崔冬林?，沙偉，劉樹潔，陳秋陽，王尼娜

（1.新疆金風科技股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830001；2.浙江省深遠海風電技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州, 311122；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州, 311122）

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)的風電開發(fā)，中國海上風電規(guī)模已經(jīng)躍居第二，而“平價”市場條件下，海上風電開發(fā)面臨嚴峻挑戰(zhàn)，發(fā)電量是影響風電場經(jīng)濟收益的重要指標之一。海上風電較陸上開發(fā)規(guī)模更大、更集中，同時不受地形干擾，風能資源分布較均勻，風電機組的布置在空間上一般呈現(xiàn)較為規(guī)則的幾何形態(tài)[1-2]，多臺、多排風機尾流相互疊加影響、風速恢復緩慢，造成尾流損失加重。目前針對海上風電場尾流模型的研究，國內(nèi)外學者已做了大量的研究工作，1982年RisΦ實驗室提出的Jensen模型是基于貝茨極限理論和質(zhì)量守恒定律提出的，適用于平坦地形的尾流模型[3]；相關(guān)研究[4]表明風機完全處于尾流區(qū)運行時，功率損失可達30%～40%；劉沙等[5]利用華南某海上風電場實際運行SCADA數(shù)據(jù)，對Jensen/Park模型及其參數(shù)設置進行驗證，表明Park尾流模型能夠較好地模擬近海風場尾流損失，模型參數(shù)選擇需根據(jù)實際項目進行敏感性測算；溫建民等[6]使用激光雷達對陸上某風場單臺風機進行尾流觀測，分析不同來流風速下尾流區(qū)風速恢復速率，為風電場排布優(yōu)化和發(fā)電量提升奠定基礎。

如何控制和降低大型海上風電場的尾流電量損失是海上風場評估的關(guān)鍵問題之一，而相鄰風電場區(qū)間的相互影響作用也是不可忽視的，李巖等[7]為提升大型海上風電場經(jīng)濟效益，提出一種規(guī)則型排布優(yōu)化策略，以提升大型海上風電場的經(jīng)濟效益；鄭建才等[8]研究不同尾流疊加模型對尾流場模擬精度，為大型風電場尾流疊加形式的選取提供建議；而目前大多海上風場的尾流損失評估主要是基于模型仿真結(jié)果，周邊相鄰風電場之間實際的相互影響與場群間“尾流效應”研究相對比較少，本文基于實際運行風電場SCADA數(shù)據(jù)分析相鄰風電場之間的相互影響造成的真實尾流損失情況，探討海上相鄰風電場間的尾流效應與緩沖帶的作用，為后續(xù)海上大型風電場項目規(guī)劃和風場優(yōu)化排布提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 參考風電場選取

本文選取江蘇某海上風電基地已運行風電場H7開展分析工作，該風電場離海岸線最近距離35 km左右，分南、北兩個場區(qū)，周邊已建成風電場有H11（西北方向相距 H7 北區(qū) 4.15 km，約 32D）和 H12（正西方向相距H7北區(qū)2.62 km,約20D），具體見圖1。

圖1 各風電場區(qū)相對位置分布示意圖Fig.1 Relative location map of wind farms

參考 IEC 61400-12-1 標準[9]對于自由流扇區(qū)影響扇區(qū)與距離的定義，及海上風電機組尾流影響范圍等計算方法，場區(qū)間距20D及以上距離可視為獨立風場，本文主要基于H7風電場北區(qū)和南區(qū)開展相鄰風電場之間的尾流影響效應分析工作。

1.2 數(shù)據(jù)分類

主要數(shù)據(jù)應包括3類：風電場基本信息、同期測風數(shù)據(jù)和風電機組SCADA運行數(shù)據(jù)。具體如下：

1）風電場基本信息

參考風電場H7共 80臺 WTGS130-2.5 MW機組，輪轂高度85 m，具體排布方案如下：北區(qū)機組B1～B42，共 4 排 lin1～lin4,由北向南第一排 B1～B12、第四排B31～B42，相鄰機組東西向間距為570 m（約 4.1D），第二、三排 B13～B21、B22～B30，東西向間距 680 m(5.2D),南北方向機組之間距離均為 1 300 m（約 10D）；南區(qū)機組 B43～B80，共三排 lin5～lin7，東西向間距4.1D、南北向間距10D（見圖2）。

2）同期測風數(shù)據(jù)

在風電場升壓站上部署了一臺地面式激光雷達設備，處于風電場北區(qū)的西南方向，離海平面高度31 m，距離 B31 風機約 570 m，相對位置見圖2。雷達設備型號windcube，觀測讀取10 min平均風速、風向等參數(shù)，觀測時段2020-10-15～2021-01-15，觀測高度共 12 層，離海平面高度如下：(70 m/75 m/85 m/100 m/110 m/120 m/140 m/ 160 m/190 m/210 m/260 m）。

圖2 風電場風電機組排布及雷達相對位置示意圖Fig.2 Relative location map of WTGS and radars in wind farm

3）機組SCADA運行數(shù)據(jù)

采集參考風電場同期觀測時段2020-10-15～2021-01-15，各風電機組實時監(jiān)控系統(tǒng)記錄的10 min平均數(shù)據(jù)包括風速、網(wǎng)側(cè)有功功率、發(fā)電量及其他狀態(tài)信息數(shù)據(jù)等，剔除機組故障、異常、停機、限電等異常狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.3 分析方法

1）參考風向選取

由于機艙測風風向為相對風向，不能直接代表真實風向，選取激光雷達實測風向作為參考基準?？紤]激光雷達部分扇區(qū)方位離風電機組較近，可能會受不同程度的影響，統(tǒng)計對比激光雷達實測(2020-10-15～2021-01-15)時段不同高度處風向與主風能風向頻率 (85 m/120 m/160 m/210 m/260 m)，發(fā)現(xiàn)分布頻率基本一致差異不大(見圖3)，故選取同期激光雷達實測輪轂高度85 m處風向作為基準參考風向。

圖3 風向(a)和風能(b)玫瑰圖Fig.3 Rose diagram of wind direction (a) and wind energy (b)

2）發(fā)電量歸一化處理

基于風電場后評估經(jīng)驗，機艙風速受各因素的影響不能夠代表真實風況[10-12]，部分國內(nèi)外的尾流相關(guān)研究[13-15]基于機組的實際出力來開展風電場尾流影響相關(guān)分析工作。本文選取B12機組作為參考基準點，將B12機組正常運行狀態(tài)下的實際產(chǎn)能定義為P0，其他機組同期正常運行狀態(tài)下的輸出產(chǎn)能為Pi，Pi/P0為同期發(fā)電產(chǎn)能百分比，發(fā)電量歸一化可用于對比各機組同等條件下的實際產(chǎn)能差異，上述機組產(chǎn)能是指機組正常運行狀態(tài)下的產(chǎn)能，剔除機組故障、停機、限電等異常狀態(tài)運行數(shù)據(jù)，為了更好地對比機組產(chǎn)能的差異性，選取樣本也不包括機組滿發(fā)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，即產(chǎn)能差異主要源于自身風資源差異和尾流損失兩個因素排除其他因素。

3）相鄰風電場尾流效應場景分類

基于相鄰風電場分布及風電機組實際排布，不同風向條件下，下風向相鄰風場受影響范圍可代表不同“尾流效應”影響狀態(tài)，為保證樣本量，扇區(qū)篩選按照實際風機相對位置下的影響范圍上限原則，共分為3類場景，詳見表1。

表1 相鄰風電場尾流效應場景分類Tab.1 Classification of wake effect scenes of adjacent wind farms

2 分析與結(jié)果

2.1 風資源自身差異性分析

1）東西向風資源差異分析

綜合考慮周邊風電場分布情況，處于自由流風況下正常運行狀態(tài)下的機組，進行發(fā)電量歸一化對比，可反映該扇區(qū)條件下風資源的分布特點?？梢娫?30°～75°扇區(qū)范圍內(nèi)，H7 北區(qū) lin1(B1～B12)機組，及 345°～15°扇區(qū)范圍內(nèi)，lin1(B9～B12)機組上風向均無遮擋，處于自由流風況（見圖4）。

提取不同扇區(qū)區(qū)間范圍進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下（見圖5）：（1）30°～75°扇區(qū)范圍內(nèi)，由西向東方向，lin1(B1～B12)機組發(fā)電能力相當，說明該扇區(qū)范圍內(nèi)東、西向風資源差異不大；（2）345°～15°扇區(qū)范圍內(nèi)，處于自由流的B9～B12機組發(fā)電能力相當，B1~B8則受上風向風電場不同程度的影響，發(fā)電量由西向東逐漸增大。

圖5 典型機組不同扇區(qū)條件下發(fā)電量歸一化結(jié)果分布圖Fig.5 Distribution diagram of power generation normalization of typical WTGS under different wind directions

2）南北向風資源差異分析

選取E(90°±15°)、ENE(60°±15°)扇區(qū)范圍內(nèi)，處于自由流風況下的代表機組，北區(qū)B12、B21、B30、B42和南區(qū) B55、B67、B80，B12與 B80相距約 9 km(見圖4)，進行發(fā)電量歸一化統(tǒng)計，其中B12機組作為參考基準點。

圖4 自由流扇區(qū)示意圖Fig.4 Schematic diagram of free-flow sector

結(jié)果如下（見圖6）：南北方向上最大距離約9 km，各機組發(fā)電能力相當，說明ENE~E扇區(qū)范圍內(nèi)南、北方向風資源相近，無明顯差異。

圖6 典型機組不同扇區(qū)條件下發(fā)電量歸一化結(jié)果分布圖Fig.6 Distribution diagram of power generation normalization of typical WTGS under different sector conditions

2.2 尾流效應分析

基于不同的風向扇區(qū)條件和風電場機組實際排布分為3類尾流效應場景，開展實際運行相鄰風電場的真實“尾流效應”分析工作；本文尾流電量損失比均是基于機組正常運行狀態(tài)下（不包括滿發(fā)狀態(tài)），單一扇區(qū)條件下進行的尾流電量損失比，不能代表綜合風況條件下全場平均尾流電量損失比。

場景 1：60°～75°扇區(qū)條件下，風場北區(qū) lin1(B1～B12)&lin4(B39～B42)和南區(qū) lin5(B50～B55)上風向無遮擋，處于自由流風況，lin4(B31～B38)和lin5(B43～B48)處于下風向尾流區(qū)內(nèi)(見圖7)，統(tǒng)計各機組同期正常運行狀態(tài)下（不包括滿發(fā)狀態(tài)）的實際出力進行對比分析。

圖7 不同扇區(qū)條件下（60°～75°）的尾流效應影響場景Fig.7 Scenes affected by wake effect under different sector conditions (60°~75°)

結(jié)果如下(見圖8)：

圖8 各機組60°～75°扇區(qū)下發(fā)電量歸一化統(tǒng)計分布圖Fig.8 Distribution diagram of power generation normalization of WTGS under different sector conditions (60°~75°)

1） 上風向無遮擋處于自由流風況的lin1(B1～B12)、lin4(B38～B42)和 lin5(B50～B55)各機組發(fā)電較接近差異較小，說明該扇區(qū)條件下，東、西向風資源差異不大。

2） lin5(B43～B48)處于北區(qū)風場的下風向，較自由流機組lin5(B50～B55)發(fā)電降低4%～12%之間，由西向東發(fā)電量逐漸增大，說明受上風向相鄰風場不同程度的 “尾流效應”影響造成電量損失差異。

3） 延尾流中心線67.5°方向各機組疊加尾流影響：對比 lin4(B38～B42)&lin5(B44～B48)，南區(qū) lin5離相鄰場區(qū)lin4間隔5.64 km(43.4D)左右的緩沖帶，lin5(B44～B48)較lin4(B38～B42)發(fā)電量降低5.7%～8.2%之間，說明該緩沖帶距離下仍受上風向相鄰場區(qū)影響導致風速衰減發(fā)電降低。

2017年，林芝市糧食播種面積1.691萬hm2，其中青稞播種面積為0.500萬hm2。2017年，林芝市種植的青稞品種有藏青320、藏青2000、喜拉22號、冬青18、果洛和山青9號等。2017年，從山南、日喀則、拉薩等地引進新品種種子共142 t，品種有藏青2000、喜拉22號、冬青18號、山青9號。

場景 2：30°～45°扇區(qū)范圍內(nèi)，風場北區(qū) lin1(B1～B12)上風向無遮擋處于自由流風況，lin4(B31～B42)和南區(qū)lin5(B43～B55)處于下風向(見圖9)，統(tǒng)計各機組同期正常運行狀態(tài)下（不包括滿發(fā)狀態(tài)）的實際出力進行對比分析。

圖9 不同扇區(qū)條件下（30°~45°）的尾流效應影響場景Fig.9 Scenes affected by wake effect under different sector conditions (30°~45°)

結(jié)果如下（見圖10）：

圖10 各機組30°～45°扇區(qū)下發(fā)電量歸一化統(tǒng)計分布圖Fig.10 Distribution diagram of power generation normalization of WTGS under different sector conditions (30°~45°)

1）上風向無遮擋處于自由流的lin1 (B1~B12)機組發(fā)電能力差異不大，說明該扇區(qū)范圍內(nèi)，東、西向風資源相近。

2）lin5(B43~B55)處于風場北區(qū)的下風向，由西向東受上風向場區(qū)尾流影響程度不同，較自由流lin1發(fā)電降低8%~20%之間，說明該扇區(qū)范圍內(nèi)，受上風向相鄰場區(qū)影響明顯，“尾流效應”導致的電量降幅較大。

3）延尾流中心線37.5°方向各機組疊加尾流影響： 對比 lin1(B7～B12)&lin4(B31～B36)&lin5 (B45～B50)，南區(qū)lin5機組離相鄰場區(qū)的lin4間隔了4.3 km(33.3D)左右的緩沖帶，lin4、lin5較自由流機組發(fā)電分別降低20%~24%、15%~20%，lin5機組較lin4平均發(fā)電提升了3%，說明該緩沖區(qū)距離，對風速有一定的恢復作用，下風向風場機組發(fā)電有一定提升。

場景 3：345°～360°扇區(qū)條件下，H7北區(qū)西部部分機組受上風向H11風場影響，南區(qū)東部部分機組處于最下風向（見圖11），統(tǒng)計各機組同期正常運行狀態(tài)下（不包括滿發(fā)狀態(tài)）的實際出力進行對比分析。結(jié)果如下（見圖12）：

圖11 不同扇區(qū)條件下（345°～360°）的尾流效應影響場景Fig.11 Scenes affected by wake effect under different sector conditions (345°~360°)

圖12 各機組（345°～360°）扇區(qū)下發(fā)電量歸一化統(tǒng)計分布圖Fig.12 Distribution diagram of power generation normalization of WTGS under different sector conditions (345°~360°)

1） 上風向無風場遮擋的lin1(B9~B12)機組，由西向東發(fā)電差異不大，說明該扇區(qū)由西向東風資源相近；北區(qū)lin1離上風向H11風電場最近風機排組間隔 4.3 km(33D)左右的緩沖帶，lin1(B1～B8)機組受上風向相鄰風場H11影響，發(fā)電較自由流機組降低8%～18%之間，說明該緩沖帶距離下機組仍受上風向相鄰場區(qū)的影響，風速衰減導致發(fā)電降低。

2）南區(qū) lin5(B43～B47)處于 H11、H12場區(qū)下風向，中間間隔了3.05 km(23.4D)左右的緩沖帶，機組受上風向影響程度不同，發(fā)電能力呈逐漸增大趨勢，較自由流機組發(fā)電降低幅度在20%~27%之間,說明該緩沖帶距離下機組受上風向相鄰場區(qū)的影響風速衰減導致發(fā)電降低。

3） 延尾流中心線352.5°方向各機組疊加尾流影響：對比 lin1(B2～B6)&lin4(B32～B36)&lin5(B51 ~B55)，南區(qū)lin5離相鄰場區(qū)北區(qū) lin4間隔 4.05 km(31D)左右的緩沖帶，疊加尾流影響后的lin5(B51～B55)較自由流機組發(fā)電降低20%～24%之間，較lin4(B32～B36)發(fā)電相差不大，說明該扇區(qū)條件下多重疊加尾流影響后，緩沖帶有一定的風速恢復作用，下風向風場風速沒有進一步衰減。

3 結(jié)論

本文利用海上大型風電場風電機組實際運行SCADA數(shù)據(jù)結(jié)合激光雷達同期實測風數(shù)據(jù)，基于不同的風向扇區(qū)條件和風電場機組實際排布進行尾流效應場景分類，進而開展實際運行相鄰風電場間的真實“尾流效應”分析工作。結(jié)論如下：

1）對于規(guī)則排布的海上大型風電場，基于實際運行SCADA數(shù)據(jù)選取參照基準機組，對各機組發(fā)電量進行歸一化，可以較好地反映海上風能資源分布特征及各機組發(fā)電能力的差異。

2）單一、高度集中的扇區(qū)條件下，相鄰風電場處于下風向的場區(qū)受 “尾流效應”的影響，發(fā)電產(chǎn)能降幅較自由流降幅較大，對于風向高度集中的中低風速區(qū)域，需著重考慮周邊相鄰風電場帶來的尾流損失影響。

3）相鄰風場間隨著緩沖帶距離的增加，下風向場區(qū)機組尾流電量衰減比隨之降低，緩沖帶需達到一定的距離，對于風速的恢復有明顯的作用，發(fā)電產(chǎn)能才能夠有所提升，本案例單一扇區(qū)條件下，23D～44D緩沖帶距離下，尾流損失比在27%～4%之間；緩沖帶距離是場群“尾流效應”影響因素之一，距離越大越有利于降低尾流損失，但與周邊相鄰風電場項目容量、機組數(shù)量、機型、排布方案、風向頻率分布等多因素相關(guān)，需綜合考慮。

當然不同區(qū)域的風電場如氣候條件、風速、風向、風頻分布等存在差異，上述研究結(jié)論僅代表該風電場項目案例特征，后續(xù)可以收集更多不同區(qū)域海上風電場項目進行進一步分析與總結(jié)。