況、各個高度下的測風(fēng)誤差，可以發(fā)現(xiàn)A1，A2高度下的測風(fēng)誤差較大，因而測點(diǎn)高度至少從A3開始選取，從A3高度隨機(jī)抽取第一個點(diǎn)位2，查看各個工況下其測風(fēng)誤差。規(guī)定X°-Y°：X 代表偏航誤差角度，Y 代表葉片方位角。

仿真測試點(diǎn)位2。查看點(diǎn)位2在A3高度下所有工況的測風(fēng)誤差，發(fā)現(xiàn)工況15-60（偏航誤差15°，葉片方位角60°）下測風(fēng)誤差均值絕對值超過8°，為保證測量的準(zhǔn)確性，需提高測點(diǎn)高度。查看點(diǎn)位2在工況15-60下各個高度下的測風(fēng)誤差，當(dāng)高度在A4及以上時其測量誤差均值在8°以內(nèi)。查看點(diǎn)位2在A4高度下所有工況的測風(fēng)誤差，穩(wěn)定后誤差均值在8°以內(nèi)，若選擇點(diǎn)位2則至少需要達(dá)到A4高度。

仿真測試點(diǎn)位4。A4高度下查看各個工況下點(diǎn)位4的測風(fēng)誤差。A4高度下的0-15、15-30工況誤差較大。查看0-15工況下點(diǎn)位4在所有高度處的測風(fēng)誤差，如圖5所示。點(diǎn)位4在0-15工況所有高度數(shù)據(jù)波動太大，無法根據(jù)圖像粗略判斷，查看原數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)高度為A5時，0-15工況的測風(fēng)誤差均值在8°以內(nèi)。查看15-30工況下點(diǎn)位4在各個高度的測風(fēng)誤差，如圖6所示。為滿足測風(fēng)誤差范圍盡量在8°以內(nèi)，就點(diǎn)位4而言高度至少為A7，但對比A7高度處及A5高度處的數(shù)值，測風(fēng)誤差差別不大，因此可選擇A5高度。

仿真測試點(diǎn)位3。查看各個工況下A53的測風(fēng)誤差，發(fā)現(xiàn)0-0工況時A53的波動大，但查看數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)均值為4.82°，小于8°；仿真測試點(diǎn)位6。測點(diǎn)A56在各個工況下風(fēng)向誤差均值在8°以內(nèi)；仿真測試點(diǎn)位1。測點(diǎn)A51在各個工況下測風(fēng)誤差均值在8°以內(nèi)。

仿真測試點(diǎn)位5。根據(jù)圖7可知，A55測點(diǎn)在工況0-30表現(xiàn)最差，其他8-15、15-30也不佳。查看0-30下點(diǎn)位5在各個高度下測風(fēng)誤差。根據(jù)圖8所示，點(diǎn)位5的測風(fēng)誤差與高度明顯相關(guān)，高度越高誤差越小。只有高度達(dá)到A10、A11才能滿足測量誤差在8度之內(nèi)，因此點(diǎn)位7與點(diǎn)位5相似，測風(fēng)誤差較大，不作為選擇點(diǎn)位。

綜合各個工況、各高度下、各個點(diǎn)位的測風(fēng)誤差進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，高度選擇A5比較合適，測點(diǎn)選擇2、3、4測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更好，因此最后確定A52、A53、A54點(diǎn)位為選定測點(diǎn)，坐標(biāo)分別為A52(12.497,1.94,4.279)，A53(12.497,0,4.279)，A54(12.497,-1.94,4.279)。

表1 現(xiàn)場驗(yàn)證測試結(jié)果

測試驗(yàn)證。根據(jù)選定的A52、A53、A54測點(diǎn)，現(xiàn)場安裝三個風(fēng)向儀，并安裝一臺機(jī)艙式激光雷達(dá)測風(fēng)儀進(jìn)行校核。經(jīng)過現(xiàn)場代表工況的測試，結(jié)果表明A52、A53、A54點(diǎn)位相對于實(shí)際來流風(fēng)向（激光雷達(dá)風(fēng)向）誤差均在8°以內(nèi)，該結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中是可以接受的。驗(yàn)證了這三個點(diǎn)位作為安裝測風(fēng)儀器的位置比較合理的推斷。

綜上，本文在計(jì)算流體力學(xué)仿真結(jié)果的分析基礎(chǔ)上，通過對預(yù)先設(shè)置的仿真測點(diǎn)測量誤差進(jìn)行了分析，同時與實(shí)際測量進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。風(fēng)向儀安裝位置越高風(fēng)向誤差越小。但由于現(xiàn)場實(shí)際風(fēng)向儀安裝工藝限制，風(fēng)向儀安裝位置太高時桅桿剛度不夠且不利于維護(hù)，綜合來看風(fēng)向儀安裝在A5高度較合適；確定安裝高度后，綜合分析發(fā)現(xiàn)選擇中間三個點(diǎn)位即2、3、4安裝風(fēng)向儀所得的風(fēng)向數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定；同種研究方法可適用于其它風(fēng)電機(jī)組。