復(fù)雜地形風(fēng)電場三維風(fēng)精準(zhǔn)測量與精確建模技術(shù)研究

隨著中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，我國陸上風(fēng)電場項目的地形越來越復(fù)雜，項目場址的湍流流場與IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)中給定的湍流譜模型可能完全不同，這將使得風(fēng)電機組的載荷及功率預(yù)測結(jié)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(fēng)儀測風(fēng)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(fēng)場，使場址安全性校核和發(fā)電量預(yù)測精度獲得有效提升。

圖1：山地風(fēng)電場

1、復(fù)雜地形風(fēng)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量技術(shù)

常規(guī)的風(fēng)杯式測風(fēng)儀僅能對測風(fēng)塔處安裝高度的水平面內(nèi)合成風(fēng)速進(jìn)行測量，并進(jìn)行十分鐘平均風(fēng)速與湍流強度的統(tǒng)計計算。限于其測量原理，風(fēng)速受到軸的摩擦力、風(fēng)杯的轉(zhuǎn)動慣量、溫度效應(yīng)以及余弦響應(yīng)等因素的影響，在低風(fēng)速區(qū)、溫差變化大、山地等復(fù)雜環(huán)境中精度較低、不確定性很大。

圖2：測風(fēng)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(fēng)杯式測風(fēng)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(fēng)儀基于超聲脈沖在順風(fēng)與逆風(fēng)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(fēng)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(fēng)杯式測風(fēng)儀，三維超聲波測風(fēng)儀具有精度高、不確定性低及同時獲得三維風(fēng)速的優(yōu)點，可以更精準(zhǔn)的測量復(fù)雜地形的風(fēng)資源條件。

圖3：三維超聲波測風(fēng)儀（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）

2、基于三維測風(fēng)數(shù)據(jù)的矢量統(tǒng)計算法

三維超聲波測風(fēng)儀可以按照地面固定坐標(biāo)系，采集三維風(fēng)速分量時序（X、Y、Z為地面固定坐標(biāo)系坐標(biāo)軸）。對測得的三維風(fēng)速，有標(biāo)量法與矢量法兩種方法統(tǒng)計十分鐘的平均風(fēng)速、湍流強度及平均風(fēng)速的年分布概率，以用于風(fēng)電場的年發(fā)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(biāo)量法：先計算每個時間點的合成風(fēng)速，再計算風(fēng)速的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差；

（2）矢量法：先分別計算地面固定坐標(biāo)系下X、Y與Z三方向的風(fēng)速分量平均值，然后計算十分鐘平均風(fēng)速的大小和方向，再以十分鐘平均風(fēng)速的方向為軸向，重新分解為軸向、橫向及豎向的三個風(fēng)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(fēng)儀的軸向和橫向風(fēng)速時序進(jìn)行標(biāo)量法統(tǒng)計計算，且不考慮測量精度差異時，則平均風(fēng)速與湍流強度與風(fēng)杯式測風(fēng)儀的處理結(jié)果是相同的。

選取中國寧夏地區(qū)某風(fēng)電場項目的三維超聲波測風(fēng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用標(biāo)量法與矢量法進(jìn)行十分鐘平均風(fēng)速與湍流強度統(tǒng)計計算，并對比兩種方法的結(jié)果，見圖4與圖5。

圖4 ：標(biāo)量法與矢量法計算得到的平均風(fēng)速最大差異

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

圖5：標(biāo)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(nèi)，標(biāo)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(biāo)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(biāo)量法僅考慮風(fēng)速的變化，未計入風(fēng)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(dǎo)致風(fēng)向波動增加，從而使得矢量法計算的湍流強度更高，更加準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(qū)，只有測量三維風(fēng)速并按矢量法處理才能統(tǒng)計出實際風(fēng)速情況，并依此進(jìn)行載荷分析，才能保證風(fēng)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(fēng)儀相對于風(fēng)杯式測風(fēng)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(fēng)數(shù)據(jù)，還可以獲得準(zhǔn)確的空間相干模型。對于復(fù)雜地形，使用三維超聲波測風(fēng)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用矢量法處理才可以獲得精確地湍流風(fēng)模型，這對于對機組發(fā)電量、載荷的精確計算以及掃塔等風(fēng)險預(yù)測至關(guān)重要。

3、基于三維矢量湍流場的極端陣風(fēng)幅值精確算法

陣風(fēng)是更短周期的風(fēng)速波動，是小尺度渦旋作用的結(jié)果。IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)中即利用不同時間周期內(nèi)風(fēng)速變化幅值的相關(guān)性，使用十分鐘湍流強度的代表值計算極端陣風(fēng)幅值。

圖8：陣風(fēng)周期內(nèi)的風(fēng)速波動

圖中陣風(fēng)周期內(nèi)的風(fēng)速波動值Y通常使用正態(tài)分布建模，其分布參數(shù)σ與軸向十分鐘標(biāo)準(zhǔn)偏差既有相關(guān)性，并且其相關(guān)性可以根據(jù)湍流功率譜計算。使用三維超聲波測風(fēng)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(fēng)電場址湍流數(shù)據(jù)的精確極端陣風(fēng)幅值。同樣在不同高度布置三維超聲波測風(fēng)儀，還可獲得更加精確的極端風(fēng)切變結(jié)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(fù)雜地形三維湍流風(fēng)場精確建模技術(shù)

基于三維超聲波測風(fēng)儀可以得到三維湍流譜的實測結(jié)果，并可以基于實測數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的三維湍流風(fēng)場建模。

目前用于風(fēng)電機組載荷與功率仿真的三維湍流風(fēng)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(fā)表的“Three dimensional wind simulation”的算法。該算法將湍流風(fēng)的空間相干譜處理為實數(shù)矩陣，并疊加至功率譜矩陣中，這使得風(fēng)輪平面各點的風(fēng)功率譜密度與標(biāo)準(zhǔn)中要求的湍流譜功率譜密度產(chǎn)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(fēng)場，因此基于此湍流風(fēng)模型進(jìn)行載荷仿真與評估時，當(dāng)與葉片、塔架等結(jié)構(gòu)特征頻率一致頻率對應(yīng)的風(fēng)能量過高時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(fā)的三維風(fēng)場生成軟件，可以生成與IEC標(biāo)準(zhǔn)中要求的湍流譜或者實測湍流譜完全一致的三維湍流風(fēng)場。這在基于場址測風(fēng)數(shù)據(jù)的定制化設(shè)計或者適應(yīng)性評估中意義重大，在功率曲線的測試及型式認(rèn)證的載荷對比中也可以對輸入的湍流風(fēng)場進(jìn)行有效修正。