復雜地形風電場三維風精準測量與精確建模技術研究

隨著中國風電產業的大力發展，我國陸上風電場項目的地形越來越復雜，項目場址的湍流流場與IEC61400-1標準中給定的湍流譜模型可能完全不同，這將使得風電機組的載荷及功率預測結果的可靠性大大降低。

本研究表明，在這類場址中，使用三維超聲測風儀測風并配合專門的矢量算法程序，可以模擬出更符合實際的三維湍流風場，使場址安全性校核和發電量預測精度獲得有效提升。

圖1：山地風電場

1、復雜地形風數據的精準測量技術

常規的風杯式測風儀僅能對測風塔處安裝高度的水平面內合成風速進行測量，并進行十分鐘平均風速與湍流強度的統計計算。限于其測量原理，風速受到軸的摩擦力、風杯的轉動慣量、溫度效應以及余弦響應等因素的影響，在低風速區、溫差變化大、山地等復雜環境中精度較低、不確定性很大。

圖2：測風塔示意圖

空間中一點的氣流速度既有大小也有方向，是一個矢量。風杯式測風儀僅可測量速度的大小，無法同時測量氣流的方向。三維超聲波測風儀基于超聲脈沖在順風與逆風方向的傳播速度差異測量空氣流速，采用三對探頭以互相垂直的方式，可以同時測得三個方向上的風速分量，即可以計算氣流的方向同時也可以計算垂直方向的氣流傾角。相對于風杯式測風儀，三維超聲波測風儀具有精度高、不確定性低及同時獲得三維風速的優點，可以更精準的測量復雜地形的風資源條件。

圖3：三維超聲波測風儀（圖片來自于網絡）

2、基于三維測風數據的矢量統計算法

三維超聲波測風儀可以按照地面固定坐標系，采集三維風速分量時序（X、Y、Z為地面固定坐標系坐標軸）。對測得的三維風速，有標量法與矢量法兩種方法統計十分鐘的平均風速、湍流強度及平均風速的年分布概率，以用于風電場的年發電量估算及各機位點機組的功率曲線與載荷的仿真計算。

（1）標量法：先計算每個時間點的合成風速，再計算風速的平均值與標準偏差；

（2）矢量法：先分別計算地面固定坐標系下X、Y與Z三方向的風速分量平均值，然后計算十分鐘平均風速的大小和方向，再以十分鐘平均風速的方向為軸向，重新分解為軸向、橫向及豎向的三個風速分量u、v、w，并計算三個分量的湍流強度。

由式（1）至式（4）可知，如果僅使用超聲波測風儀的軸向和橫向風速時序進行標量法統計計算，且不考慮測量精度差異時，則平均風速與湍流強度與風杯式測風儀的處理結果是相同的。

選取中國寧夏地區某風電場項目的三維超聲波測風數據，應用標量法與矢量法進行十分鐘平均風速與湍流強度統計計算，并對比兩種方法的結果，見圖4與圖5。

圖4 ：標量法與矢量法計算得到的平均風速最大差異

圖4可見，在低于9m/s的風速段，標量法計算得到的平均風速更高，最大差異達到矢量法平均風速的33%。在低風速段標量法結果的十分鐘平均值偏差較大，這會對發電量及載荷的評估影響較大。

圖5：標量法湍流強度與矢量法軸向湍流強度差值的日變化

圖5可見，一天中大部分時間段內，標量法的湍流強度與矢量法的軸向湍流強度差異不大，但中午時段差異顯著變大，且標量法的湍流強度低于矢量法軸向湍流強度。這主要是由于標量法僅考慮風速的變化，未計入風向的波動對湍流強度計算的影響，而中午時段氣溫升高使氣流的對流與渦旋增加，導致風向波動增加，從而使得矢量法計算的湍流強度更高，更加準確。

圖6：矢量法橫向湍流強度與軸向湍流比值的日變化

圖7：矢量法豎向湍流強度與軸向湍流比值的日變化

圖6與圖7顯示了由矢量法計算的橫向湍流強度及豎向湍流強度與軸向湍流強度比值的日變化特征。圖中可見，橫向湍流強度與軸向湍流強度的比值及豎向湍流強度與軸向湍流強度的比值在白天時段更高，也是湍流強度更大的時段，其中豎向湍流強度在中午時段增強更加明顯。這與IEC61400-1標準中對軸向、橫向及豎向湍流強度的固定比值有很大差異。所以在湍流強度大的，尤其是橫向（V）和豎向（W）湍流強度大的地區，只有測量三維風速并按矢量法處理才能統計出實際風速情況，并依此進行載荷分析，才能保證風機安全性評估的有效性。

從圖4至圖7可見，三維超聲波測風儀相對于風杯式測風儀，可以精確的獲得湍流流場的三維特征，如果有多個空間點的三維超聲波測風數據，還可以獲得準確的空間相干模型。對于復雜地形，使用三維超聲波測風數據，并應用矢量法處理才可以獲得精確地湍流風模型，這對于對機組發電量、載荷的精確計算以及掃塔等風險預測至關重要。

3、基于三維矢量湍流場的極端陣風幅值精確算法

陣風是更短周期的風速波動，是小尺度渦旋作用的結果。IEC61400-1標準中即利用不同時間周期內風速變化幅值的相關性，使用十分鐘湍流強度的代表值計算極端陣風幅值。

圖8：陣風周期內的風速波動

圖中陣風周期內的風速波動值Y通常使用正態分布建模，其分布參數σ與軸向十分鐘標準偏差既有相關性，并且其相關性可以根據湍流功率譜計算。使用三維超聲波測風儀可以得到更加精確的軸向湍流強度及湍流功率譜，因此可以計算基于風電場址湍流數據的精確極端陣風幅值。同樣在不同高度布置三維超聲波測風儀，還可獲得更加精確的極端風切變結果。

<span helvetica="" neue",="" "pingfang="" sc",="" "hiragino="" sans="" gb",="" "microsoft="" yahei="" ui",="" yahei",="" arial,="" sans-serif;="" letter-spacing:="" 1px;"="" style="font-weight: bolder; background-color: rgb(255, 255, 255); color: rgb(8, 8, 8);">4、復雜地形三維湍流風場精確建模技術

基于三維超聲波測風儀可以得到三維湍流譜的實測結果，并可以基于實測數據進行精確的三維湍流風場建模。

目前用于風電機組載荷與功率仿真的三維湍流風計算的軟件，比如OpenFAST的Turbsim以及Bladed的Define turbulence模塊都基于Sandia National 實驗室的 Veer P.S.在1988年發表的“Three dimensional wind simulation”的算法。該算法將湍流風的空間相干譜處理為實數矩陣，并疊加至功率譜矩陣中，這使得風輪平面各點的風功率譜密度與標準中要求的湍流譜功率譜密度產生差異，如圖9至圖11。

圖9：U方向功率譜差異

圖10：V方向功率譜差異

圖11：W方向功率譜差異

圖9至圖11可以看出，基于Veer P.S.算法的軟件不能生成與給定湍流功率譜模型一致的湍流風場，因此基于此湍流風模型進行載荷仿真與評估時，當與葉片、塔架等結構特征頻率一致頻率對應的風能量過高時，會導致結構載荷的高估，反之能量低于給定值時，載荷又將被低估。

鑒衡開發的三維風場生成軟件，可以生成與IEC標準中要求的湍流譜或者實測湍流譜完全一致的三維湍流風場。這在基于場址測風數據的定制化設計或者適應性評估中意義重大，在功率曲線的測試及型式認證的載荷對比中也可以對輸入的湍流風場進行有效修正。