基于3D扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究_刘树洁.pdf
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1、Abstract:In order to obtain optimal layout of offshore wind farms to reduce wake loss,the wake observation experiment was carried out in an offshore wind farm in Jiangsu,and the 3D-Lidar was used to measure the wake-flow data.The wake characteristics such as wake length,wake width and wake depth und
2、er three wake conditions of independent wake,half wake and full wake were studied.The results show that,the wake length is about 11D12D(D is the rotor diameter)and the influence of wake is weakened under the independent wake condition;in the near wake region,the wind speed attenuation under the full
3、 wake condition is significantly higher than that under independent and half wake conditions;but in the far wake region,the changing trend of the three wake conditions is the same,and the wake width is about 3D,showing“double Gaussian”or“concave”distribution,and the difference is related to the dist
4、ance between adjacent wind turbines;under the three kinds of wake conditions,the wake depth in the near wake region where the wake velocity loss is obvious is larger than that in the far wake region.Keywords:offshore wind farm;scanning lidar;wake characteristics;wake conditions摘 要:为有效优化实际业务中海上风电场的机组
5、排布方案设计,降低尾流电量损失,在江苏某海上实际运行风电场采用3D扫描雷达进行实地尾流观测实验,分析独立尾流、半尾流和全尾流三种工况下机组的尾流长度、尾流宽度及尾流深度等尾流特性。研究表明,独立尾流工况下机组尾流下游方向11D12D(D为叶轮直径)距离处风速变化趋平,尾流影响减弱,机组尾流影响长度在11D左右;近尾流区内,全尾流工况机组的风速衰减较独立尾流和半尾流工况机组明显增大,远尾流区三种工况变化趋势一致,尾流宽度均在3D左右,呈“双高斯”或“凹型”分布特征。二者的差异性主要与相邻机组间距的不同相关。三种尾流工况下,近尾流区的尾流深度明显较远尾流区大,尾流速度亏损明显。关键词:海上风电场;
6、扫描雷达;尾流特性;尾流工况0 引言随着全球范围内风电开发利用技术的不断进步,中国海上风电规模越来越大。而在“平价”市场条件下,海上风电开发面临着严峻挑战,发电量是影响风电场经济收益的重要指标之一。海上风能资源分布较均匀,风电机组的排布在空间上一般呈现较为规则的几何形态1-2,多台、多排风机尾流相互叠加影响、风速恢复缓慢,导致尾流损失加重。目前对风电机组或风电场尾流的研究大致分为三类:尾流模型、数值模拟和基于实测实验的研究。其中,尾流模型和数值模拟研究比较成熟,普遍应用于风场的发电量评估工作中。在海上风电场尾流研究方面,1982年Rise实验室提出了Jensen(也称为Park)模型3,它是基
7、于贝茨极限理论和质量守恒定律的一维线性尾流模型,能较好地模拟平坦地形的尾流情况,是目前风能资源评估软件WAsP中使用的尾流模型;杨祥生等4基于Park模型尾流区线性膨胀假设和径向风速呈高斯分布假设,提出了一种新型工程尾流Park-Gauss模型,并对不同尾基金项目:国家自然科学基金项目(U19B2044,U1865102,61836011)。National Natural Science Foundation of China(U19B2044,U1865102,61836011).基于 3D 扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究刘树洁1,2,崔冬林3*,沙伟3,王尼娜1,2,陈秋阳3(
8、1.浙江省深远海风电技术研究重点实验室,浙江省 杭州市 311122;2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江省 杭州市 311122;3.新疆金风科技股份有限公司,新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐市 830001)Research on Wake Characteristics of Offshore Wind Farms Based on 3D Scanning Lidar DataLIU Shujie1,2,CUI Donglin3*,SHA Wei3,WANG Nina1,2,CHEN Qiuyang3(1.Key Laboratory of Far-shore Wind Power
9、 Technology of Zhejiang Province,Hangzhou 311122,Zhejiang Province,China;2.POWERCHINA Huadong Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou 311122,Zhejiang Province,China;3.Xinjiang Goldwind Science&Technology Co.,Ltd.,Urumqi 830001,Xinjiang Uygur Autonomous Region,China)全球能源互联网Journal of Global Energy Interconnect
10、ion第 6 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.6 No.1Jan.2023文章编号:2096-5125(2023)01-0080-08 中图分类号:TK89 文献标志码:ADOI:10.19705/ki.issn2096-5125.2023.01.009Vol.6 No.1 刘树洁,等:基于 3D 扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究 81流模型进行了对比研究。行业内基于激光雷达设备的实测尾流研究大多集中在陆上风电场。例如,温建民等5采用2台地面式雷达测试不同来流风速机组下的风向尾流区,绘制机组尾流区不同距离处的风剖面,分析了不同来流风速下机组尾流区的风速恢复速率等;季明彬等6基
11、于激光雷达测风数据分析了复杂地形下,风机在不同尾流工况下的尾流宽度、尾流深度及速度衰减等尾流特性;高晓霞等7基于激光雷达扫描数据研究了湍流强度影响下的风机尾流特性。对于海上风电场,Krishnamurthy等8通过扫描型激光雷达对海上风电机组尾流进行探测,根据尾流中心风速和自由流场风速数据计算了风速损失率;刘清媛等9利用激光雷达在某海上风电场开展全天候风场观测实验,提出了单-双高斯模型拟合改进算法,分析了目标机组的尾流特性;刘沙等10以华南某海上风电场为例,利用激光雷达实测风数据对SCADA数据进行传递函数修正,开展基于Park模型的尾流模拟与验证研究。上述研究表明,Park模型能较好地模拟近
12、海风电场尾流损失并进行电量评估,模型参数选择需根据项目实际情况进行敏感性测算。由于外部环境限制等因素,国内海上大型风电场尾流相关的观测实验研究还相对较少。本文将基于激光扫描雷达实测数据开展海上大型风电场的尾流特性研究,用于指导海上风电场的风电机组优化排布及降低尾流电量损失等工作。1 实验说明1.1 实验风电场概况选取江苏大丰某海上风电场作为实验观测场地,基于扫描雷达展开风电场全场的尾流观测及分析工作。该风电场距离海岸线3545 km,共部署了42台WTGS130-2.5 MW机组,轮毂高度为85 m;如图1所示,机组南北、东西向呈规则排布,lin1和lin4机组排布间距为4.1D10D(D为叶
13、轮直径),lin2和lin3机组排布间距为5.2D13D。1.2 雷达观测方案1)设备部署。采用2台激光雷达设备,其中地面式激光雷达(WINDCUBE)用于观测垂直高度上的风速、风向,3D扫描雷达(wind3D 10K)用于观测整个风电场水平面的风速、风向参数,其主要技术指标如表1所示。综合考虑设备测量距离、精度、风向、安装平台和经济性等因素,2台设备均部署在风电场升压站上,升压站处于风电场北区的西南方向,距离B31风机约580 m(4.6D),具体相对位置见图1。表 1 3D激光雷达设备主要技术指标Table 1 Technical specifications of 3D-lidar技术指
14、标数值径向探测范围/m6012 000径向距离分辨率/m15、30、60、150激光波长/nm1550(人眼不可见且人眼安全)脉冲宽度/ns200800脉冲能量/J250数据刷新率/Hz110(可软件设置)径向测速范围/(ms-1)-37.5+37.5 风速精度/(ms-1)0.1风向精度/()3伺服扫描范围/()水平方向:0360,垂直方向:-90+270伺服精度/()0.12)观测方案。观测时段为2021年10月12日至2021年10月28日。观测数据包括地面雷达垂直高度观测采样记录的12层高度(离海平面高度如下:70 m、75 m、85 m、100 m、110 m、120 m、140 m
15、、160 m、190 m、210 m、230 m、260 m)的10 min平均风速、风向等参数。扫描雷达采用三层PPI扫描模式,扫描方位角范围为350 90,可覆盖风电场大部分机组位置;三层俯仰角分别为0.5、1.5 和2.5,径向分辨率为30 m;采用1/s的扫描速度,300 s左右可完成一次三层扫面(见图2)。该扫描模式下可获取全场轮毂高度85 m处的风速、风向时间序列网格点数据。B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10 B11 B12B13B14B15B16B17B18B19B20B21B22B23B24B25B26B27B28B29B30B31 B32 B33 B34 B35 B3
16、6 B37 B38 B39 B40 B41 B42Lidarlin1lin2lin3lin4N图 1 风电场风电机组排布及雷达相对位置示意图Fig.1 The location map of wind turbine generator systems(WTGS)and lidar82 全球能源互联网 第 6 卷 第 1 期1.3 其他数据机组SCADA运行数据:采集参考风电场同期观测时段各风电机组实时监控系统记录的10 min平均数据,包括风速、网侧有功功率、发电量及其他状态信息数据等,剔除机组故障、异常、停机、限电等异常状态数据。2 数据分析与结果2.1 分析方法1)代表性说明。根据地面式
17、激光雷达同期10 min平均风速、风向及气象参数等观测数据,实验观测时段内平均空气密度约为1.221 kg/m3,接近于年平均空气密度1.225 kg/m3;轮毂高度85 m处的实测风速频率分布见图3,风速分布区间为012 m/s;风电机组轮毂高度处风向频率分布见图4,风向主要集中在东北扇区。影响风电场尾流的因素很多,除了机组排布间距、周边相邻风电场影响等因素外,其他如气象因素(大气稳定度差异性、气象环境的季节性变化等)、风机自身设计、风场机组偏航控制差异等也会带来影响,本文基于观测时段内机组尾流特性展开的分析仅代表该区域风电场范围内的情况。2)尾流有效数据提取。来流风向与雷达扫描方位夹角的大
18、小会影响数据的有效性和准确度,大气气溶胶和天气状态会影响雷达观测的有效距离。根据扫描雷达实测数据发现,来流风向在主风向扇区(NNE)范围内的有效数据完整率较高,故提取该扇区条件下目标机组尾流下游区图 2 3D扫描雷达PPI扫描模式与风场反演示例Fig.2 Example of 3D-lidar PPI scanning mode and wind retrieval图 3 风速频率分布图Fig.3 Wind speed frequency经向距离/kmPPI扫描模式径向速度/(ms-1)纬向距离/km642024610505106420246风速频率/%平均风速/(ms-1)654321039
19、126图 4 风向玫瑰图Fig.4 Wind direction rose map051015202530NNNEENEEESESSESSSWWSWWWNWNNW260 m210 m160 m120 m85 m频率/%Vol.6 No.1 刘树洁,等:基于 3D 扫描雷达实测数据的海上风电场尾流特性研究 83(包括沿尾流中心线方向轴向及叶轮径向不同距离点处)的风速数据进行尾流特性分析。在NNE扇区条件下,扫描雷达实测的风电场某时刻的风速、风向分布图谱见图5。B1B2B3B4B5B6B14B16B17B15B25B26B18图 5 扫描雷达实测风速分布图谱Fig.5 Map of wind sp
20、eed and direction distribution measured by 3D-lidar3)尾流工况分类。在NNE扇区条件下,目标机组上、下风向受相邻风机影响的范围和程度不同。本文分为独立尾流、半尾流、全尾流三种尾流工况展开分析。定义如下:独立尾流工况代表目标机组上风向无其他机组或障碍物阻挡;半尾流工况代表目标机组处于上风向机组尾流外围区,即上游机组部分尾流覆盖下游机组;全尾流工况代表目标机组处于上风向机组尾流中心区,即上游机组尾流全覆盖下游机组。根据风电场的实际排布情况和地面雷达实测风向(见图6),选取可代表不同尾流工况下的目标机组,如表2所示。表 2 代表不同尾流工况下的目标
21、机组Table 2 Target units under different wake conditions风向扇区NNE(30 15)说明独立尾流B3、B4、B5上风向无机组或障碍物半尾流B14、B22处于上风向机组B4尾流外围区,相距约11D全尾流B15、B23处于上风向机组B5尾流中心区,相距约10.5D4)归一化处理。将来流风速作为参考基准风速V0,将各目标机组叶轮后沿尾流中心线方向不同距离处的风速定义为Vi,Vi/V0为叶轮后风速相对于来流风速的比值。5)机舱湍流强度代表值。相关研究表明,根据机舱风速数据计算的湍流强度值不能代表实况湍流的绝对值大小,但对于机组间相对值的对比分析具有很
22、重要的意义11-12。根据IEC 61400-1-2005标准13,机舱湍流强度代表值TIN.WS=TIav+1.28N.WS,其中TIav为机舱平均湍流强度,N.WS为机舱湍流标准偏差,且TIav=N.WS/VN.WS,其中VN.WS为机舱风速。2.2 机组尾流特性分析2.2.1 机组尾流下游影响长度由于海上风电场地表粗糙度小、湍流强度弱,风机的尾流影响距离较陆地更长,风电机组排布间距是影响尾流电量损失的关键因素之一。基于扫描雷达实测的机组尾流下游风速衰减特点,提取相关指标为后续风场优化排布设计提供参考依据。为分析风速大小对尾流扰动的影响,提取NNE(30 15)风向条件下,目标机组轮毂高度
23、处尾流下游方向沿尾流中心线每间隔1D距离处的风速,统计每间隔1 m/s风速区间尾流下游随距离增加的实测风速分布,见图7。该风电场机组额定风速为10 m/s,48 m/s风速对应的Ct值在0.797 40.755 3之间,其中Ct代表风电机组的推力系数。目标机组B3上、下游方向均无机组或障碍物遮挡,属于独立尾流工况(如图6所示)。可见不同风速段条件下,风速变化趋势基本一致,即机组叶轮后4D及以内距离风速变化幅度最大,叶轮后11D12D左右距离风速变化趋于平缓,12D以上距离风速基本无变化,如图7(a)所示。目标机组B4尾流下游方向11D距离处的B14机组由西向东方向距离/m由南向北方向距离/m5
24、0002500B1B211.8D(40)11D(35)10.5D(30)B3B4B5B6B7B8B9B10B13B14B15B16B17B18B19B22B23B24B25B26B27B28B31B32B33B34B35B36B37B38B39025005000沿尾流中心线30。方向4.1D图 6 NNE扇区条件下风电机组间距示意图Fig.6 The WTGS layout with distances in rotor diameters(D)under NNE direction84 全球能源互联网 第 6 卷 第 1 期处于非尾流中心区,属于半尾流工况(如图6所示)。上风向B4机组叶轮后
25、11D及以内距离风速变化与独立尾流工况的B3机组一致,11D以上距离风速呈一定的下降趋势,可能与处于B14机组尾流扰动外围区有关,如图7(b)所示。目标机组B5尾流下游方向10.5D距离处的B15机组处于尾流正中心区,属于全尾流工况。上风向B5机组叶轮后9D及以内距离风速随距离的变化特征与其他尾流工况基本一致;下风向B15风机尾流下游方向2D4D距离内的风速衰减较上风向B5风机大,4D及以内距离风速变化幅度明显,之后逐渐恢复;直至尾流下游方向的B23机组处,风速又明显衰减,之后逐渐恢复,如图7(c)所示。对比独立尾流工况机组B3和全尾流工况机组B15,4D及以内距离B15尾流下游的风速衰减较B
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