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(jī)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)，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(qiáng)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(jī)位點(diǎn)機(jī)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度與矢量法軸向湍流強(qiáng)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(qiáng)度與矢量法的軸向湍流強(qiáng)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(qiáng)度低于矢量法軸向湍流強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度更高，更加準(zhǔn)確。

圖6：矢量法橫向湍流強(qiáng)度與軸向湍流比值的日變化

圖7：矢量法豎向湍流強(qiáng)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(qiáng)度及豎向湍流強(qiáng)度與軸向湍流強(qiáng)度比值的日變化特征。圖中可見，橫向湍流強(qiáng)度與軸向湍流強(qiáng)度的比值及豎向湍流強(qiáng)度與軸向湍流強(qiáng)度的比值在白天時段更高，也是湍流強(qiáng)度更大的時段，其中豎向湍流強(qiáng)度在中午時段增強(qiáng)更加明顯。這與IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)中對軸向、橫向及豎向湍流強(qiáng)度的固定比值有很大差異。所以在湍流強(qiáng)度大的，尤其是橫向（V）和豎向（W）湍流強(qiáng)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(diǎn)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。