風電場風機尾流及其迭加模型的研究（1）

Research on Wind Turbine Wake Model and Overlapping in Wind Farm ABSTRACT: The optimal layouts of wind turbine-generator (WTG) in wind farm are influenced by WTG wake when the site of wind farm is selected. At present, the research achievements in China and abroad on WTG wake and overlay model in actual wind farm mainly focus on one-dimension linear model. Aiming to improve the situation, more complete reasonable WTG wake model was constructed and its boundary in wake was nonlinear with the distance. In addition, according to actual circumstance in WTG wake, different fuller WTG overlay models were built to adapt to the situation of existing wind farm. The comparison results of engineering examples with 3-dimension numerical simulation show that the wake and overlay model in WTG proposed in this paper are more reasonable and it can effectively improve the generation benefit of wind farm.
    KEY WORDS: wind farm; optimal layout of wind turbine;wake model; overlay model
    摘要： 在風電場場址選定的情況下， 風電機組之間的尾流影響風電場風機的優(yōu)化布置。 目前， 國內(nèi)外關(guān)于符合風電場風機實際尾流以及迭加模型的研究主要側(cè)重于一維線性模型及其迭加模型的實際應(yīng)用。 為此， 推導建立了更加完整合理的一維非線性擴張尾流模型， 即尾流影響邊界隨距離非線性增大；此外，根據(jù)風機尾流迭加的實際情況，分別推導建立了完整的風機尾流迭加計算模型來適應(yīng)現(xiàn)有風電場的不同情形。 通過相關(guān)工程算例結(jié)果與三維數(shù)值模擬計算結(jié)果的對比分析表明， 所建立的風機尾流模型和尾流迭加模型更加合理，可有效提高風電場的發(fā)電效益。
    關(guān)鍵詞：風電場；風機優(yōu)化布置；尾流模型；尾流迭加模型
引言
    風電場風機優(yōu)化布置是風電場規(guī)劃中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中確定各風機在風電場中相對布置位置的主要因素之一是風機間的尾流效應(yīng)，而且多臺風機間的尾流迭加又會影響其他受影響風機的工作風速，因此，風機尾流模型及其對應(yīng)的迭加模型是整個風電場發(fā)電量預測的基礎(chǔ) [1-3] 。 這些模型的合理性以及受其他風機尾流影響的風機工作風速的合理確定，將直接影響風電場的風機布置和發(fā)電效益。
    最初， 針對尾流情況 [4-5] ， 多數(shù)學者都是根據(jù)經(jīng)驗給出一些粗略的指標予以指導風電場風機的發(fā)電量判斷以及風機優(yōu)化布置等工作。Lissaman 在瑞典 Kalkugen 實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 基于湍流噴射的相似理論， 提出了單臺風機尾流的計算模型 [6-7] 。 Faxen和 Milborrow 針對更大尺寸的風機葉輪進行了實驗研究 [8-9] ， 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析， 風速線性變化的規(guī)律性得到了再次驗證，但風速的衰減速度卻有所不同。1980 年，Vermeulen 在對實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對 Lissaman 數(shù)學模型提出了改進，形成了MILLY 模型 [10] 。 繼 Lissaman 模型和 MILLY 模型之后，1986 年，丹麥 Riso 國家實驗室提出了 Park 模型 [11] ，并將其應(yīng)用到風能資源評估軟件 WasP、windfarm 以及 windpro 等中，其尾流影響邊界隨距離線性增大，即在進行風電場風機優(yōu)化布置的模擬計算時，均忽略了風輪的湍流影響，而采用簡化風機尾流線性擴張模型，這與實際情況有較大的差異，并導致風機的迭加模型受到影響，從而使風電場風機排布不能達到最優(yōu)狀態(tài)。此外，一維非線性尾流模型實際上是三維尾流模型的一種簡化計算模型，從模擬精度上來看，其所能達到的模擬精度較三維模型略低，但一維非線性尾流模型與三維尾流模型的應(yīng)用場合及其預期目的有所不同。